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Membrantransport von kleinen Molekülen und die elektrischen Eigenschaften der Membran



Allgemeines

Die Zellmembran stellt eine Barriere für die meisten polaren Moleküle dar. Sie erlaubt der Zelle Lösungskonzentrationen zu unterhalten, die rschieden sind von der extrazellulären Flüssigkeit und jedem intrazellulären Kompartments. Die Membran enthält spezialisierte Proteine, wovon jedes für den Transport eines spezifischen Ions oder Moleküls rantwortlich ist. Es gibt zwei Haupttypen von Transportproteinen: Carreir proteine und channel proteine.

In dem eine Ionenkonzentrationsdifferenz generiert wird über die Membran, kann potentielle Energie in Form eines elektrochemischen Gradients gespeichert werden.



Prinzipien des Membrantransportes

Durchlässigkeit der Doppelmembranschicht

Hydrophobe Moleküle (O2, N2, CO2): passieren ungehindert
Kleine ungeladene, polare Moleküle (H2O, Urea): passieren nur selten und langsam



Grosse ungeladene, polare Moleküle (Glucose): passieren fast nicht
Ionen: Passage ist ausgeschlossen
Ursache: das hydrophobe Innere der Lipiddoppelschicht

Ionophoren (=kleine hydrophobe Moledüle) können sich in Lipidschicht lösen und diese für spezifische Ionen durchlässige machen. Es gibt 2 Klassen:

Mobile Ionen Carrier und Channel former. Für Ionophoren ist nur der passi Transport möglich.



Transportproteine

Alle Membranproteine sind multipass transmembranproteine, die es hydrophilen Molekülen erlauben, ohne mit dem hydrophoben Inneren der Lipiddoppelschicht in Kontakt zu kommen, die Membran zu passieren.



Passir Transport: (erleichterte Diffusion) Elektrochemischer Gradient ist die treibende Kraft, beinhaltet Channels, Carriers und einfache Diffusion
Aktir Transport: beinhaltet nur Carrier (=Pumpen), treibende Kraft ist ATP-Hydrolyse (primärer aktir Transport) oder ein Ionengradient (sekundärer aktir Transport, ist nur möglich bei gekoppeltem Transport)




Carrierproteine und aktrr Membrantransport

Carriers reagieren oft wie Enzyme:

Spezifische Bindungsstelle für ihren Soluten
Transport ist maximal bei gesättigtem Carrier (Vmax)
Charakteristische Bindungskonstanze Km, vgl. Michealis-Menten-Grafik
Blockierung durch competiti und noncompetiti Inhibitoren möglich


3 Arten des aktin Transportes:

Gekoppelte Carrier: Symporter und Antiporter
ATP-angetriebene Pumpen
Licht-angetriebene Pumpen (hauptsächlich in Bakterienzellen


Verschieden Beispiele

Na -angetriebene Antiporter helfen den cytosolischen pH (pHi) zu regulieren und bei ca. 7.2 zu halten. Diese Proteine benutzen die gespeicherte Energie des Na -Gradients um überschüssige Protonen aus der Zelle zu pumpen, oder HCO3- wird in die Zelle gebracht um H zu neutralisieren
H -Pumpen unterhalten den tiefen pH in Lysosomen und Endosomen
Asymmetrische Verteilung von Carreirproteinen in Epithelzellen unterliegt dem transzellulärem Transport. Na -gebundene Symporter befinden sich im apical (absorptir) Bereich, die Nährstoffe aktiv in die Zelle transportieren und Na -unabhängege Proteine im balolateralen Bereich, durch die die Nährstoffe passiv aus der Zelle hinausgebracht werden
Proteinfamilien

· ATPasen: -P-typ ATPasen: Ionenpumpen, die sich selber phosphorylieren. Struktur:

10 tansmembran α Helices, von denen 3 einen zentralen Kanal bilden, der

durch die ganze Lipiddoppelschicht führt

-F-typ ATPasen: ATP Synthasen! H -Gradient treibt die Synthese von ATP an

Struktur: turbinen-ähnlich, bestehend aus multiple rschiedenen

Untereinheiten

-V-typ ATPasen: pumpen Protonen in bestimmte Organellen und azidftieren so

deren Inneres, strukturell rwandt mit F-typ ATPase

· ABC Transporter: benutzen ATP-Bindung und -Hydrolyse um Moleküle über die Membran zu transportieren. Struktur: 2 ATP-Bindungskassetten, ATP-Bindung führt zur Dimerisation der beiden ATP-Bindungsdomänen, ATP-Hydrolyse führt zur Dissoziation





Verschiedene Beispiele:

· Na -K -Pumpe: Antiporter. Hydrolyliert ATP um Na aus der Zelle raus und K hinein zu pumpen. Durch die ATP-Hydrolyse wird des Protein phosphoryliert (Na -bindender Schritt) Wenn K von aussen gebunden wird, wird die Phosphatgruppe wieder abgespalten. → Autophosphorylation . → P-typ ATPase

→ pro 3 Na die hinaus gepumpt werden, kommen 2 K in die Zelle hinein. So wird ein elektrisches Potential kreiert.

→ Diese Pumpe spielt grosse Rolle in der Regulierung der Osmolarität

· Ca2 -Pumpe: P-typ ATPase: in Membran des sarcoplasmatischen Reticulums der Skelettmuskeln, pumpt Ca2 vom Cytoplasma zurück ins SR

· Membrangebundene Enzyme, die ATP synthetisieren. Vorkommen v.a. in Plasmamembran von Bakterien, in innerer Mitochonkrienmembran und Tylakoidmembran der Pflanzen

· Bakterien: Carrierproteiene, die Protonengradient über Membran benutzen um Nährstoffe in die Zelle zu transportieren.

→ ABC-Transporter erledigen Import und Export von Molekülen

· Eukaryoten: ABC-Transporter hauptsächlich zum Export benutzt

Beispiel: MDR protein (multidrug resistance protein) → 40% der menschlichen Krebszellen entwicklen multidrug resistance



Ionenkanäle und die elektrischen Eigenschaften von Membranen

Über Ionenkanäle findet nur passir Transport statt, da sie mit keiner Energiequelle gekoppelt werden können.

Spezielle kanalproteine bilden hydrohile Poren, dazu gehören auch die gap junctions zwischen zwei benachbarten Zellen.

Der Transport über Kanäle ist ca 105mal schneller als der über Carrierproteine.



Ionenkanäle

Eigenschaften:

· Ionenselektivität

· Sehr enge Poren, engste Stelle = Selektivitätsfilter. Dadurch rlieren die Ionen ihren H2O-Mantel der sie normalerweise umgibt.

· Kanäle sind nicht permanent offen, sondern sie sind "gated": voltage-gated, mechanically gated, ligand-geated, transmitter-gated, ion-geted, nucleotid-gated ..

→ K -Kanäle sind die häusten und fast in allen tierischen Plasmamembranen zu finden. Manche sind auch geöffnet ohne dass sie vorher stimuliert werden, diese werden auch als K leak channels bezeichnet



Membranpotential in tierischen Zellen

Passi Ionenbewegungen tragen am meisten zur Verteilung des elektrischen Potentials über die Plasmamembran bei. Dabei spielen v.a. K -Kanäle und K leak channels eine Rolle.

Gleichgewicht: K wird durch einen Überschuss an negatir Ladung im innern der Zelle in die Zelle kiffundieren und die Tendenz durch die leak channels hinauszudiffundieren ausbalancieren. Die Gleichgewichtsbedingung definiert ein Ruhepotential (zw. -20mV und -200mV) für jede Zelle.

→ Je durchlässiger eine Membran für ein Ion wird umso mehr tendiert die Konzentration für dieses Ion zum Gleichgewicht → Anderungen in der Durchlässigkeit einer Membran rursacht Veränderungen im Membranpotential.







Struktur ↔ Funktion von K -Kanälen

Obwohl Na kleiner als K ist diffundiert es viel langsamer durch K leak channels.

Ursache liegt in Struktur:

Kanal besteht aus 4 Untereinheiten, die den Kanal bilden
Negativ geladene AS am cytosolischen Eingang → Kationen-Selektivität
Je 2 Transmembranhelices werden von einer kurzen α Helix zusammengehalten (Porenhelix) = essentieller loop, der den selektin Filter bildet
Beim Passieren des Kanals muss das Ion seinen Mantel von 4 H2O abstreifen → Energierlust. Hat das Ion aber, wie hier K , die richtige Grösse, werden die 4 H2O durch vier Carbonylgruppen im selektin Filter ersetzt


Funktion von Nernzellen

→ extrem in die Länge gezogen

Form des Signals: Anderung des elektrischen Potentials über die Plasmamembran des Neurons. Für Weitstreckentransport reicht der passi Transport nicht.

→ Aktionspotential = Nernimpuls: Geschwindigkeit höher als 100m/s

→ Myelinschicht, nur unterbrochen von den Ranvier-Knoten, erhöht die Signalübermittlungsgeschwindigkeit. (Saltatory conduction).

Das Myelin wird von den glial cells hergestellt und der Axon wird von den Schwannzellen mit Myelin umhüllt.



Die einzelnen Typen

Volgage-gated channels (Na - und K -Kanäle)

Generieren Aktionspotential, welches ausgelöst wird durch eine Depolarisation der Plasmamembran (Das Potential wird weniger negativ)
Dadurch werden voltage-gated Na -Kanäle geöffnet, dadurch steigt die Spannung von ursprünglich -70 mV auf ca 50mV, was das Inaktivieren der Na -Kanäle und das Öffnen der K -Kanäle bewirkt → Inaktivierung: N-Terminus des Kanals kann die cytoplasmatische Eingangsseite des Kanals rschliessen
Im Innern eines ruhenden Neurons herrscht ein elektrisches Potential, das ca 50-l00 mV negatir ist als aussen, dies generiert einen Spannungsgradienten von ca 100'000V/cm
Struktur: voltage-gated Kationenkanäle sind evolutionär rwandt.



Transmitter-gated Ionenkanäle

Kommen bei Synapsen vor
Wandeln chemische Signale in elektrische um, so bleiben die rschiedenen Neuronen elektrisch isoliert voneinander → Signalübermittlung wird so viel anpassungsfähiger und wandelbarer
Neurotransmitter werden von presynaptischer Zelle in die synaptische Spalte ausgeschüttet, wo sie an transmitter-gated Kanäle der postsynaptischen Zelle binden und diese so öffnen
Reizende Neurotransmitter öffnen Ionenkanäle und rursachen Na -Strom in postsynaptische Zelle → Aktionspotential
Hemmende Neurotransmitter öffnen Cl - oder K -Kanäle und erschweren es so den reizenden Einflüssen ein Aktionspotential auszulösen
Acetylcholin (reizt oder hemmt), glutamat (reizt), Serotonin (reizt), GABA (hemmt), Glycin (hemmt)
Psychoakti Drogen die an transmitter-gated Kanäle binden: Barbiturate und Tranquilizers binden an GABA-Rezeptoren,




Organisation des Nernsystems

Ein Neuron kann Inputs von tausenden von anderen Neuronen erhalten.

Reizendes PSP: Depolarisation der postsynaptischen Zelle ausgelöst durch die Neurotransmitter von reizauslösenden Synapsen
Hemmendes PSP: Hyperpolarisation ausgelöst durch die Neurotransmitter von hemmenden Synapsen
Kombiniertes PSP: räumliche Summation aller Stimuli. Wenn hemmender Input überwiegt → Hyperpolarisation










Neuronale Berechnungen

→ Je stärker die Stimulation, desto höher die Frequenz von Aktionspotentialen

Axon hillock: einzigartige Region in jedem Neuron, wo voltage-gated Na -Kanäle zahlreich sind und wo wenigstens noch 4 weitere Klassen von Ionenkanälen vorkommen. 3 selektiv für K (der rspätete, der frühe und der Ca2 -aktivierte) und 1 für Ca2 .

Verspätete K -Kanäle: öffnen sich erst während Phase, während der das Aktionspotential wieder fällt (Na -Kanäle sind inaktiviert) → Efflux von K bringt Membran in Richtung K Gleichgewicht, welches so negativ ist, dass die Na -Kanäle von ihrem inaktivierten Status erhohlen
Frühe K -Kanäle: spezifische Spannungssensibilität! Reduzieren die Auslösungsraten eines Aktionspotentials wenn sich die Stimulation nicht weit über dem Thresholdpotential befindet → die Auslösungsrate wird proportional zur Stärke des Depolarisationsstimulus
Ca2 -aktivierte K -Kanäle: strukturell und funktionell rschieden zu allen beshar besprochenen. Öffnen sich als Antwort auf eine erhöhte Ca2 -Konzentration auf der cytosolischen Seite der Membran → K -Ausschüttung bewirkt, dass die Membran schwerer zu depolarisieren wird → Abstand zwischen zwei Aktionspotentialen wird erhöht
Solche Anpassungen bewirken zum Beispiel, dass wird den permanenten Druck der Kleidung ignorieren oder nur eine leichte Berührung wahrnehmen.





Lernen und Gedächtnis

→ Langzeit-Anderungen in spezifischen Synapsen (im Hippocampus = Gehirnregion)

Ein kurzer Ausbruch von wiederholten Auslösern rursachen long-term potentiation (LTP)

Der Effekt kann Stunden, Tage oder Wochen dauern.

→ LTP tritt immer dann auf, wenn eine presynaptische Zelle auslöst (bezieht sich auf das Wort "firing") während die postsynaptische Zelle stark depolarisier ist.

Arten der Kanäle:

Glutamat-gated channels sind am häusten.
NMDA-Rezeptoren: (N-methyl-D-aspartat-Rezeptoren) sind doppelt gated, d.h. zwei Bedingungen müssen erfüllt sein, dass sie sich öffnen: Glutamat muss gebunden sein an den Rezeptor und die Membran muss stark depolarisiert sein. (Normalerweise blockiert Mg2 den Kanal, starke Depolarisation entfernt das Mg2 ). Damit dies erfüllt werden kann müssen die Glutamat-Kanäle auch offen sein um die nötige Depolarisation zu rursachen.
→ NMDA-gated Kanäle sind durchlässig für Ca2 welche eine Kaskade an Anderungen hervorrufen, welche rantwortlich sind für das LTP








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