Molekülbewegung über Membranen

Substratbewegung über Membranen

• Moleküle werden abhängig von Hydrophilie/Hydrophobie, Ladung und Größe passiv oder aktiv über Membranen bewegt.
• Die Reihenfolge der Durchlässigkeit: Kleine hydrophobe Moleküle, Kleine ungeladene polare Moleküle, Große ungeladene polare Moleküle, Ionen.

Formen der Molekülbewegung über Membranen

• Einfache Diffusion
• Passiver Transport via Kanal
• Passiver Transport via Transporter
• Aktiver Transport via Transporter

Kanäle

• Interagieren nur schwach mit ihrem Solut.
• Bilden wassergefüllte Poren, die sich über die Doppelschicht erstrecken und schließen können.
• Sind die Poren geöffnet, treten die Solute durch.
• Gewöhnlich anorganische Ionen bestimmter Größe und Ladung.
• Dies bedeutet eine sehr rasche Passage.

Transporter

• Binden das spezifische Solut.
• Transportieren unter mehrfachen Konformitätsänderungen über die Membran.
• Dies bedeutet eine gegenüber Kanälen deutlich langsamere Passage.

Grundlagen des Transports über Membranen

• Alle Kanäle und viele Transporter ermöglichen eine Passage nur „bergab“ – entsprechend dem Konzentrationsgefälle – passiver Transport.

Ionenkanäle als Variante von Membrankanälen

• Aufbau aus Kanalproteinen.
• Nicht-kompetitive (= allosterische) Hemmung eines Transporters.
  • Der Inhibitor bindet an einer anderen als der Solut-Bindungsstelle und verändert dadurch die Struktur des Transporters.

Ionengradienten über Membranen

• Ionengradienten über Membranen im Dienst der Energiebereitstellung.
  • Sie ermöglichen die ATP Synthese zum Antrieb des Stofftransports über die Membran (z.B. das Enzym ATP-Synthase).
  • Ermöglicht den Wechsel von Gradientenantrieb zu Antrieb über einen „Motor“ (z.B. ATP) mit Umkehr der Arbeitsrichtung.
  • Passage Bergab entlang eines günstigen elektrochemischen Gradienten unter Energiegewinnung, z.B. ATP-Synthese und Bergauf-Transport unter Energieverbrauch zur Wiederherstellung des Gradienten.

Na+ (daneben auch H+) als Grundantrieb vieler Membranfunktionen

ATP-Synthase (Bautyp F-Pumpe) – Umkehrbare Funktionsrichtung

• Bei hoher H+ Konzentration extrazellulär (= großer Gradient) => H+ - Einstrom unter ATP-Produktion.

ATP-Synthase – Umkehrbare Funktionsrichtung

• Die Wiederherstellung des Gradienten erfolgt unter ATP-Verbrauch.

Beispiele für P-Typ-Pumpen

• Der von Natrium/Kalium ATPase aufgebaute Natriumgradient treibt den Transport der meisten Nährstoffe in tierischen Zellen und reguliert wesentlich den zystolischen pH-Wert.
• Rund 1/3 des Energiebedarfs einer typischen tierischen Zelle entfällt auf den Antrieb dieses Transporters, noch mehr bei Nervenzellen zur Fortleitung des Nervenimpulses.

F-Typ-Pumpe

• Turbinenartige Proteine aus vielen Untereinheiten.
• Arbeitet mit bedarfsweiser Richtungsumkehr: Nutzt den Wasserstoffgradienten an der Membran zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat.

Ionengradienten über Membranen als Motoren der Energiebereitstellung und Basis elektrischer Reizausbreitung

• ATP Synthese zum Antrieb des Stofftransports über die Membran.
• Auslösung und Weiterleitung elektrischer Signale in Nervenzellen und Muskelzellen.

ABC-Transporter

• Pumpen vorwiegend kleine Moleküle durch die Zellmembran.
• Verfügen über je 2 ATP-Domänen.
• Die ATP-Spaltung bewirkt eine Reihe von Konformitätsänderungen und Öffnung der Substratbindungsstellen zunächst an der einen, dann an der anderen Seite der Membran für den Durchtritt kleiner Moleküle.

Die drei Domänen der Lebewesen

• Eukaryoten
• Eubakterien (Prokaryoten)
• Archaeen (Prokaryoten)

Zell-Ebene und Erkrankungen

• Viele Erkrankungen werden durch Modellvorstellungen auf Zell-Ebene verständlich und Behandlungsansätze basieren zumeist auf solchen Modellen.
• Die pathologischen Veränderungen von Geweben sind dynamischer Ausdruck von Interaktionen zwischen Zelltypen welche solche Gewebe bilden in ihrer direkten oder indirekten Reaktion auf Schadwirkungen (Noxen) einschließlich Mikroorganismen.

Cholesterin

• Cholesterin verstärkt in Membranen die Permeabilitätsbarriere und versteift den Mittelbereich der Doppelschicht in Interaktion mit Phospholipiden.
• Dadurch werden Verformbarkeit und Durchlässigkeit für kleine wasserlösliche Moleküle verringert.

Membranfluidität

• Besonders Kleinorgansimen, deren Umgebungstemperatur schwankt, passen die Fettsäure-Zusammensetzung ihrer Membranlipide temperaturgeleitet an.
• Damit wird die Membran-Fluidität konstant gehalten.

Die Membran verfügt über spezialisierte Signalisationselemente

• Das Inositol-Phospholipid ist ein charakteristisches Beispiel.
  • Entscheidende Funktion bei der Lenkung des transmembranalen Verkehrs und der Signalweiterleitung in Zellen.

Lipidfluss-Bildung

• Lipidmoleküle in der Plasmamembran tierischer Zellen können sich vorübergehend zu spezialisierten Domänen, sogenannten Lipidflößen, formieren.
• Lipidflöße haben längere gerade Kohlenwasserstoffschwänze als andere Membranlipide.
• Daher sind die Floßdomänen dicker und kompakter als andere Bereiche der Doppelschicht und nehmen große und komplexe Membranproteine besser auf.

Lipidtröpfchen, Herkunft und Funktion

• Die meisten Zellen speichern Lipidüberschüsse in Tröpfchen-Form.
• Lipidtröpfchen enthalten neutrale Lipide, die im endoplasmatischen Retikulum aus Fettsäuren und Cholesterin synthetisiert werden.
• Sie sind Organellen und umgeben von einem Phospholipid-Monolayer, der verschiedene Proteine enthält.
• Lipidtröpfchen entstehen, wenn Zellen hohen Fettsäurekonzentrationen ausgesetzt sind.
• Lipidtröpfchen streben spontan zur Tropfenform, da der hydrophile Pol an der inneren Oberfläche fehlt (Voraussetzung für die Bildung von Doppelschichten an Membranen).
  • Funktionieren als:
    • Baustein der Membransynthese/Reparatur
    • Brennstoffreserve

Die Lipid-Doppelschicht – funktioneller Sinn eines allgemeinen Konstruktionsprinzips an einigen Beispielen

• Es gibt 3 Hauptklassen von Lipidmolekülen in den Membranen:
  • Phospholipide
  • Cholesterin
  • Glykolipide

Ausgeprägte Lipidasymmetrie in der Lipid-Doppelschicht von Membranen

• Ausgeprägte Lipidasymmetrie in der Lipid-Doppelschicht von Membranen mit Ladungsdifferenzen ist funktionell relevant für die Umwandlung von extrazellulären Signalen in intrazelluläre Signale.
• Viele zytosolische Enzyme binden an spezifischen Lipidkopfgruppen im zytosolischen (inneren) Monolayer und benötigen unter anderem negativ geladene Phospholipide für ihre Aktivität.

Dynamische Phospholipid-Asymmetrie als Zelluntergang-Signal

• Bei Apoptose (= programmierter Zelltod) wechselt Phosphatidyl-Serin aus der Innenschicht in die Außenschicht der Membran (flip-flop Mechanismus) und wird zum Phagozytose-Signalgeber für Makrophagen.

Glykolipide

• Glykolipide sind beschränkt auf die äußere, nicht-zytosolische Schichte und konzentriert in Lipidflößen.
• Glykolipide wirken bei Zellerkennungsprozessen mit.
• Sie bilden andererseits Eintrittspforten für bestimmte bakterielle Toxine, z.B. das Glykolipid GM1 für das Choleratoxin.
  • Dieses Toxin bindet nur an Zellen, die GM1 an der Oberfläche exprimieren, so das Darmepithel.
  • Choleratoxin verlängert intrazellulär die Erhöhung der cAMP-Konzentration.
  • Daraus folgt verstärkter Eflux von Natrium und Wasser aus der Zelle ins Darmlumen.
  • Dadurch profuse Durchfälle und Dehydratation binnen Stunden.

Das Glykolipid GM1 im ZNS

• Beeinflusst die Neuroplastizität
• Beeinflusst Reparaturvorgänge
• Setzt Neurotrophine im ZNS frei

ACE2-Rezeptor und Corona-Virus

• Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) ist sowohl ein Regulator des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems als auch ein funktioneller Rezeptor an Zelloberflächen wodurch SARS-CoV-2 in die Wirtszelle eindringt.

Membranproteine

• Proteine in der Plasmamembran dienen als Rezeptoren für äußere Reize.
• Sie übertragen Informationen.

In diesem Quiz lernen Sie die verschiedenen Mechanismen der Substratbewegung über Membranen kennen. Entdecken Sie die Unterschiede zwischen einfacher Diffusion, passivem und aktivem Transport sowie die Rolle von Kanälen und Transportern. Testen Sie Ihr Wissen zu hydrophilen und hydrophoben Molekülen.