Biomembranen — Transportmechanismen

Biomembranen — Transportmechanismen

Barrierewirkung der Membran:

• freie Diffusion von Stoffen wird unterbunden durch Lipidbilayer

• selektiver Stofftransport über spezielle Membranproteine = Translokatoren

⇒ Semipermeabilität oder selektive Permeabilität

Permeabilität von Molekülen durch eine künstliche Lipiddoppelschicht

Membranpassage:

• freie Diffusion von Stoffen, folgt Konzentrationsgefälle, OHNE Trägerprotein

• erleichterter Transport, folgt Konzentrationsgefälle, braucht Protein als Transporteur, OHNE Energie

• aktiver Transport, geht GEGEN Konzentrationsgefälle, braucht Protein UND Energie

Biomembranen — Transportmechanismen

Biomembranen — Transport-

mechanismen

spezifischer Transport:

• schneller als freie Diffusion

• substratspezifisch

• ist spezifisch hemmbar 2 Formen:

• passiver Transport (katalysierte Diffusion), geht bis zur Sättigung

• aktiver Transport (nur in eine Richtung, braucht Energie), auch gegen

Konzentrationsgefälle

über Kanal- oder Carrierprotein:

• Kanalprotein = wassergefüllte Membranpore, durchgängiger Kanal

• Carrierprotein kann 2 versch.

Konformationen annehmen, KEIN kontinuierlicher Kanal

Uniport:

Transport nur in eine Richtung

Cotransport:

Transport nutzt

elektrochemisches Potential;

Unterscheidung zwischen Symport und Antiport

Biomembranen — Transport-

mechanismen

Beispiele:

Erleichterter Transport:

• Bindung von Acetylcholin öffnet Na⁺-Ionenkanal –> Nervenimpuls

• Glucosetransporter in Erythrozytenplasmamembran

Aktiver Transport:

— Direkter aktiver Transport (ATP wird vom Transporter hydrolysiert)

• Na⁺/K⁺-ATPase, zur Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten ^{(3 Na+ raus, 2 K+ rein)}

• H⁺/K⁺-ATPase, zur Generierung der Magensäure

• Ca²⁺-ATPase, in Skelettmuskelzellen zur Speicherung von Calcium im sarkoplasmatischen Reticulum

• ABC-Transporter, transportieren z.B. aktiv Chemotherapeutika aus der Zielzelle heraus

— Indirekter aktiver Transport (ATP wurde vorher verbraucht, z.B. für Konzentrationsgradient)

• Symport: Na⁺/Glucose-Transporter —> Glucose und Na⁺ werden gleichzeitig in die gleiche Richtung transportiert

• Antiport: Ca²⁺ wird gegen Na⁺ transportiert

Biomembranen — Physikalische Eigenschaften: Semipermeabilität,

Membranpotential

Barrierewirkung der Membran:

• freie Diffusion von Stoffen wird unterbunden durch Lipidbilayer

• selektiver Stofftransport über spezielle Membranproteine = Translokatoren

⇒ Semipermeabilität oder selektive Permeabilität

⇒ Ungleichverteilung der Ionen Na

, K

, Ca

und Cl

⇒ Differenz im elektrischen Potential zwischen Innen- und

Außenseite (ca. 70 mV, innen negativer als außen)

Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranproteine

Energieverbrauchende

Transportsysteme, ATPasen, Permeasen

Unterscheidung zwischen peripheren und integralen Proteinen:

• integral: auch amphipathisch mit hydrophilem und

hydrophobem Anteil =>

entweder über α-Helices oder β-Faltblätter durch Lipid-Teil

• peripher: über Lipidanker in Membran fixiert

wichtige Vermittler zwischen innen und außen

Biomembranen — Chemie und Aufbau

der Membranproteine

Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranproteine

Porine in äußerer Membran gramnegativer Bakterien:

β-Faltblätter fassen hydrophilen Kanal ein

α-Helices mit lipophilen Aminosäureresten zur Lipidschicht gewandt, hydrophiles Säureamid- Rückgrat nach innen

Biomembranen — Membranproteine

periphere Proteine:

• über Lipidanker wie Myristat-, Farnesyl- oder

Geranylphosphatidyl-Rest in Membran fixiert

Biomembranen — Unterschiedliche Zusammensetzungen

Membrantyp Massenanteil [%] Massenanteil [%] Massenanteil [%]

Membrantyp

Protein Lipid Kohlenhydrat

Myelin 18 79 3

Plasmamembran:

menschl. Erythrozyten

49 43 8

Leberzelle der Maus

44 52 4

Amöbe

54 42 4

Chloroplastenlamelle 70 30 0

Halobakterium 75 25 0

innere

Mitochondr.membran 76 24 0

Biomembranen — Physikalische Eigenschaften:

Membranpotential

Signalfunktion (elektr.

Erregungsweiterleitung):

• durch Reiz ändert sich die

Durchlässigkeit best. Ionenkanäle

• das Membranpotential ändert sich = Depolarisation

• zur Regeneration muss Strom in andere Richtung fließen =

Repolarisation

• Änderung des Membranpot. wird als Information weiter gegeben

Ruhepotential Aktionspotential

Außen: wesentlich mehr Na⁺ Innen: wesentlich mehr K⁺

Biomembranen — Physikalische Eigenschaften: Membranpotential

saltatorische Erregungsweiterleitung:

• an markhaltigen Nervenfasern findet Depolarisation nur an den Ranvier- schen Schnürringen statt

=> höhere Leitungsgeschwindigkeit als bei marklosen Nervenfasern Schwannzelle

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Unterscheidung in „first“

und „second messenger“:

• von außen ankommende Signalmoleküle sind first messenger

• können sehr unterschiedlich sein: z.B. Prostaglandine,

Histamin, Acetylcholin, u.a.

Liganden, Proteine wie

Hormone, Wachstumsfaktoren, versch. Ionen

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Unterscheidung in „first“ und „second messenger“:

• intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger

• sind wesentlich weniger: Ca²⁺-Konz., cAMP, Inositoltrisphosphat (IP₃), Diacylglycerin (DG), etc.

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Unterscheidung in „first“ und „second messenger“:

• intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger

• sind wesentlich weniger: Ca²⁺-Konz., cAMP, Inositoltrisphosphat (IP₃), Diacylglycerin (DG), etc.

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Unterscheidung in „first“ und „second messenger“:

• intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger

• sind wesentlich weniger: Ca²⁺-Konz., cAMP, Inositoltrisphosphat (IP₃), Diacylglycerin (DG), etc.

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Unterscheidung in „first“ und „second messenger“:

• intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger

• sind wesentlich weniger: Ca²⁺-Konz., cAMP, Inositoltrisphosphat (IP₃), Diacylglycerin (DG), etc.

GDP+P

Biomembranen —

Signaltransduktionswege in Säugerzellen

Prinzip:

• first messenger bringt Signal an Membranprotein => führt zu Effekt in der Membran

• second messenger wird intrazellulär angeschaltet und aktiviert eine Signaltransduktionskaskade, in der meist mehrere Proteinkinasen

unterschiedliche Substrate phosphorylieren und schließlich den zellulären Effekt hervorrufen

⇒ insgesamt kommt es zu einer Verstärkung des Signals

⇒ das Signal muss auch wieder abgeschaltet werden können, ansonsten kommt es z.B. zur „Entartung“ der Zelle und zur Entstehung einer

Tumorzelle

⇒ Signaltransduktionswege steuern Wachstum, Differenzierung, Teilung und Zelltod