Biomembranen Transportmechanismen

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1 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

2 Transportmechanismen 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

3 Transportmechanismen

4 Transportmechanismen über Kanal- oder Carrierprotein: Kanalprotein = wassergefüllte Membranpore, durchgängiger Kanal Carrierprotein kann 2 versch. Konformationen annehmen, KEIN kontinuierlicher Kanal spezifischer Transport: schneller als freie Diffusion substratspezifisch ist spezifisch hemmbar 2 Formen: passiver Transport (katalysierte Diffusion), geht bis zur Sättigung Cotransport: aktiver Transport (nur in eine Transport Richtung, nutzt braucht Energie), auch gegen elektrochemisches Potential; Konzentrationsgefälle Unterscheidung zwischen Symport und Antiport Uniport: Transport nur in eine Richtung

5 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 Ca 2+ -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: Ca 2+ wird gegen Na + transportiert

6 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 2+ und Cl Differenz im elektrischen Potential zwischen Innen- und Außenseite (ca. 70 mv, innen negativer als außen)

7 Chemie und Aufbau der Membranproteine 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 Energieverbrauchende Transportsysteme, ATPasen, Permeasen

8 Biomembranen Chemie und Aufbau der Membranproteine

9 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

10 Membranproteine periphere Proteine: über Lipidanker wie Myristat-, Farnesyl- oder Geranylphosphatidyl-Rest in Membran fixiert

11 Unterschiedliche Zusammensetzungen Membrantyp Massenanteil [%] Protein Lipid Kohlenhydrat Myelin Plasmamembran: menschl. Erythrozyten Leberzelle der Maus Amöbe Chloroplastenlamelle Halobakterium innere Mitochondr.membran

12 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 Aktionspotential Ruhepotential Änderung des Membranpot. wird als Information weiter gegeben Außen: wesentlich mehr Na + Innen: wesentlich mehr K +

13 Biomembranen Physikalische Eigenschaften: Membranpotential Schwannzelle saltatorische Erregungsweiterleitung: an markhaltigen Nervenfasern findet Depolarisation nur an den Ranvierschen Schnürringen statt => höhere Leitungsgeschwindigkeit als bei marklosen Nervenfasern

14 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

15 Signaltransduktionswege in Säugerzellen

16 Signaltransduktionswege in Säugerzellen Unterscheidung in first und second messenger : intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger sind wesentlich weniger: Ca 2+ -Konz., camp, Inositoltrisphosphat (IP 3 ), Diacylglycerin (DG), etc.

17 Signaltransduktionswege in Säugerzellen Unterscheidung in first und second messenger : intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger sind wesentlich weniger: Ca 2+ -Konz., camp, Inositoltrisphosphat (IP 3 ), Diacylglycerin (DG), etc.

18 Signaltransduktionswege in Säugerzellen Unterscheidung in first und second messenger : intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger sind wesentlich weniger: Ca 2+ -Konz., camp, Inositoltrisphosphat (IP 3 ), Diacylglycerin (DG), etc.

19 Signaltransduktionswege in Säugerzellen

20 Signaltransduktionswege in Säugerzellen GDP+P Unterscheidung in first und second messenger : intrazellulär weiter umsetzende Signalmoleküle sind second messenger sind wesentlich weniger: Ca 2+ -Konz., camp, Inositoltrisphosphat (IP 3 ), Diacylglycerin (DG), etc.

21 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