Membranproteine PDF

9/23/24 (A) (B) (C) Elektronenmikroskopische (A) und schematische (B, C) Darstellungen einer Plasmamembran. Gut zu erkennen ist die Lipiddoppelschicht (blau), mit der verschiedene Proteine (braun & grün in C) assoziiert sind. Nach d...

9/23/24 (A) (B) (C) Elektronenmikroskopische (A) und schematische (B, C) Darstellungen einer Plasmamembran. Gut zu erkennen ist die Lipiddoppelschicht (blau), mit der verschiedene Proteine (braun & grün in C) assoziiert sind. Nach dem gleichen Grundschema sind alle zellulären Membranen aufgebaut. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 (A) (B) Die meisten Phospholipide bestehen aus Glycerin (orange in A), zwei kovalent damit verbundenen Fettsäureresten (jeweils aus 14 - 24 C-Atomen, schwarz in A, hellblau in B), einem ebenfalls mit dem Glycerin verbundenen Phosphatrest (grün in A) sowie einem weiteren hydrophilen Rest (blau in A). Die blaue Kugel (B) symbolisiert allgemein den hydrophilen Anteil eines Lipids. Wenn, wie in diesem Beispiel, Cholin an die Phosphatgruppe gebunden ist, dann handelt es sich bei dem Phospholipid um Phosphatidylcholin (besser bekannt als Lecithin). Die Fettsäurereste bilden den unpolaren (hydrophoben), Phosphat und Cholin den polaren (hydrophilen) Anteil des Lecithins. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2015 1  9/23/24 (A) (C) (D) (B) Auch Glycolipide enthalten als unpolaren Anteil jeweils zwei lange Kohlenwasserstoffketten (hellblau A, schwarz B - D). Diese sind bei tierischen Zellen jedoch nicht an Glycerin gebunden. Das Rückgrat der Glycolipide wird stattdessen von Sphingosin gebildet, das sich von der Verbindung einer Fettsäure mit der Aminosäure Serin ableitet. Der polare Kopf besteht aus einem oder mehreren Zuckern (grau in A, blau, rot in B - D). Glycolipide vom Typ der Cerebroside (B, C) besitzen nur einen Zuckerrest (meist Glucose oder Galactose). Glycolipide vom Typ der Ganglioside (D) tragen mehrere Zuckerreste, von denen mindestens einer ein Sialinsäurerest (NANA in D) ist. Daher sind alle Ganglioside negativ geladen. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2015 (A) (B) Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Lipiddoppelschichten eukaryotischer Zellen ist Cholesterin. Der hydrophobe Anteil dieses Lipids wird von einem Sterangerüst (rosa Mittelteil in B) und einer kurzen Kohlenwasserstoffkette (hellrosa Ende in B) gebildet. Als hydrophiler Kopf fungiert eine einzelne OH-Gruppe (rote Kugel in B). Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 2  9/23/24 Schematische Darstellung der Einlagerung von Cholesterin in eine Membran. Durch die Unbeweglichkeit des Sterangerüsts des Cholesterins wird die Membran in diesem Bereich versteift und dadurch auch undurch- lässiger. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 (1) (2) (3) (4) (5) (6) Membranproteine können auf ganz unterschiedliche Art und Weise mit der Lipiddoppelschicht assoziiert sein. Integrale Membranproteine durchziehen die Membran einmal oder mehrfach (transmembrane Proteine, 1 - 3) oder sie sind nur in eine Lage der Lipiddoppelschicht eingebettet (selten, 4). Periphere Membranproteine werden dagegen typischerweise über ihre Assoziation mit integralen Membranproteinen an die Membran gebunden (5, 6). Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 3  9/23/24 Die transmembranen Anteile integraler Membranproteine bestehen meist aus jeweils 20 - 30 unpolaren Aminosäuren, die in Form einer alpha-Helix angeordnet sind. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 Ein klassisches Experiment, das die Beweglichkeit von Proteinen in der Ebene der Plasmamembran demonstriert. Mäusezellen und menschliche Zellen werden zu sogenannten Heterokaryen fusioniert. Es folgt die Markierung spezifischer Plasmamembranproteine der Mäusezellen (grün) und der humanen Zellen (rot) mit Hilfe von fluoreszenzmarkierten Antikörpern. Werden die Heterokaryen bei 0 Grad gehalten, dann bleiben die Anteile der Mäusezellen und die Anteile der menschlichen Zellen voneinander getrennt. Werden die Heterokaryen dagegen auf 37 Grad erwärmt, dann kommt es aufgrund der Beweglichkeit der Membran- proteine innerhalb von 40 Minuten zu einer vollständigen Durchmischung der Plasmamembranbestandteile von Mäusezellen und menschlichen Zellen. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 4  9/23/24 (A) Die Beweglichkeit von Proteinen in der Ebene der Plasmamembran kann durch verschiedene Mechanismen eingeschränkt werden. Dies ist gut erkennbar am Beispiel von Spermienzellen des Meerschweinchens. Obwohl das gesamte Spermium von einer durchgehenden Plasmamembran umgeben ist, finden sich einzelne Proteine ausschließlich im Bereich des Kopfes (B, C bzw. rote und blaue Marker in A) oder im Bereich des Schwanzes (D bzw. grüne Marker in A). Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie eine Zelle die Beweglichkeit bestimmter Proteine ihrer Plasmamembran einschränken kann. A, B und C sind unterschiedliche Mechanismen, die man bei eukaryotischen Zellen findet. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 5  9/23/24 Nur kleine, ungeladene Moleküle können problemlos durch eine Lipiddoppelschicht hindurch diffundieren. Vor allem Ionen (positiv oder negativ geladen) sind nicht in der Lage, den hydrophoben Anteil von Membranen zu durchdringen. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 passiver Transport aktiver Transport Konzentrations- gradient Ene rgie Kanal-Protein Carrier-Proteine zufu hr Vergleich von Diffusion, passivem Transport und aktivem Transport. Kleine, ungeladene Moleküle können entlang eines Konzentrationsgradienten direkt durch Membranen hindurch diffundieren (Diffusion, nicht dargestellt). Größere Moleküle oder Ionen können Membranen nur mit Hilfe von Kanal- oder Carrier- Proteinen durchdringen. Erfolgt dies entlang des Konzentrationsgradienten, ohne Energieaufwand, dann spricht man von passivem Transport (Synonym: erleichterte Diffusion). Werden Substanzen dagegen von Carrier-Proteinen unter Energiezufuhr gegen einen Konzentrations-Gradienten transportiert, dann nennt man dies aktiven Transport. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 6  9/23/24 Außenseite Konzentrations- gradient Innenseite Carrier-Protein Aktuelles Modell für die Funktionsweise von Carrier-Proteinen. Anders als man früher dachte, bewegt sich ein Carrier-Protein nicht als Ganzes durch die Membran hindurch. Stattdessen wechselt seine Konformation zwischen verschiedenen Stadien. Auf diese Weise sind seine Bindungsstellen abwechselnd auf der Innen- und der Außenseite der Membran zugänglich. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 Vereinfachte Darstellung der Arbeitsweise der Na+/K+-ATPase (Na+/K+-Pumpe). Dieses gut untersuchte Carrier-Protein findet sich in der Plasmamembran aller tierischen Zellen. Es ist für den Aufbau und die Erhaltung der Na+- und K+-Gradienten sowie für die Osmoregulation zuständig. Für ihre Aktivität benötigt die Na+/K+-ATPase ca. ein Drittel des von der Zelle produzierten ATPs. In einem Arbeitszyklus werden - angetrieben durch die Spaltung eines ATP-Moleküls zu ADP und Pi - 3 Na+-Ionen nach außen transportiert und 2 K+-Ionen nach innen. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 7  9/23/24 SGLT-1 Carrier Protein Na+/K+-ATPase GLUT2 (Glucosetransporter) Hier sieht man Beispiele für primär und sekundär aktiven Transport an ein und demselben Zelltyp. Darm- epithelzellen (Enterozyten) tragen auf der basolateralen Seite (im Bild unten) Na+/K+-ATPase in der Plasma- membran. Dieses Carrier-Protein transportiert Na+-Ionen aus der Zelle heraus und K+-Ionen in die Zelle hinein. Da hierbei direkt ATP verbraucht wird, nennt man das primär aktiven Transport. In der apikalen Oberfläche der Zellen (im Bild oben) findet man SGLT-1, ein Carrier Protein, das Glucose und Na+-Ionen gemeinsam in die Zelle hinein transportiert. Glucose (die grünen Sechsecke) wird hierbei gegen den Konzentrationsgradienten bewegt. Als Antrieb für diesen Transportprozess dient der durch die Na+/K+-ATPase aufgebaute Na+-Gradient. Da hierbei ATP nicht direkt, sondern nur indirekt (beim Aufbau des Na+-Gradienten) verbraucht wird, nennt man das sekundär aktiven Transport. Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) & © E. Heil art for biomed 2011 8