10_BL_20231026_WhisperAI_1.docx

Membranproteine können in verschiedenen Weisen, auf verschiedene Weise mit den Membranen interagieren. Auf der linken Seite sehen wir, was wir üblicherweise als Membranproteine bezeichnen, sind integrale Membranproteine und das bedeutet, dass Segmente der Sequenz, also Teile der Aminosäurensequenz,...

Membranproteine können in verschiedenen Weisen, auf verschiedene Weise mit den Membranen interagieren. Auf der linken Seite sehen wir, was wir üblicherweise als Membranproteine bezeichnen, sind integrale Membranproteine und das bedeutet, dass Segmente der Sequenz, also Teile der Aminosäurensequenz, der Primärstruktur, tatsächlich in der Membran sind und von der einen Seite der Membran zu der anderen Seite der Membran durchreichen praktisch. An biologischen Membranen finden wir allerdings auch Proteine, die auf andere Art interagieren und in der Membran verankert sind. Beispiele sind globuläre Proteine, welche mit einem Lipid oder einer lipidartigen Einheit modifiziert sind und diese lipidartige Einheit ist so hydrophob, dass das Protein permanent in der Membran verankert ist, weil dieser Teil nicht wasserlöslich ist und nicht aus dem Milieu der Lipiddoppelschicht heraus diffundieren kann. Dann gibt es natürlich auch die Membranproteine, die Teil eines Komplexes sind, zum Beispiel die assoziierten Komponenten eines Membranproteinkomplexes, wenn also, wie zum Beispiel in der Atmungskette, ein Membranproteinkomplex aus mehr als einer Polypeptidkette besteht, hier wäre das ein B und ein D und zusammen bilden die einen Komplex, aber streng genommen ist nur die B-Komponente ein integrales Membranprotein und trotzdem nennen wir dann D Teil des Membranproteinkomplexes. Und dann gibt es Membranproteine oder Membran assoziierte Proteine, die an ihrer Oberfläche amphipatische Helices haben oder andere Elemente, die genügend hydrophob sind, dass sie relativ unspezifisch mit der Lipiddoppelschicht interagieren. Wir hatten ja besprochen, dass es Proteine gibt, die an der Oberfläche hydrophobe Aminosäure-Seitenketten haben und die das benutzen, um Kontaktflächen zu anderen Proteinen zu bilden. Hier hätten wir etwas unspezifischeres, zum Beispiel eine Alpha Helix, die mehrere hydrophobe Seitenketten hat und das kann dann dazu führen, dass das Protein permanent mit der Oberfläche eines Membran interagiert und dort nicht wegdiffundiert. Ein wichtiges Konzept ist das Konzept der Topologie und hier sprechen wir jetzt nur von integralen Membranproteinen und die Topologie beschreibt, wo der Amino- und der Carboxy-Terminus oder wo diese Termini sind, relativ zueinander. Zum Beispiel gibt es Membranproteine, die haben einen einzelnen Transmembransegment-Teil, also ein einziges Mal geht die Kette von N nach C durch die Membran durch und das kann so sein, dass der N-Terminus im Zytoplasma auf der Innenseite ist in der Zelle oder auf der Außenseite, dann hätten wir so etwas. Anschließend kommt es darauf an, wie viele Transmembran-Passes, also wie viele Male ein Membranprotein, die Membran durchquert, das nennt man dann Transmembransegmente oder Transmembrane-Passes auf Englisch. In diesem Fall wäre das ein Single-Pass-Transmembranprotein, hier hätten wir zwei Segmente, die in der Membran sind, hier wären das drei und hier sind es mittlerweile eins, zwei, drei, vier, fünf, sechs, zwölf Transmembransegmente in diesem Protein. Wie Sie sich leicht vorstellen können, gibt es nichts, was es nicht gibt, es gibt praktisch jede Kombination hier. In späteren Vorlesungen werden Sie besprechen, wie es sein kann, dass ein Membranprotein den Aminotherminus auf der Außenseite hat im Vergleich zu auf der Innenseite. Das verstehen wir gut, denn auf der Innenseite sind ja die Ribosomen und da werden die Membranproteine hergestellt und in die Membran verankert. Aber wie das möglich ist, dazu müssen Sie später in anderen Vorlesungen die Diskussion der Membranproteinbiogenese studieren. Dieses Schema ist natürlich vereinfacht, denn häufig haben Membranproteine in ihren Loops hier oder hier größere Einschübe, zum Beispiel ganze Domänen, das kann dann so aussehen, dass hier ein ganzes Protein hängt und dann geht es weiter ins nächste Transmembransegment. Auch das ist hier einfach vereinfacht gezeigt. Die Frage ist nun, wie muss ein Membranprotein ausgestattet sein oder wie muss dieses Segment, dieses Segment, diese Sequenz hier aussehen, dass dieser Teil des Proteins in der Membran ist. Ein bisschen vereinfacht könnte man sagen, muss einfach genug hydrophob sein. Das ist einerseits richtig, andererseits müssen wir uns fragen, warum ist es dann nicht einfach Teil eines Kerns, eines löslichen Proteins. Wir hatten doch besprochen, dass die Kerne von Proteinen, die Cores, auch hydrophob sind und diesen Teil, diese Diskussion, die führen wir jetzt und fragen uns, was macht eine Sequenz aus eines Polypeptids, wo dann dieser spezifische Teil in der Membran drin verankert ist. Dazu müssen wir die sogenannte Hydrophobieskala besprechen und untrennbar mit dieser Skala verbunden sind die Namen von Kite and Dolittle. Manchmal nennt man diese die Schemata, die daran herauskommen, die daraus herauskommen auch die Kite and Dolittle Plots. Was wir hier sehen sind zwei verschiedene Arten von Tabellen. Die kommen auch aus verschiedenen Quellen und beschreiben verschiedene Ansätze, die Hydrophobie der 20 Aminosäuren zu beschreiben und zu klassifizieren. Zum einen gibt es den experimentellen Ansatz und der experimentelle Ansatz wäre zum Beispiel hier gezeigt, aber auch hier. Und im Wesentlichen geht es beim experimentellen Ansatz darum, die 20 Aminosäuren getrennt voneinander zu untersuchen, wie sie sich in Wasser oder in einem hydrophoben Milieu partitionieren. Also wie viel von der Aminosäure in der wässrigen Lösung ist und wie viel eher in einer hydrophoben Umgebung. Und die hydrophobe Umgebung, die kann die oder ist häufig wird die hergestellt mit einem Lösungsmittel. Das kann Ethanol sein, Methanol oder etwas anderes, manchmal auch verdampftes Methanol. Darum hat man dann hier Water Vapor Interface. Das heißt, man fragt sich, wenn man einer Aminosäure zwei Milieu anbietet, zu wie viel Prozent ist diese Aminosäure in der wässrigen Lösung, zu wie viel Prozent mehr in der hydrophoben Umgebung. Und das kann man messen und kann dann daraus die sogenannten Gipsenergien ableiten. Das wären diese Delta G0, die etwas darüber aussagen, wie viel Energie nötig ist, die Aminosäure von der einen zur anderen Seite zu transportieren. Und das gibt dann natürlich eine Tabelle und da sieht man, dass es für ein Isoleuzin viel schwieriger ist, in die wässrige Lösung zu gehen als zum Beispiel für ein Lysin. Das ist der experimentelle Ansatz. Dann gibt es auch den nicht-experimentellen Ansatz und der wäre hier beschrieben. Und da geht es vor allem darum, dass bis zu diesem Zeitpunkt, das war 1982, beschriebenen dreidimensionalen Strukturen von Proteinen untersucht wurden. Und spezifisch wurde tabelliert, zu wie viel Prozent die verschiedenen Seitenketten entweder komplett buried, das heißt im Core, im Kern versteckt waren oder an der Oberfläche vorkamen. Und natürlich, je hydrophober eine Seitenkette, desto eher ist sie im Kern eines Proteins und desto weniger ist sie an der Oberfläche. Und das führt dann auch zu einem Ranking, zu einer Liste, einer Rangliste. Und die Rangliste ist erstaunlich übereinstimmend mit dem Experiment, aber nicht zu 100 Prozent, nicht zu 100 Prozent im feinen Abstimmungsbereich identisch. Trotzdem konnte man, konnten Kiten Doolittle mit diesen beiden Analysen einen sogenannten Hydropathy Index oder eben Hydrophobieskala entwickeln. Und die haben das so entwickelt, dass sie gesagt haben, wir wollen, dass der Durchschnitt der Skala bei Null ist, das Zentrum ist bei Null und die extremste Hydrophobie wäre plus 4,5 und die extremste Hydrophilie wäre minus 4,5. Und so kommt es dann, dass jeder der 20 Aminosäuren einen bestimmten Wert zugeordnet wird und mit diesen Werten können wir jetzt arbeiten. Es ist so, dass diese Tabelle jetzt über 40 Jahre alt ist, aber sie hilft uns immer noch zu verstehen, was die Grundlage ist für Hydrophobie in Proteinen und warum gewisse Segmente Transmembransegmente werden. Wie benutzt man diese Tabelle? Sieht man in diesem nächsten Bild. In diesem Bild ist auf der linken Seite eine Aminosäure Sequenz eines Proteins aufgeführt. Das ist eines meiner Lieblingsproteine, wir hatten dieses auch schon besprochen im dreidimensionalen Modell. Und man könnte nun ganz einfach jeder dieser einzelnen Aminosäuren einen Wert zuordnen und das dann abtragen auf einem QDPL. Dann hätte man also die ganzen Aminosäure Seitenketten nummeriert auf der x-Achse, das sind 578, wenn ich mich korrekt erinnere, 578, da wäre 50, 60, 70, 78. Und dann gäbe das hier aber ein heilloses, fast unlesbares, unleserliches Diagramm, aus dem wir nichts ziehen können. Was man macht ist etwas anderes. Man sagt, die Grundvoraussetzung, dass ein Segment in einem Membran sein kann, ist ja nicht, dass es eine einzelne hydrophobe Aminosäure Seitenkette hat, sondern eine ganze Reihe davon, die im Durchschnitt zu einem Segment führen, welches hydrophob genug ist, als dass es mit Lipiden interagieren kann. Also generiert man sogenannte Slider Windows. Man nimmt eine ungerade Anzahl von Aminosäuren, zum Beispiel 11, und addiert die 11 Werte der Hydrophobie aus der Tabelle zusammen. Man addiert die zu einem Wert und dividiert diesen Wert durch 11. Und dann nimmt man diesen Wert von diesen 11 Hydrophobien und weist den der mittleren Aminosäure, das wäre der Nummer 6, zu und trägt diesen Wert hier ab. Das bedeutet also, wenn wir einen Wert hier sehen, bei der Aminosäure 6, das wäre dann der erste Wert hier, dann beschreibt dieser Wert die Durchschnittshydrophobie dieser Aminosäuren und der fünf Nachbarn links und rechts. Und dieses Slider Window verschieben wir jetzt immer um eine Aminosäure, eine nach der anderen, und berechnen neu den Durchschnittswert der 11 Aminosäuren, zum Beispiel, und weisen die dann auf dem Diagramm und tragen die dann auf dem Diagramm ab. Wir könnten auch andere Werte benutzen. Wir könnten sagen, wir nehmen nur 5 Aminosäuren oder 17. Es stellt sich heraus, dass entweder 11 oder 13 ein guter Durchschnittswert ist. Je mehr wir nehmen, desto mehr nähert sich der Wert dem Durchschnitt an, der dann etwa bei 0 liegt. Und das bringt uns dann nichts. Und je kürzer diese Slider Windows sind, desto eher haben wir wieder dieses unleserliche Diagramm mit großen Ausschlägen nach links und rechts. So aber kommt aus dieser Sequenz mit einem Slider Window von 11. Ich schreibe das gerade mal hin. 11 Aminosäuren führt genau zu diesem Diagramm. Wir wissen, wie dick im Durchschnitt ein Membran ist. Das bedeutet, wir brauchen ungefähr 20 Aminosäuren von genügend großer Hydrophobie, die in einem Membran verankert sind. Ein wichtiges Konzept. Es kann durchaus auch ein oder zwei Outliers haben. Aminosäuren, die nicht besonders hydrophob sind. Es geht um den Durchschnitt. Wenn das kompensiert wird durch Nachbarn, die sehr hydrophob sind, dann haben wir vielleicht doch noch eine Transmembran-Helix. Nun stellt sich Folgendes heraus. Wenn wir das so tun, dann kriegen wir auf der linken Seite dieses Kiten-Do-Little-Plots offensichtlich einen Teil des Proteins, der Transmembran-Segmente hat. Denn wir sagen, dass etwa alles, was über 1 ist, so hydrophob ist, dass es in der Membran verankert sein kann. Wir haben hier Segmente, die genug lang sind, eben diese 20 Aminosäuren, und die im Durchschnitt über der Hydrophobie von 1 liegen. Dementsprechend kann man hier analysieren, dass dieser Teil des Proteins eine Transmembran-Domäne ist mit mehreren Transmembran-Helices. Dieser Teil des Proteins erreicht nie oder fast nie die Durchschnittshydrophobie von 1, sondern ist im Gegenteil eher rund um Null oder vielleicht sogar ein bisschen drunter. Sie fragen sich vielleicht, warum kann es überhaupt hier eine gewisse Hydrophobie zu haben? Warum kann es überhaupt keine gewisse Hydrophobie haben? Nun, das hatten wir besprochen bei Proteinen. Es gibt eben den Kern, und der Kern braucht hydrophobe Aminosäureseitenketten, sonst gibt es gar keine Faltung. Der hydrophobe Effekt generiert ja die Faltung. Nun haben wir eine Voraussage, und diese Voraussage trifft sich gut mit der dreidimensionalen Struktur dieses Proteins. Die hatten wir bestimmt im Jahr 2006. Wir können nun hingehen und diese Transmembran-Helices nummerieren und identifizieren. Das wäre dann 1, 2, 3, 4, 5, 6. Im Modell finden wir die hier 1, 2, 3, 4, 5 und 6. Der Farbcode ist wieder so, dass von dunkelblau bis nach rot vom N- zum C-Terminus geht. Die N- und C-Termini sind hier gezeigt. Dieses spezifische Protein ist allerdings ein Homodimer. Das Homodimer ist hier gezeigt. Das bedeutet, das Gesamtprotein hat 12 Transmembran-Helices. Jetzt noch ein Kommentar zu der Qualität dieses Plots. Sie sehen vielleicht, dass es unterschiedliche Klarheit gibt, wo eine Transmembran-Helix ist. Das ist sehr klar zu sehen. Hier muss eine Transmembran-Helix sein, hier muss noch eine sein, 1 und 2. Aber bei 3 und 4 ist der Unterschied nicht so klar und bei 5 und 6 auch nicht. Und zwar gibt es da zwei Effekte. Der eine ist, wenn die Loops sehr kurz sind, dann kann es sein, dass die beiden Transmembran-Helices nicht getrennt werden durch einen Wert, der tief nach unten geht in Richtung Null, sondern dass das fast ineinander übergeht. Und dann muss man einfach schauen, wie breit ist dieses Segment, können das zwei Helices sein. Und das zweite ist natürlich, wenn eine dieser Helices kaum mit Lipiden interagiert, sondern nur im Innern des Proteins als Kern sozusagen vorhanden ist, dann ist die Hydrophobie etwas tiefer als an der Oberfläche, wo mit Lipiden interagiert werden. Das ist ein wichtiger Punkt. Und wir sehen das auch noch, wenn wir auf der rechten Seite nun die Oberflächendarstellung anschauen und zwar in der Form eines Oberflächenpotenzials. Wir nennen das ISP, Electrostatic Surface Potential, zeigt in der ersten Näherung einfach die erwarteten Ladungen an der Oberfläche des Proteins. In diesem Fall also wäre weiß, wäre ungeladen, rot wäre negativ geladen, blau wäre positiv geladen. Und wir sehen, dass dieser ganze Teil hier weiß ist und wir erwarten, dass dieser Teil des Proteins mit den Lipiden interagiert. Dieser Teil ist auf der Oberfläche unterschiedlich, manchmal positiv, manchmal negativ geladen, ist alles in allem sehr hydrophil, von dem erwarten wir, dass es mit der wässrigen Lösung interagiert. Erstaunlicherweise finden wir hier einen blauen Ring und dieser blaue Ring hat es in sich, das ist kein Zufall, das ist im Gegenteil eine häufige Beobachtung bei Membranproteinen und das hat damit zu tun, dass Transmembranhelices, die in die Membran eingebaut werden, also das heißt dieser Teil der Helices, die eingebaut werden in die Membran enthalten positiv geladene Aminosäureseitenketten, also Arginine und Lysine. Wir nennen das die Positive Inside Rule. Ich schreibe das hin. Die Grundlage dazu hat etwas damit zu tun, wie Transmembranproteine in die Membran eingebaut werden, also die Insertions- und Sekretionsmaschinerie. Besprechen wir nicht in dieser Vorlesung, kommt in späteren Vorlesungen zu Grundlagen der Biologie 2. Aber noch mal zurück zu der Hydrophobie. Die Hydrophobie hier ist höher im Durchschnitt, als die Hydrophobie im Kern eines Proteins. Transmembranproteine sind also nicht andere Typen von Proteine als lösliche Proteine. Ihr Kern ist ähnlich hydrophob, aber sie haben Oberflächen, die noch viel hydrophober sind, als diejenigen, die immer im Kern sind, also im Durchschnitt diejenigen, die im Kern sind. Das ist die Diskussion der alphahelikalen Transmembranproteine. Nun gibt es auch noch andere Proteine, die in der Membran stecken, und das sind die sogenannten Beta-Proteine. Dazu zuerst ein Kommentar. Ein einzelner Strang oder ein einzelnes Segment eines Polypeptids kann nicht gut in ausgestreckter Form in der Lipiddoppelschicht sein. Warum nicht? Die Antwort ist, weil die ganzen Hauptketten Wasserstoffbrücken nicht abgesättigt sind. In einer alphahelix sind diese abgesättigt. Darum können alphahelikale Transmembranproteine auch nur eine einzelne Helix enthalten. Die müssen nicht mehrere Helices enthalten. Die können eine Helix enthalten, und diese Helix hat einfach auf alle Seiten heraus hydrophobe Aminosäureseitenketten. Bei Beta-Proteinen ist es ein bisschen anders, weil Beta-Proteine sind ja ausgestreckte Segmente, und hier geht es nur, wenn diese ein Fass bilden. Das heisst, wenn die Beta-Stränge nebeneinander sind und praktisch ein geschlossenes Fass bilden. Und in diesem Fass ist es so, dass jede zweite Aminosäure im Beta-Strang nach außen zeigt und die anderen nach innen. Das hatten wir besprochen, als wir die Geometrie eines Beta-Faltplatz besprochen hatten. Also hier, das wären diese C-Alphas n, C-Alpha n plus zwei, C-Alpha n plus vier, C-Alpha n plus sechs, und hier sind die anderen dazwischen. C-Alpha n plus eins, n plus drei, und n plus fünf. Und es ist nun so, dass in einem Beta-Barrel Membranprotein wäre diese hier, diese hier und diese hier, die wären dann hydrophob. Und wenn alle Stränge in diesem Barrel ihre hydrophoben Seitenketten nach außen zeigen lassen, dann haben wir auch wieder eine sehr stark hydrophobe Oberfläche, die mit Lipiden interagieren kann. Was wir nicht unbedingt haben, ist ein starkes Signal im Kite and Do Little Plot. Und das hat etwas damit zu tun, dass in solchen Fässern, in solchen Beta-Barrels die Innenseite manchmal gar nicht so hydrophob ist. Denn manchmal sind da zwar kernartige Strukturen, das heißt wir haben den Kern eines Proteins, aber manchmal sind das auch Fässer, die Wasser durchlasten und die eigentlich Kanäle darstellen. Und in diesem Fall ist es dann so, dass die Aminosäuren, die nach innen zeigen, erstaunlich hydrophil sind. Und damit verschwindet das Signal im Kite and Do Little Plot, wo wir ja erst etwas sehen, wenn im Durchschnitt mehrere Aminosäurenseitenketten nebeneinander überdurchschnittliche Hydrophobie haben. Das ist in Beta-Barrel-Faltprotein häufig nicht so. Jetzt muss man noch wissen, dass Beta-Barrel-Membranproteine fast nie in den gleichen Membranen vorkommen wie alpha helikale Transmembranproteine. Es sind ein Spezialfall. Beta-Barrel-Membranproteine kommen in äußeren Membranen vor, von Gramm negativen Bakterien und von Organellen, von denen man annimmt, dass sie Abkömmlinge sind der Gramm negativen Bakterien. Also zum Beispiel Mitochondrien äußeren Membranen oder Chloroplasten äußeren Membranen. Dort finden wir immer noch Beta-Barrel-Membranproteine. Einen wichtigen Kommentar müssen wir noch machen zu Membranen und das hat mit der Biophysik zu tun. Die meisten biologischen Membranen weisen Asymmetrie auf und zwar doppelte Asymmetrie. Zum einen sind die beiden Leaflets, die Schichten, also das innere und das äußere Leaflet, dieses hier und dieses hier, nicht identisch in Bezug auf die Anteile der Phospholipide, die drin sind. Wir hatten bereits in der letzten Doppelstunde besprochen, dass je nach Krümmung verschiedene Phospholipide besser in bestimmte Geometrien reinpasten. Gibt auch andere Gründe, warum unterschiedliche Phospholipide auf der Innen- oder auf der Außenseite sind. Das hat viel mit Zellbiologie zu tun, wird später in anderen Vorlesungen besprochen. Hier habe ich es vereinfacht gemalt mit grünen und mit roten Kopfgruppen zum Symbolisieren, dass die Asymmetrie sich durchaus auf die Phospholipide Chemie auswirken kann. Das zweite, das man erwähnen muss hier, ist, dass Membranen ja unterteilend sind, das heißt sie trennen innen von außen und sie trennen auch das Innere eines Organells ab vom Zytoplasma zum Beispiel. Und das bedeutet, dass die Konzentrationen der gelösten Substanzen unterschiedlich sind auf der einen Seite, zum Beispiel der Außenseite, im Vergleich zur Innenseite. Und manchmal ist es sogar so, dass es Ladungsüberschuss gibt. Es muss also nicht nur so sein, dass verschiedene Salze vorkommen, hier außen wie hier innen, sondern dass es Ladungstrennung gibt und Ladungsüberschüsse. Und dann sagt man, die Membran ist polarisiert und sie hat dann überschüssige, zum Beispiel positive Ladungen auf der Außenseite, negative Ladungen auf der Innenseite. Das ist ein häufig zu beobachtendes Muster, dass die Innenseite der biologischen Membranen häufig leicht negativ geladen sind im Vergleich zu außen. Wie misst man sowas? Das misst man mit einem Spannungsmessergerät. Ich zeichne das kurz hier. Man hätte also Elektroden und ein Spannungsmessgerät und würde dann innen im Vergleich zu außen messen und schauen, was dann angezeigt wird. Ein typischer Wert wäre zum Beispiel minus 60 Millivolt, das gemessen wird innen im Vergleich zu außen. Das entsprechende Forschungsfeld nennt sich Elektrophysiologie, das heißt, man hat dann verschiedene Geräte, mit denen man an Membranen elektrische Vorgänge messen kann. Wo ist das wichtig? Das ist wichtig zum Beispiel, wenn es darum geht, dass Neuronen, also Nervenzellen, Aktionspotenziale fortpflanzen können, dann braucht es diese Ladungstrennung und diese oberflächengelokalisierten Überschussladungen oder es braucht sie auch, um aktiven Transport zu ermöglichen. Das kommt dann gleich in den nächsten paar Slides. Also wir fassen zusammen, die Asymmetrie betrifft die Lipide, die unterschiedlichen Konzentrationen von verschiedenen Lipiden in den zwei Leaflets, inner und outer Leaflet, und die Asymmetrie betrifft insbesondere auch die Polarisierung oder ein Transmembranpotenzial, welches die Folge ist davon, dass die Konzentration der verschiedenen Ionen unterschiedlich sind auf den beiden Seiten der Membran. Membranproteine haben verschiedene Funktionen. In dieser Doppelstunde besprechen wir nur eine davon und das ist Transport. Aber wie Sie sich leicht vorstellen können, gibt es noch ganz viele andere Reaktionen, die durch Membranproteine vermittelt oder katalysiert werden. Es gibt Membranproteine, die als Enzyme fungieren. Es gibt solche, die als Rezeptoren fungieren. Es gibt solche, die Strukturproteine, die haben strukturelle Rolle, zum Beispiel wenn es darum geht, einen Membran zu krümmen. Aber eine der Funktionen, die so fundamental ist, dass sie in dieser Vorlesung besprochen wird, ist Transport. Eine Membran ist fundamental eine Barriere und die Barriere kommt daher, dass dieser Teil hier, der Membran, irgendwo zwischen 25 und 30 Angströme dick ist und hydrophob. Und das bedeutet eine große energetische Barriere für die Mehrheit der Substanzen, welche biologisch wichtig sind und durch diese Membranen durchdiffundieren müssen. Auf diesem Bild haben wir vier verschiedene Substanzklassen vereinfacht gezeigt und wir fragen uns, wie gut kommen diese Klassen von Molekülen durch die Membran durch. Das sind auf der einen Seite mal Gase. Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder CO2, aber auch kleine oder sehr kleine chemische Verbindungen, praktisch immer organische Verbindungen, die extrem hydrophob sind. Gase wie diese hier sind viel hydrophober als Wasser und können praktisch ungehindert durch die Membran durchdiffundieren. Das ist wichtig im Fall von Sauerstoff und Kohlendioxid, wie sie sich vorstellen können, für unsere Atmung. Denn wenn wir einatmen müssen und ausatmen, müssen natürlich diese Gase sehr effizient durch Membranen durchdiffundieren, damit sie in unserer Lunge aufgenommen und wieder abgegeben werden können. Dann kommt eine große Mehrheit von kleinen Molekülen, die entweder ungeladen sind oder geladen sind. Und für beide stellen biologische Membranen erstaunlich starke Barrieren dar. Bei den kleinen Molekülen wie zum Beispiel Wasser oder Harnstoff, das hier ist Harnstoff, kann man messen, dass es durchaus eine gewisse Resttransportaktivität gibt. Wasser kann relativ langsam aber zu einem gewissen Teil durch Membranen durchdiffundieren. Der größere Teil wird abgewiesen und schnell ist dieser Prozess auch nicht und das soll gezeigt sein mit diesen gestrichelten Pfeilen hier. Bei den geladenen oder größeren hydrophilen Molekülen wie zum Beispiel diesem Zucker hier Glucose ist es allerdings so, dass sie sehr lange warten können bis auch nur ein einziges dieser Ionen Kalium oder Natrium oder Chlorid oder ein Glucosemolekül von alleine durch die Membran durchgeht. Die werden abgewiesen und damit ist es auch so für die Zelle ist es dann möglich, wenn das hier auf der Innenseite ist, verliert die Zelle nicht einfach die Glucosemoleküle, das ist der Nahrungsmittel, sondern kann die auf der kann die innen behalten. Und dann kommt die Frage nach großen hydrophoben Molekülen. Das Beispiel hier ist Doxorubicin. Doxorubicin ist ein Krebsmedikament, aber es gibt unendlich viele relativ hydrophobe Substanzen, die nicht gut wasserlöslich sind und von denen man sich fragt, wie bewegen sich die im Vergleich zu Membranen? Vor ein paar Jahrzehnten war die gängige Lehrmeinung, dass diese Substanzen, zu denen zum Beispiel auch Cholesterin gehört, relativ frei durch den Körper und durch Membranen durchdiffundieren. Das stimmt aber nicht. Wir stellen fest, dass es für praktisch alle diese Substanzen einen Transportprotein-Mechanismus braucht, weil sonst die Substanzen höchstens in die Membran partitionieren, dort aber dann feststecken. Das ist durchaus möglich. So ein Molekül kann in die Membran und steckt dann aber fest. Fragen Sie sich vielleicht, wie kommt dieses Molekül schon nur ins Blut rein? Im Blut haben wir Albumin. Das ist ein Protein, das in großen Konzentrationen vorliegt und welches zum Beispiel auch Fettsäuren transportiert, kann als Nebeneffekt auch alle möglichen hydrophoben Substanzen transportieren durchs Blut. Und so gelangen dann diese Substanzen an andere Zellmembranen und können dort abgegeben werden. Also, wenn diese drei Kategorien von Substanzen durch Membranen transportiert werden sollen, dann braucht es dazu vermittelten Transport, Protein vermittelten Transport. Ich zeichne das hier kurz. Jedes von denen wäre ein Transportprotein und wenn so ein Transportprotein vorhanden ist, dann kann der Transport sehr effektiv und häufig auch schnell vermittelt werden. Das ist die Analogie zu Katalyse bei Enzymen, aber wir sprechen eigentlich nicht von katalysiertem Transport, denn es wird ja eigentlich nie etwas umgesetzt. Es ist keine chemische Umsetzung, sondern es ist eben vermittelter Transport. Wenn das Substrat transportiert worden ist, ist es auf der anderen Seite der Membran immer noch das gleiche Substrat, ist nicht chemisch verändert worden. Transportproteine sind extrem häufig und machen einen großen Teil der biologischen Membranen aus. Es ist sogar so, dass wenn man eine typische Membran reinigt und fragt, wie viel der Masse dieser Membran sind den Transportproteine, dann ist das etwa 50%. Die anderen 50% sind Lipide und andere Proteine mit anderen Funktionen. Nun müssen wir diskutieren, wie Transport aussieht und hier unterscheiden wir zwischen passiven Transport und aktiven Transport. In beiden Fällen geht es um vermittelten Transport. Das Bild hier ist eine Vereinfachung. Die Idee ist, dass Transport nicht einfach etwas ist, was wir als Schicksal praktisch verstehen müssen und keine Ahnung haben, in welche Richtung es fließt. Transport folgt wie alle Dinge in der Biologie energetischen Grundsätzen. In diesem Fall hier ist ein höheres Wasserniveau angezeigt im oberen Teil des Bildes oben links und im unteren Teil des Bildes, hier und hier unten rechts, sind die Wasserniveaus tiefer und es ist nun klar, dass wir sehen, dass der Transport von Wasser, wenn wir einfach mal das Wasser anschauen, wird immer nur in diese Richtung gehen. Die Frage ist, kann man ein Schiff transportieren vom unteren Niveau ins obere Niveau? Und das kann man, indem man eine Schleuse baut. Die Schleuse hat zwei Schleusentoren und wenn diese korrekt orchestriert und in der richtigen Abfolge operiert werden, kann man ein Schiff von hier unten nach hier oben fahren. Nun, das Bild hat natürlich seine Tücken. Es geht hier nicht darum zu sagen, dass immer in der Zelle höhere Konzentrationen von jeder Substanz vorliegen. So ist es nämlich nicht. Das Bild soll nur illustrieren, dass die energetischen Grundsätze wichtig sind, dass wir also, wenn eine Membran, und hier wäre die Membran, wenn die Membran Kompartemente trennt und auf der einen Seite höhere Konzentrationen vorliegen auf der anderen, zum Beispiel von Glucose oder von Kalium, dann gibt es einen Gradienten und wenn es einen Weg gibt für diese Substanz, dann wird diese Substanz diesen Weg auch nehmen. Das würde man dann passiven Transport nennen. Passiver Transport ist also entlang eines Konzentrationsgradienten, die treibende Kraft ist die Diffusion von höherer zu tieferer Konzentration. In diesem Fall hier ist passiver oder aktiver Transport möglich. Sie können mit dem Schiff in diese Richtung fahren oder in jene Richtung und sie wollen mit dem Schiff nicht hier drüber kippen und vor allem wollen sie auch nicht, wenn sie eine Zelle sind, unendlich Wasser und Energie verlieren. Das heißt selbst, wenn eine Zelle etwas transportieren will von einem höheren Niveau auf ein tieferes, dann geht es häufig auch darum, nicht zu viel Energie zu verlieren oder nicht zu viel andere Substanzen zu verlieren. Darum ist in einer Schleuse durchaus auch passiver Transport möglich und wir werden Beispiele dazu sehen. Aktiver Transport läuft immer entgegen einem Konzentrationsgradienten und dabei muss Energie aufgewendet werden und das werden wir sehen, das ist immer eine gekoppelte Reaktion.