Zellphysiologie - Grundl. des Lebens PDF

SFU MED MODUL B6 Grundlagen des Lebens Univ. Prof. Dr. Manfred Schmidbauer 18.09.2024 1 SUBSTRATBEWEGUNG ÜBER MEMBRANEN MOLEKÜLE WERDEN ABHÄNGIG VON HYDROPHILIE/HYDROPHOBIE, LADUNG UND GRÖSSE PASSI...

SFU MED MODUL B6 Grundlagen des Lebens Univ. Prof. Dr. Manfred Schmidbauer 18.09.2024 1 SUBSTRATBEWEGUNG ÜBER MEMBRANEN MOLEKÜLE WERDEN ABHÄNGIG VON HYDROPHILIE/HYDROPHOBIE, LADUNG UND GRÖSSE PASSIV ODER AKTIV ÜBER MEMBRANEN BEWEGT Reihenfolge nach Durchlässigkeit: Kleine hydrophobe Moleküle Kleine ungeladene polare Moleküle Große ungeladene polare Moleküle Ionen Figure 12-2 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  FORMEN DER MOLEKÜLBEWEGUNG ÜBER MEMBRANEN Einfache Diffusion Passiver Transport via Kanal Passiver Transport via Transporter Aktiver Transport via Transporter Figure 12-4 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) 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 Konformitäts – Änderungen 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 SIND EINE VARIANTE VON MEMBRANKANÄLEN UND WERDEN HIER ALS BEISPIEL HERANGEZOGEN Ionenkanäle Aufbau aus Kanalproteinen. Bilden hochselektive Poren, die rasch geöffnet und geschlossen werden können. Die Durchschleusungsleistung von Ionenkanälen gegenüber Transportern ist 10 5 x größer als die des schnellsten Transporters. TYPISIERUNGSKRITERIEN FÜR IONENKANÄLE Ionenselektivität Steuerungsmechanismus Häufigkeit und Anordnung in der Zelle (Kalium-Kanäle sind die häufigsten in der Plasmamembran fast aller tierischen Zellen)  Ionenkanäle können NICHT an eine Energiequelle gekoppelt werden und also keinen aktiven Transport ausführen. Ionenkanäle sind folglich strikte Bergab - Transporter entlang von Gradienten = schnelle Diffusion = kanal - mediierte Diffusion (im Gegensatz zur „einfachen“ Diffusion über die Membran). IONENKANÄLE SIND IONENSELEKTIV Die Poren sind räumlich eng genug, um die Ionen in Wandkontakt zu bringen. Ladung und Größe bilden somit die bestimmenden Durchlasskriterien, die durch den Selektivitätsfilter führen. Dieser begrenzt die Geschwindigkeit des Durchtritts, die außerdem von der Ionenkonzentration abhängt. Ionenkanäle haben eine kontrollierte Öffnungsdauer und gehen bei anhaltendem chemischem oder elektrischem Steuersignal in einen geschlossenen = unempfindlichen Zustand über. STEUERUNGSMECHANISMEN VON KANÄLEN (Haupttypen von Kanalöffnungsreizen) Spannungskontrolliert = Durch Änderung des Spannungspotentials der Membran Ligandenbindung (z.B. extrazellulärer Transmitter als Signalstoff > intrazellulärer Vermittler z.B. ein Ion). Nukleotid - gesteuert (gehören zur Familie der Liganden - gesteuerten Kanäle, heißen CNG – Kanäle (Cyclische Nucleotid – Gesteuerte Kanäle) und werden durch cAMP und cGMP reguliert, wichtig in Herz und Gehirn und für sensorische Transduktionen im visuellen und olfactorischen System). Mechanischer Reiz Figure 12-25 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  Figure 12-26b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Beispiel für einen mechanisch gesteuerten Kanal (=Mechanoelektrische Transduktion): Stereozilienauslenkung an den Haarzellen der Cochlea.  Elektrochemischer Gradient = Konzentrationsgradient + Elektrischer Gradient = Antriebskraft für passiven Transport Trägt der gelöste Stoff (Solut) eine Gesamtladung (= Nettoladung), so wird der Transport a. durch den Konzentrationsgradienten UND a. durch den Unterschied des elektrischen Potentials über der Membran (=Membranpotential) beeinflusst. Figure 12-7 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Figure 12-29 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  TRANSPORTGRUNDFORMEN Uniport (Transport nur EINES Soluts) Symport (gleichsinnig gekoppelter Transport) Antiport (gegensinnig gekoppelter Transport) Beim gekoppelten Transport eines Ions wird in einem passiven Transporter die Energie genutzt, die im elektrochemischen Gradienten dieses Ions gespeichert ist. Dadurch wird der (Co - )Transport eines zweiten Soluts angetrieben. Das Prinzip findet sowohl in Symportern als auch in Antiportern Anwendung. Figure 12-16 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  GEKOPPELTE TRANSPORTER können gleichgerichtet (Symporter) oder gegengerichtet (Antiporter) arbeiten und werden in beiden Fällen als CO – TRANSPORTER bezeichnet  In tierischen Zellen ist Natrium (daneben auch H+ ) das vorrangige Ion für Co – Transporte. Sein elektrochemischer Gradient bildet eine starke Antriebskraft für den Co - Transport eines zweiten Soluts. AKTIVER TRANSPORT BERGAUF - PUMPEN Aktive Transporter die gegen einen elektrochemischen Gradienten aktiv „bergauf“ transportieren, heißen auch Pumpen. Der Vorgang = aktiver Transport mittels Pumpe ist gebunden an eine Energiequelle (zumeist ATP)  Bis zu 2/3 der gesamten Stoffwechselenergie spezialisierter Säugerzellen werden für Membrantransportprozesse gebraucht.  EIN Transportprotein transportiert EINE Klasse von Molekülen und davon oft nur eine bestimmte Art von Molekülen. Die bisher bekannten Membran - Transportproteine sind Mehrpfad-Transmembran - Proteine. Figure 12-8 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  Beim gekoppelten Transport in einem passiven Transporter dient der elektrochemische Gradient EINES Ions als Antrieb für den Co - Transport eines zweiten Soluts (auch gegen dessen elektrochemischen Gradienten, also bergauf). Beim gekoppelten Transport in einem aktiven Transporter können beide Solute gegen deren jeweiligen elektrochemischen Gradienten transportiert werden. Figure 12-9 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  Kompetitive Hemmung eines Transporters Ist die Konkurrenz von Inhibitor und Solut um dieselbe Bindungsstelle. Figure 3-28a Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  Nicht-kompetitive (= allosterische) Hemmung eines Transporters Der Inhibitor bindet an einer ANDEREN als der Solut-Bindungsstelle und verändert dadurch die Struktur des Transporters.  UNKOMPETITIV Der unkompetitive Inhibitor bindet erst an das Enzym, wenn der Enzym – Substrat – Komplex gebildet wurde. Dabei wird die Form des aktiven Zentrums verändert und das Substrat quasi „ausgehebelt“. Ionengradienten über Membranen im Dienst der Energiebereitstellung: Sie ermöglichen die ATP Synthese zum Antrieb des Stofftransports über die Membran (Beispiel: Das Enzym ATP – Synthase). Ermöglicht den Wechsel von Gradientenantrieb zu Antrieb über einen „Motor“ (z.B. ATP) mit Umkehr der Arbeitsrichtung.  ELEKTROCHEMISCHE GRADIENTEN ZUR ENERGIEGEWINNUNG Passage Bergab entlang eines günstigen elektrochemischen Gradienten unter Energiegewinnung, z.B. ATP - Synthese (links und Mitte) und Bergauf - Transport unter Energie(z.B. ATP) - Verbrauch zur Wiederherstellung des Gradienten (rechts) NA+ (daneben auch H+) ALS GRUNDANTRIEB VIELER MEMBRANFUNKTIONEN ATP – SYNTHASE (Bautyp F – Pumpe) – UMKEHRBARE FUNKTIONSRICHTUNG (Am Beispiel einer mitochondrialen ATP – Synthase die mit H+ anstatt mit Na+ arbeitet) Bei hoher H+ Konzentration extrazellulär (= großer Gradient) => H+ - Einstrom unter ATP – Produktion. (Beachte: in der Abbildung ist der extrazelluläre Raum unten!)  ATP – SYNTHASE – UMKEHRBARE FUNKTIONSRICHTUNG Die Wiederherstellung des Gradienten (rechts) erfolgt unter ATP – Verbrauch. Umkehr der Wirkungsrichtung der Na + / K + - ATPase durch überwertige elektrochemische Gradienten Werden die Natrium und Kaliumgradienten so erhöht, dass die darin gespeicherte Energie größer wird als die durch ATP freigesetzte chemische Energie, so bewegen sich Natrium und Kalium ihren Gradienten entsprechend und ATP wird durch die Natrium/Kalium -ATPase aus ADP+Phosphat synthetisiert Figure 12-9 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Ob die Gesamtänderung der freien Energie zur ATP Synthese oder zum Bergauf - Transport verwendet wird, ist folglich abhängig von der Konzentration von: ATP ADP Phosphat sowie von den elektrochemischen Gradienten von Natrium Kalium  Die Natrium/Kalium ATPase bewegt unter ATP- Verbrauch jeweils 3 positive Ladungen (Na +) nach außen, im Gegentausch zu 2 positiven Ladungen (K +) nach innen. Sie treibt damit einen Nettostrom über die Membran und baut so ein elektrisches Potential auf: Außen positiv gegenüber relativ negativ innen (3:2 positive Ladungen). Figure 12-9 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Weitere Funktion der Natrium/Kalium ATPase ist die Regulation der Osmolarität im Zystosol. Figure 12-19a,b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Der Natriumgradient als „Schlepper“ für Zucker und Aminosäuren Natrium zieht entlang seines Gradienten Zucker und Aminosäuren in die Zelle. Je größer der Gradient, umso schneller die Solutaufnahme. Bei Abnahme von Natrium in der extrazellulären Flüssigkeit wird der Natrium – Gradient kleiner und die Solut – Einwärts - Bewegung langsamer. In vielen membranumschlossenen Organellen tierischer Zellen werden aktive Transportsysteme von Wasserstoff anstatt von Natrium angetrieben (z.B. ATP – Synthase der Mitochondrien). Figure 12-18 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Zellfunktionen benötigen pH-Stabilität  Die meisten Proteine (somit auch Transporter) arbeiten nur in einem engen PH-Bereich optimal. Daher ist eine exakte pH-Wert-Kontrolle nötig. Diese erfolgt meist über Natrium - getriebene Antiporter in der Plasmamembran, um den zytosolischen pH bei 7,2 zu halten. DREI KLASSEN VON ATP– GETRIEBENEN PUMPEN  P-Typ-Pumpe Phosphoryliert sich während des Pumpvorganges selbst > Viele Ionenpumpen die zur Aufrechterhaltung von Natrium-, Kalium-, Wasserstoff- und Kalzium- Gradienten dienen sind P-Typ-Pumpen. Figure 11-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 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. Figure 12-19a,b Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  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 (Beispiel: ATP – Synthase). Figure 11-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Ionengradienten über Membranen sind 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 ABC-Transporter 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. Figure 11-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)