5 Zelluläre Membranen

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1 5 Zelluläre Membranen Der Physikstudent Stephen Hawking begann während seiner Zeit in Oxford zu rudern. Er war zwar niemals besonders sportlich gewesen, doch nach einer Weile war er einigermaßen durchtrainiert. Es fiel ihm jedoch auf, dass er mit der Zeit immer ungeschickter wurde, und als er schließlich zum Hauptstudium nach Cambridge ging, fiel er öfters ohne ersichtlichen Grund hin. Nach wochenlangen Untersuchungen musste sein Arzt ihm mitteilen, dass er an Amyotropher Lateralsklerose litt, einer unheilbaren motoneuralen Erkrankung, bei der die Nervenzellen, welche die Muskeln stimulieren, allmählich absterben und der Patient als Folge davon alle Kontrolle über seine Muskeln verliert. Im Lauf der Jahre leistete Hawking bedeutende Beiträge zur Theoretischen Physik, insbesondere zur Untersuchung der Schwarzen Löcher und zum Ursprung des Universums. Er erreichte die akademische Spitze und hat jetzt den Physiklehrstuhl in Cambridge inne, den einst Isaac Newton bekleidete. Aber die Krankheit hat sich verschlimmert und er hat mittlerweile alle Muskelkontrolle verloren. Ein besonderes Kennzeichen lebender Zellen ist ihre Fähigkeit, den Eintritt und Austritt von Substanzen zu regulieren. Diese Regulationsfähigkeit ist eine Funktion der Plasmamembran, die aus einer hydrophoben Lipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen besteht. Muskelzellen antworten auf die Stimulation durch Nervenzellen, indem sie mit Proteinen ausgekleidete Kanäle in ihrer Plasmamembran öffnen. Die Kanäle in Hawkings Muskelzellen können sich nicht öffnen, da seine Nervenzellen sie nicht mehr stimulieren können, und dadurch können sich auch seine Muskeln nicht mehr kontrahieren. Zahlreiche biologische Aktivitäten werden durch Kanäle in der Plasmamembran bestimmt, beispielsweise der Herzschlag bei Tieren oder das Öffnen der winzigen Blattporen (Spaltöffnungen) der Pflanzen, durch die der Gasaustausch erfolgt. Biomembranen sind dynamische Strukturen, deren Bestandteile ständig in Bewegung und Veränderung begriffen sind. Sie erfüllen ihre essenzielle physiologische Aufgabe, indem sie die Wechselwirkungen von Zellen mit anderen Zellen und mit den Molekülen der Umgebung ermöglichen. Hier werden wir die strukturellen Aspekte dieser Interaktionen besprechen. Membranen regulieren außerdem die Aufnahme von Substanzen in die Zelle sowie deren Herausschleusen. Die selektive Permeabilität der Membranen, die in diesem Kapitel vorgestellt wird, ist ein wichtiges Merkmal des Lebens. Diesem Phänomen werden Sie an anderen Stellen in diesem Buch noch mehrfach begegnen, sei es bei der Überführung von Lichtenergie in chemische Energie im Chloroplasten oder bei der Rückgewinnung von Wasser und Ionen in der Säugetierniere. Stephen Hawking. Durch die Auswirkungen der Amyotrophen Lateralsklerose ist der berühmte Physiker an den Rollstuhl gefesselt. Die Krankheit manifestiert sich auf zellulärer Ebene hauptsächlich darin, dass die Nervenzellen nicht mehr in der Lage sind, Kanäle in Muskelzellmembranen zu öffnen, was für eine normale Muskelfunktion notwendig ist.

2 106 I Die Zelle Bestandteile und Struktur der Biomembran Die strukturelle Organisation und die Funktion aller Biomembranen beruht auf ihren Bestandteilen: Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten. Die Lipide sind für die physische Integrität der Membran verantwortlich und fungieren als wirkungsvolle Schranke für den Durchtritt hydrophiler Teilchen wie Wassermoleküle und Ionen. Außerdem dient die Phospholipid-Doppelschicht als Lipid- See, in dem zahlreiche Proteine schwimmen (Abbildung 5.1). Dieser grundsätzliche Aufbau wird durch das Flüssig-Mosaik- Modell beschrieben. Proteine, die in die Phospholipid-Doppelschicht eingebettet sind, haben mehrere Funktionen, dazu gehören der Stofftransport durch die Membran und das Empfangen chemischer Signale aus der äußeren Umgebung der Zelle. Jede Biomembran besitzt einen Satz an Proteinen, die an die spezielle Funktion des von ihr umhüllten Kompartiments angepasst sind. Die mit Biomembranen assoziierten Kohlenhydrate sind entweder an Protein- oder an Lipidmoleküle gebunden. Sie befinden sich auf der Außenseite der Plasmamembran und reichen dort in den extrazellulären Raum hinein. Kohlenhydrate sind, genau wie manche Proteine, für die Erkennung spezifischer Zellen und Moleküle von Bedeutung. Lipide machen den Großteil der Biomembran aus Die Lipide in Biomembranen sind meistens Phospholipide. Wie Sie aus Kapitel 2 wissen, sind manche Verbindungen Zellumgebung Kohlenhydrate sind mit der Außenfläche von Proteinen (es entstehen Glykoproteine) oder Lipiden verbunden (es entstehen Glykolipide). Manche Proteine verknüpfen Zellen miteinander. Phospholipid- Doppelschicht Periphere Membranproteine dringen überhaupt nicht in die Doppelschicht ein. Cholesterolmoleküle, die zwischen die Phospholipidschwänze eingestreut sind, beeinflussen die Fluidität der Fettsäuren in der Membran. Manche integrale Membranproteine erstrecken sich über die gesamte Phospholipid-Doppelschicht andere dringen nur teilweise in die Doppelschicht ein. Zellinnenraum 5.1 Das Flüssig-Mosaik-Modell. Die generelle Struktur von Biomembranen ist eine durchgehende Phospholipid-Doppelschicht mit eingebetteten Proteinen.

3 5 Zelluläre Membranen 107 hydrophil (wasserliebend) und andere hydrophob (wasserfeindlich); wie in Kapitel 3 besprochen, besitzen Phospholipide sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche. Hydrophile Bereiche: Der phosphathaltige Kopf des Phospholipids ist elektrisch geladen und lagert sich daher mit polaren Wassermolekülen zusammen. Hydrophobe Bereiche: Die langen unpolaren Fettsäure- Schwänze des Phospholipids lagern sich mit anderen unpolaren Stoffen zusammen, sie lösen sich jedoch nicht in Wasser noch assoziieren sie mit anderen hydrophilen Substanzen. Aufgrund dieser Eigenschaften können Phospholipide in einem wässrigen Milieu nur auf eine Weise existieren: indem sie eine Doppelschicht (Bilayer) bilden. In dieser Doppelschicht treten die Fettsäuren beider Schichten miteinander in Wechselwirkung, während sich die polaren Bereiche nach außen zum wässrigen Milieu hin orientieren (Abbildung 5.2). Im Labor lassen sich künstliche Phospholipid-Doppelschichten mit demselben Aufbau wie natürliche Membranen leicht herstellen. Außerdem schließen sich kleine Löcher in einer Doppelschicht spontan wieder. Durch diese Fähigkeit der Phospholipide, immer dicht zusammen zu bleiben und ein Bilayer aufrechtzuerhalten, wird die Fusion von Biomembranen während der Vesikelbildung, der Phagocytose und ähnlicher Prozesse erst ermöglicht. Alle biologischen Membranen besitzen eine ähnliche Struktur; Membranen aus verschiedenen Zellen oder Orga- Die unpolaren hydrophoben Fettsäureschwänze treten im Inneren der Doppelschicht miteinander in Wechselwirkung. Die geladenen oder polaren hydrophilen Kopfbereiche treten mit polaren Wassermolekülen in Wechselwirkung. wässriges Milieu wässriges Milieu 5.2 Eine Phospholipid-Doppelschicht trennt zwei wässrige Bereiche. Die hier dargestellten acht Phospholipidmoleküle repräsentieren einen kleinen Querschnitt durch eine Membrandoppelschicht. nellen können sich jedoch in ihrer Lipidzusammensetzung stark unterscheiden. Phospholipide variieren, was die Länge der Fettsäurekette, die Anzahl der ungesättigten Bindungen der Fettsäuren und die vorhandenen polaren Gruppen (Phosphatgruppen) betrifft. Außer Phospholipiden können Biomembranen Cholesterol ( Cholesterin ) enthalten, eine andere Art von Lipid. Der Cholesterolanteil an der Lipidfraktion liegt in manchen Membranen bei 25 Prozent (siehe Kapitel 3), andere Membranen enthalten überhaupt kein Cholesterol. Cholesterol ist also keineswegs von vorne herein gesundheitsschädlich, sondern als Membranbaustein der Tierzelle lebenswichtig. (Probleme gibt es nur, wenn seine Regulation gestört ist.) Cholesterolmoleküle sind in der Doppelschicht gewöhnlich neben einer ungesättigten Fettsäure positioniert (siehe Abbildung 5.1). Die Phospholipid-Doppelschicht stabilisiert die gesamte Membranstruktur, die dabei jedoch sehr elastisch bleibt. Gleichzeitig wird der hydrophobe Innenbereich der Membran durch die Fettsäuren der Phospholipide in gewissem Maße flüssig (englisch fluid) etwa so flüssig wie leichtes Maschinenöl. Durch diese Membranfluidität können sich die Moleküle lateral in der Membran bewegen. Ein beliebiges Phospholipidmolekül in der Plasmamembran kann in wenig mehr als einer Sekunde von einem Ende der Zelle zum anderen gelangen. Andererseits kann ein Phospholipidmolekül nur schwer den Platz mit einem gegenüber liegenden Phospholipidmolekül tauschen und so von einer Seite der Doppelschicht zur anderen wechseln. Hierzu muss der polare Teil jedes Moleküls durch den hydrophoben Innenbereich der Membran tauchen. Da solche Flip- Flops selten sind, können innere und äußere Seite der Doppelschicht in ihrer Phospholipidzusammensetzung recht unterschiedlich sein. Die Fluidität der Membran kann durch die Menge an vorhandenem Cholesterol sowie den Sättigungsgrad der jeweiligen Fettsäuren erhöht oder erniedrigt werden. Kürzerkettige Fettsäuren, aber auch ungesättigte Fettsäuren führen zu flüssigeren Membranen. Eine angemessene Membranfluidität ist für viele Membranfunktionen wesentlich. Da sich Moleküle bei niedrigeren Temperaturen langsamer bewegen und die Fluidität abnimmt, wären die Membranfunktionen bei Organismen, die ihre Körpertemperatur nicht konstant halten können, bei niederen Temperaturen gestört. Um dieses Problem zu lösen, verändern manche Organismen bei kalter Umgebungstemperatur die Lipidzusammensetzung und ersetzen gesättigte durch ungesättigte beziehungsweise kürzerkettige Fettsäuren. Derartige Veränderungen spielen zum Beispiel für das Überleben von überwinternden Pflanzen, Tieren und Bakterien eine Rolle. Membranproteine sind asymmetrisch verteilt Alle Biomembranen enthalten Proteine. Plasmamembranen besitzen im typischen Fall ein Proteinmolekül pro 25 Phospholipidmoleküle, doch dieses Verhältnis variiert je

4 108 I Die Zelle nach Membranfunktion. In der inneren Membran von Mitochondrien, die auf Energieumwandlung spezialisiert ist, findet sich ein Protein auf 15 Lipide. Andererseits kommt in Myelin, einer Membran, die bestimmte Nervenfasern einschließt und die Lipideigenschaften zur elektrischen Isolierung nutzt, nur ein Protein auf 70 Lipide. Viele Membranproteine sind in die Lipiddoppelschicht eingesenkt oder erstrecken sich über die gesamte Membranbreite. Diese Proteine besitzen wie Phospholipide sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche: Hydrophile Regionen: Anhäufungen von Aminosäuren mit hydrophilen Seitenketten (R-Gruppen, siehe Tabelle 3.2) geben ganzen Regionen des Proteins einen hydrophilen Charakter. Diese Regionen oder Domänen des Proteins liegen entweder im extrazellulären Milieu oder im Cytoplasma und treten daher mit Wasser in Wechselwirkung. Hydrophobe Regionen: Anhäufungen von Aminosäuren mit hydrophoben Seitenketten geben anderen Bereichen des Proteins eine unpolaren Charakter. Diese Domänen interagieren mit Fettsäureketten im wasserfreien Innenbereich der Lipiddoppelschicht. Durch die Gefrierbruch-Technik, einer speziellen Präparationsmethode für die Elektronenmikroskopie, können Proteine sichtbar gemacht werden, die in die Lipiddoppelschicht von Plasmamembranen eingebettet sind (Abbildung 5.3). Solche aus der Innenseite der Membran herausragenden Erhebungen sind in künstlich hergestellten, reinen Phospholipid-Doppelschichten nicht vorhanden. Nach dem Flüssig-Mosaik-Modell sind Proteine und Lipide in einer Membran nur durch nichtkovalente Wechselwirkungen verbunden. Die polaren Enden der Proteine können mit den polaren Enden der Lipide interagieren, die unpolaren Bereiche beider Moleküle können hydrophobe Wechselwirkungen eingehen (siehe Abbildung 5.1). Es gibt zwei Haupttypen von Membranproteinen: Integrale Membranproteine besitzen hydrophobe Außenbereiche und durchdringen die Phospholipid- Doppelschicht. Viele dieser Proteine weisen lange hydrophobe a-helikale Regionen auf, die sich quer durch den hydrophoben Innenbereich des Bilayers erstrecken. Die hydrophilen Endbereiche der integralen Membranproteine ragen in die wässrige Umgebung beiderseits der Membran (Abbildung 5.4). Periphere Membranproteine besitzen keine hydrophoben Außenbereiche und sind nicht in die Doppelschicht eingebettet. Stattdessen weisen sie polare oder geladene Bereiche auf, die mit ähnlichen Regionen an exponierten Stellen von integralen Membranproteinen oder mit Phospholipidmolekülen in Wechselwirkung treten (siehe Abbildung 5.1). Einige Membranproteine sind kovalent an Fettsäuren oder andere Lipidgruppen gebunden. Diese Proteine werden als Spezialfall eines integralen Membranproteins angesehen, 2 Durch das Spalten wird eine Hälfte der Membran von der anderen weggebrochen. 3 Proteine, die aus der aufgebrochenen Membran herausragen, müssen in der Lipiddoppelschicht eingebettet gewesen sein. Forschungsmethode 1 Gefrorenes Gewebe wird mit einem Messer gespalten. 5.3 Darstellung von Membranproteinen durch Gefrierbruch- Technik. Diese Membran aus einem Spinatchloroplasten wurde zuerst gefroren und anschließend so getrennt, dass die Membrandoppelschicht aufgebrochen wurde. da sie sich aufgrund ihrer hydrophoben Lipidkomponente in die Lipiddoppelschicht integrieren können. Proteine sind auf der Innen- und Außenseite einer Membran asymmetrisch verteilt. Integrale Membranproteine, die beiderseits aus der Membran ragen und daher als Transmembranproteine bezeichnet werden, weisen auf den beiden Seiten der Membran ein unterschiedliches Gesicht auf. Derartige Proteine besitzen bestimmte spezifische Domänen auf der Außenseite der Membran, andere Domänen innerhalb und wieder andere Domänen auf der Innenseite der Membran. Periphere Membranproteine sind auf der einen oder der anderen Membranseite lokalisiert, jedoch nicht auf beiden Seiten zugleich. Durch diese

5 5 Zelluläre Membranen 109 Hydrophile Seitenketten an exponierten Stellen des Proteins treten mit Wassermolekülen in Wechselwirkung. Zellumgebung wässriges Milieu (extrazellulär) Lipidflöße (lipid rafts), das heißt Gruppen von Lipiden in einem halbfesten Zustand können Proteine innerhalb eines Bereichs festhalten. Diese Lipide haben eine andere Zusammensetzung als die umgebenden Phospholipide; sie können beispielsweise sehr lange Fettsäureketten besitzen. Hydrophobe Seitenketten in diesem Bereich des Proteins treten (unter Wasserausschluss) mit dem hydrophoben Innenbereich der Membran in Wechselwirkung. Zellinnenraum hydrophober Innenraum der Doppelschicht wässriges Milieu (cytoplasmatisch) 5.4 Wechselwirkungen zwischen integralen Membranproteinen. Ein integrales Membranprotein ist in der Membran über die Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Seitenketten seiner Aminosäuren verankert. Anordnung erhalten beide Membranoberflächen unterschiedliche Eigenschaften (Membranasymmetrie). Wie Sie sehen werden, sind diese Unterschiede von großer funktioneller Bedeutung. Wie Lipide können viele Membranproteine ihren Ort innerhalb der Phospholipid-Doppelschicht relativ leicht verändern. Diese Wanderungen lassen sich eindrucksvoll in Versuchen mit der Zellfusionstechnik demonstrieren. Wenn man zwei Zellen fusioniert, bildet sich eine einzige durchgehende Plasmamembran, die beide Partner umhüllt; einige ihrer Proteine verteilen sich nun gleichmäßig in dieser gemeinsamen Membran. Zahlreiche Proteine können nach Belieben in der Membran wandern, doch gilt dies nicht für alle: Manche Proteine scheinen in einer spezifischen Region der Membran verankert zu sein. Diese Membranregionen wirken wie eine umzäunte Koppel für Pferde auf einem Bauernhof: Die Pferde können sich innerhalb des eingezäunten Bereichs frei bewegen, gelangen jedoch nicht hinaus. In der Membran einer Muskelzelle kommt beispielsweise das Protein, das chemische Signale von Nervenzellen empfängt (der Acetylcholinrezeptor), unter normalen Umständen nur dort vor, wo der Ausläufer einer Nervenzelle auf die Muskelzelle trifft. Dieses Rezeptorprotein wird nirgendwo sonst auf der Oberfläche der Muskelzelle gefunden. Es existieren zwei Möglichkeiten, mit denen die Bewegung von Proteinen innerhalb einer Membran eingeschränkt werden kann: Das Cytoskelett kann unmittelbar auf der Innenseite der Membran Strukturen besitzen, an denen Membranproteine verankert sind, die ins Cytoplasma hineinragen. Membran-Kohlenhydrate sind Erkennungsorte Viele Biomembranen enthalten zusätzlich zu Lipiden und Proteinen beträchtliche Mengen an Kohlenhydraten. Die Kohlenhydrate befinden sich auf der Außenseite der Membran und dienen als Erkennungsorte für andere Zellen und Moleküle (siehe Abbildung 5.1). Membranassoziierte Kohlenhydrate können kovalent an Lipide oder Proteine gebunden sein: Glykolipide bestehen aus einem kovalent an ein Lipid gebundenen Kohlenhydrat. Die Kohlenhydrateinheiten befinden sich auf der Außenseite der Membran; sie dienen dort als Erkennungssignal für Wechselwirkungen zwischen Zellen. Das Kohlenhydrat einiger Glykolipide verändert sich beispielsweise, wenn eine Zelle zu einer Tumorzelle entartet. Anhand dieser Veränderung können weiße Blutzellen (Leucocyten) die Tumorzellen unter Umständen als Angriffsziel erkennen. Glykoproteine bestehen aus einem kovalent an ein Protein gebundenen Kohlenhydrat. Die gebundenen Kohlenhydrate bestehen aus Oligosaccharidketten, die gewöhnlich nicht länger als 15 Monosaccharideinheiten sind. Durch Glykoproteine können Zellen von anderen Zellen und Proteinen erkannt werden. Ein Monosaccharid- Alphabet auf Membranen kann zur Erzeugung vielfältiger Nachrichten dienen. Wie Sie aus Kapitel 3 wissen, können Zuckermonomere (mit ihrem Gerüst aus 3 bis 7 Kohlenstoffatomen) Verknüpfungen an unterschiedlichen Positionen eingehen und dadurch lineare oder verzweigte Oligosaccharide mit vielen verschiedenen dreidimensionalen Strukturen bilden. Ein spezifisch geformtes Oligosaccharid der einen Zelle kann an ein spiegelbildliches Molekül auf einer benachbarten Zelle binden. Diese Bindung stellt die Basis der gegenseitigen Erkennung und Adhäsion von Zellen dar. Zell/Zell-Erkennung und -Adhäsion Viele Organismen sind einzellig, wie beispielsweise Bakterien; der gesamte Organismus besteht also aus einer einzigen Zelle. Andere Organismen wie Pflanzen und Tiere sind vielzellig; sie bestehen aus zahlreichen Zellen. Diese Zellen liegen häufig in spezialisierten Zellverbänden mit ähnlicher Funktion vor, die als Gewebe bezeichnet werden. Unser Körper besteht aus etwa 60 Billionen Zellen, die in ver-

6 110 I Die Zelle schiedenen Geweben wie zum Beispiel Muskelgewebe, Nervengewebe oder Epithelgewebe angeordnet sind. Zellen können sich mithilfe von zwei Prozessen zu Geweben anordnen: Durch die Zell/Zell-Erkennung bindet eine Zelle spezifisch an eine andere Zelle eines bestimmten Typs. Durch die Zell/Zell-Adhäsion wird die Beziehung zwischen den beiden Zellen dauerhaft gefestigt. An beiden Prozessen ist die Plasmamembran beteiligt; sie lassen sich am einfachsten untersuchen, wenn man die Zellen eines Gewebes in Einzelzellen auftrennt und diesen dann ein erneutes Anlagern ermöglicht. Einfach gebaute Organismen liefern dabei gute Modelle für die Gewebe komplexerer Arten. Schwämme sind vielzellige Meerestiere mit einfachem Körperaufbau (siehe Kapitel 32). Die Zellen eines Schwamms sind eng miteinander verbunden (assoziiert), doch sie können mechanisch getrennt werden, indem man das Tier mehrfach durch ein feinmaschiges Sieb presst. Aus einem einzigen Individuum sind so Hunderte von Einzelzellen geworden, die in Meerwasser suspendiert sind. Wenn diese Zellsuspension mehrere Stunden geschüttelt wird, kollidieren die Zellen und lagern sich erstaunlicherweise wieder zu einer Gestalt zusammen, die dem ursprünglichen Schwamm gleicht. Die Zellen erkennen sich also spezifisch und sind adhäsiv (vom lateinischen adhaerere für haften ), können sich also fest miteinander verbinden. Es gibt viele verschiedene Spezies (biologische Arten) von Schwämmen. Wenn man isolierte Zellen von zwei verschiedenen Schwammarten in denselben Behälter gibt, schwimmen die Zellen herum und kollidieren zufällig. Die Zellen jeder Art lagern sich jedoch nur mit anderen Zellen derselben Art zusammen und es bilden sich zwei verschiedene Schwämme, genau so, wie sie zu Beginn des Experiments vorlagen. In besonders eindrucksvollen Experimenten dieser Kategorie hat man aus einer roten und einer gelbe Schwammart eine orangefarbene Suspension hergestellt, und die Zellen sortierten sich aus dieser trüben Brühe wieder zu einem gelben und einem roten Schwamm. Die gewebespezifische und artspezifische Zell/Zell- Adhäsion ist für Bildung und Erhalt von Geweben, Organen und ganzen vielzelligen Organismen wesentlich. Denken Sie an Ihren eigenen Körper. Wodurch bleiben Muskelzellen mit Muskelzellen und Hautzellen mit Hautzellen verbunden? Diese Eigenschaft unserer Körperzellen ist so selbstverständlich, dass man leicht übersieht, wie erstaunlich sie ist. Sie werden im gesamten Buch auf zahlreiche Beispiele für Zell/Zell-Adhäsion treffen; hier wollen wir ihre allgemeinen Prinzipien besprechen. Wie sich zeigen wird, sind Zell/Zell-Erkennung und Zell/Zell-Adhäsion auf Membranproteine angewiesen. An Zell/Zell-Erkennung und -Adhäsion sind Proteine auf der Zelloberfläche beteiligt Bei den Schwämmen ist für Zell/Zell-Erkennung und -Adhäsion ein riesiges Membranglykoprotein (das zu 80 % aus Kohlenhydraten besteht) verantwortlich, das teilweise in die Plasmamembran eingebettet ist. Die für die Zell/Zell- Erkennung wesentliche Erkennungsregion ragt aus der Membran heraus und ist damit anderen Schwammzellen zugänglich. Wie Sie in Kapitel 3 erfahren haben, besitzen Makromoleküle wie Proteine nicht nur eine spezifische Gestalt, sondern auch spezifische, an der Oberfläche exponierte chemische Gruppen. Sie können dadurch mit anderen Molekülen, zum Beispiel anderen Proteinen, spezifisch interagieren und Bindungen eingehen (Abbildung 5.5a). In den meisten Fällen ist die Zell/Zell-Adhäsion in einem Gewebe homotypisch; das heißt, aus zwei benachbarten Zellen ragt jeweils das identische Molekül heraus und die exponierten Oberflächen binden aneinander. Es kann jedoch auch eine heterotypische Bindung (von Zellen mit verschiedenen Proteinen) vorkommen (Abbildung 5.5b). Wenn zum Beispiel ein Säugerspermium auf eine passende (das heißt artgleiche) Eizelle trifft, besitzen unterschiedliche Proteine auf den beiden Zelltypen komplementäre Bindungsoberflächen. Ähnlich verhält es sich bei gewissen Algen, die jeweils gleich beschaffene männliche und weibliche Fortpflanzungszellen (Gameten) bilden (analog zu Spermium und Eizelle). Männliche und weibliche Zellen bewegen sich mithilfe von Geißeln aufeinander zu und können sich anhand von heterotypischen Proteinen auf den Geißeln erkennen. Bei den meisten Pflanzenzellen ist die Plasmamembran von einer dicken Zellwand abgeschirmt, aber auch diese besitzt Zelladhäsionsproteine, die es den Zellen ermöglicht, aneinander zu binden. Mittlerweile hat man bei vielen verschiedenen Organismen Zelladhäsionsproteine charakterisiert. Einige binden benachbarte Zellen nicht nur aneinander, sondern initiieren die Bildung spezialisierter Zell/Zell-Verbindungen. In diesem Fall sind die Funktionen von Zell/Zell-Erkennung und -Adhäsion in unterschiedlichen Molekülen angesiedelt. Spezialisierte Zell/Zell-Verbindungen (Junctions) bei Tieren In einem komplexen vielzelligen Organismus ermöglichen Zellerkennungsproteine bestimmten Zellarten, aneinander zu binden. Häufig steuern beide Zellen Material für zusätzliche Membranstrukturen bei, die ihre Beziehung zementieren. Diese spezialisierten Strukturen, so genannte Zell-Zell-Verbindungen (Junctions), sind am besten in elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Epithelgeweben zu sehen. Epithelien sind Schichten eng benachbarter Zellen, welche die Körperoberfläche bedecken oder Körperhöhlen auskleiden. Wir werden drei Typen von Zell- Zell-Verbindungen besprechen, die den Zellen erlauben, in

7 5 Zelluläre Membranen 111 a) homotypische Bindung 1 Gewebe aus einem roten Schwamm (Microciona) enthält ähnliche, aneinander gebundene Zellen. b) heterotypische Bindung 2 Das Schwammgewebe kann in Einzelzellen zerlegt werden, wenn es durch ein engmaschiges Sieb getrieben wird. + Paarungstyp Paarungstyp 1 Diese Gameten einer Meeresalge sehen identisch aus, besitzen jedoch unterschiedliche Zelloberflächen-Proteine. 3 Exponierte Regionen von Membranproteinen binden aneinander und führen zum festen Zusammenhalt der Zellen. 2 Die Gameten haften durch komplementäre Proteinbindung aneinander. 5.5 Zellerkennung und Zelladhäsion. a) In den meisten Fällen (auch bei der Zusammenlagerung von Tierzellen zu Geweben) ist die Proteinbindung homotypisch: Auf der Oberfläche von zwei Zellen kommen Moleküle desselben Proteins vor und haften aneinander. b) Heterotypische Bindung findet zwischen unterschiedlichen, aber komplementären Proteinen statt. direkten physischen Kontakt miteinander zu treten und feste Bindungen zu formen: Tight Junctions, Desmosomen und Gap Junctions. Tight Junctions versiegeln Gewebe und verhindern Lecks Tight Junctions (wörtlich etwa enge Verbindungen ) sind spezialisierte Strukturen der Plasmamembran, die benachbarte Epithelzellen verbinden. Dadurch versiegeln sie Gewebe und verhindern Lecks. Es handelt sich um fest miteinander verknüpfte Stränge bestimmter Membranproteine; sie bilden aneinander gereihte Kontaktpunkte, die jede Epithelzelle umgürten (Abbildung 5.6a). Tight Junctions kommen vor allem in Epithelien vor, die das Lumen (den Hohlraum) von Organen wie den Darm auskleiden. Tight Junctions besitzen zwei Funktionen: Sie verhindern die Passage von Substanzen durch die Zellzwischenräume. Daher muss jeder Stoff, der aus einer Körperhöhle in den Körper eintritt, durch die Epithelzellen passieren. Sie schränken die Wanderung von Membranproteinen und Phospholipiden von einem zum anderen Bereich der Zelle ein. Proteine und Phospholipide in der Apikalregion ( Scheitelregion ) der Zelle, die an eine Körperhöhle angrenzt, lassen sich daher von denjenigen unterscheiden, die sich in den basolateralen Regionen befinden und die seitlichen und unteren Bereiche der Zelle betreffen (basolateral, zusammengesetzt aus basal für grundständig und lateral für seitlich ).

8 112 I Die Zelle a) Plasmamembranen Tight Junctions Microvilli Darmlumen Interzellularraum Junction- Protein Tight Junctions verhindern die Bewegung von gelösten Stoffen durch den Raum zwischen den Epithelzellen. Im Bereich von Tight Junctions fehlt ein Interzellularraum. Lange Reihen von Tight-Junction-Proteinen bilden ein komplexes Netzwerk, das in der unteren Hälfte der EM-Aufnahme (Gefrierätz-Technik) deutlich erkennbar ist. Gap Junctions Desmosomen b) Plasmamembranen Interzellularraum desmosomale Plaque Zelladhäsionsprotein Keratinfilament Desmosomen heften benachbarte Zellen eng aneinander, behindern jedoch eine Bewegung von Stoffen im Interzellularraum kaum. In der desmosomalen Plaque verankerte Zelladhäsionsproteine überbrücken den Interzellularraum und bilden so die eigentliche Verbindung zwischen den Zellen. Im Cytoplasma verspannen Keratinfilamente gegenüber liegende Plaques. Die ebenfalls an Keratinen verankerten Hemidesmosomen heften Epithelzellen an die Basallamina. 5.6 Junctions halten Tierzellen zusammen. a), b) Tight Junctions und Desmosomen sind in Epithelzellen verbreitet. c) Gap Junctions kommen auch in einigen Muskel- und Nervengeweben vor, bei denen die schnelle Kommunikation zwischen Zellen wichtig ist. c) Interzellularraum hydrophiler Kanal 2,7-nm- Raum Plasmamembranen eine Epithelzelle Basallamina Connexone Plasmamembranen Hemidesmosom membran der Nachbarzelle reichen, wo sie an die Plaque- Proteine dieser Zelle angeheftet sind. Das Desmosom ist ferner an Cytoskelettproteinen verankert. Bei diesen handelt es sich um Intermediärfilament- Proteine (siehe Abbildung 4.20), genauer gesagt um a- Keratine. Sie reichen von der desmosomalen Plaque quer durch die Zelle bis zu einer desmosomalen Plaque auf der gegenüber liegenden Zellseite. Durch ihre Verankerung auf beiden Zellseiten vermitteln diese sehr kräftigen Keratinfilamente den Epithelgeweben, die als schützende Abschlussgewebe des Körpers häufig rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, eine große mechanische Stabilität. Epithelzellen sitzen auf einer Art Matte aus Bindegewebe, der Basallamina oder Basalmembran. Die Basallamina ist also eine spezielle Form der extrazellulären Matrix (siehe Abbildung 4.26). Hier gibt es eine andere Form von Lötpunkten, die Hemidesmosomen (Abbil- Gap Junctions ermöglichen die Kommunikation mit angrenzenden Zellen. Gelöste kleine Moleküle und elektrische Signale können durch den Kanal treten, der durch zwei Connexone (aus je sechs Connexinen) gebildet wird. Die Tight Junctions helfen mit, dass Stoffe zielgerichtet in den Körper gelangen können. Denn durch die Funktion der Tight Junctions müssen die Stoffe über bestimmte Zellen eintreten beziehungsweise können die verschiedenen Zellpole unterschiedliche Membranproteine mit unterschiedlichen Funktionen aufweisen. Desmosomen halten Zellen zusammen Auch Desmosomen sind mit der Plasmamembran assoziierte Spezialstrukturen. Sie halten angrenzende Epithelzellen fest zusammen und erinnern an Lötpunkte oder Nieten (Abbildung 5.6b). Jedes Desmosom besitzt auf der cytoplasmatischen Seite der Plasmamembran eine dichte Struktur, die als desmosomale Plaque bezeichnet wird. Diese Plaque ist an spezielle Zelladhäsionsproteine in der Plasmamembran angeheftet, die von der Plaque durch die Plasmamembran der einen Zelle über den Interzellularraum und durch die Plasma-

9 5 Zelluläre Membranen 113 dung 5.6c). Sie sehen im Elektronenmikroskop aus wie halbe Desmosomen und sind ebenfalls an a-keratinen verankert, doch ihr molekularer Aufbau ist ganz anders. Gap Junctions dienen der Kommunikation Während Tight Junctions und Desmosomen mechanische Aufgaben haben, erleichtern Gap Junctions die Kommunikation der Zellen untereinander. Eine Gap Junction ist ein aus Proteinen gebildeter Kanal, der die jeweilige Plasmamembran und den dazwischen liegenden Interzellularraum von zwei Nachbarzellen durchspannt. Das Kanalprotein heißt Connexin; sechs Connexine bilden einen als Connexon bezeichneten Ring, zwei passend angeordnete Connexone bilden den Kanal (Abbildung 5.6c). Gelöste Moleküle und elektrische Signale können durch diese Verbindungen von einer zur anderen Zelle gelangen. Die Rolle der Gap Junctions und auch die Rolle der Plasmodesmen, die eine ähnliche Aufgabe in Pflanzen wahrnehmen, werden wir insbesondere in Kapitel 15 unter dem Thema Zellkommunikation im Einzelnen erörtern. Wege des passiven Membrantransports Wir haben besprochen, wie die Biomembran beschaffen ist und wie sie eine wichtige Funktion erfüllt: Sie verbindet Zellen miteinander. Wir wenden uns jetzt der zweiten wichtigen Membranfunktion zu, der Fähigkeit, manche Substanzen, nicht jedoch alle, durch die Membran passieren zu lassen und ihnen damit das Eintreten und Verlassen in Zellen beziehungsweise Organellen zu ermöglichen. Man bezeichnet dieses Merkmal von Membranen als selektive Permeabilität (selektive Durchlässigkeit). Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Prozesse, durch die Substanzen biologische Membranen durchqueren und damit in Zellen oder Organellen gelangen oder diese verlassen können: Passiver Transport benötigt zum Antrieb keine von außen zugeführte Energie. Die Energie für diese Prozesse wird durch die Substanzen selbst und durch ihre Konzentrationsunterschiede auf den beiden Seiten der Membran geliefert. Zu den passiven Transportprozessen gehören die verschiedenen Typen der Diffusion: einfache Diffusion durch die Phospholipid-Doppelmembran und erleichterte Diffusion durch Kanalproteine oder mithilfe von Transportproteinen. Aktiver Transport benötigt im Gegensatz dazu die Zufuhr von chemischer Energie. Aktive Transportprozesse können den innewohnenden Vorteil eines Konzentrationsgradienten nicht nutzen, da sie diesem gewöhnlich entgegen verlaufen. Konzentrieren wir uns zuerst auf passive Transportprozesse. Bevor wir jedoch die Diffusion durch eine Membran erörtern, müssen Sie die Grundprinzipien der Diffusion verstehen. Die physikalische Natur der Diffusion Nichts in dieser Welt befindet sich jemals völlig in Ruhe. Alles ist in Bewegung, auch wenn diese sehr gering sein mag. Selbst einzelne Moleküle in einer Lösung sind ständig am zappeln (die so genannte Brownsche Molekularbewegung). Die Triebkraft dieser scheinbar ziellosen Bewegungen ist die Entropie (siehe Kapitel 6); sie hat zur Konsequenz, dass alle Teilchen einer Lösung über kurz oder lang gleichmäßig verteilt im System vorliegen. Wenn man zum Beispiel einen Teebeutel in eine Tasse mit Wasser hängt, ist der Tee zu Beginn auf den Beutel beschränkt. Ganz von selbst diffundieren die löslichen Anteile des Tees allmählich aus dem Beutel heraus und verteilen sich im Wasser, bis die Farbintensität und damit die Teekonzentration schließlich in der gesamten Tasse gleich ist. Eine Lösung, in der die Teilchen gleichmäßig verteilt sind, befindet sich im Gleichgewicht, da eine weitere Nettoveränderung der Konzentration unmöglich ist. Der Tee wird sich nicht spontan in einem Teil des Wassers konzentrieren. Gleichgewicht heißt nicht, dass die Teilchen sich nicht mehr bewegen; es bedeutet nur, dass ihre Bewegung nicht mehr zu einer Veränderung ihrer Gesamtverteilung führt. Wird außer dem Teebeutel auch noch ein Löffel Zucker in die Tasse gegeben, so werden sich beide Teilchenarten Teeteilchen und Zuckermoleküle unabhängig voneinander von selbst gleichmäßig verteilen. Durch mechanisches Durchmischen (Umrühren mit dem Löffel) können wir das Ganze lediglich beschleunigen. Diffusion ist der Vorgang der zufälligen Bewegung hin zu einem Gleichgewichtszustand. Obwohl die Bewegung jedes einzelnen Teilchens vollständig ungerichtet erfolgt, ist die Nettobewegung bei der Diffusion gerichtet, bis das Gleichgewicht erreicht wird. Daher verstehen wir unter Diffusion die Nettobewegung von Bereichen mit höherer Konzentration hin zu Bereichen mit geringerer Konzentration (Abbildung 5.7). In einer komplexen Lösung (eine Lösung mit zahlreichen unterschiedlichen gelösten Substanzen) ist die Diffusion jeder Einzelsubstanz unabhängig von der Diffusion jeder anderen Substanz. Vier Faktoren bestimmen, wie schnell eine Substanz diffundiert: der Durchmesser der Moleküle oder Ionen; kleinere Moleküle diffundieren schneller, die Temperatur der Lösung; höhere Temperaturen führen zu einer schnelleren Diffusion, die elektrische Ladung (falls vorhanden) des diffundierenden Stoffs; eine elektrische Ladung wirkt sich unterschiedlich auf die Diffusion aus, der Konzentrationsgradient im System, das heißt, die Konzentrationsänderung in einer bestimmten Richtung in Abhängigkeit von der Entfernung. Je steiler der

10 114 I Die Zelle Experiment Fragestellung: Führt Diffusion zur gleichmäßigen Verteilung der gelösten Stoffe? Geben Sie die gleiche Menge von drei verschiedenen Farbstoffen in ein flaches Gefäß mit ruhigem Wasser. Entnehmen Sie Proben an verschiedenen Stellen und messen Sie die Konzentration jedes Farbstoffs. Konzentration Zeit = 0 5 Minuten später 10 Minuten später Anzahl und Position der jeweiligen Farbstoffmoleküle sind hier schematisch wiedergegeben. Schlussfolgerung: Gelöste Stoffe verteilen sich durch Diffusion gleichmäßig und unabhängig voneinander. 5.7 Diffusion führt zu einer gleichmäßigen Verteilung von gelösten Stoffen. Diffusion ist die Nettobewegung einer gelösten Substanz von Bereichen mit höherer Konzentration hin zu Bereichen mit geringerer Konzentration. Die Diffusionsgeschwindigkeit unterscheidet sich je nachdem, welche Substanz vorliegt; doch der Prozess läuft so lange weiter, bis die Verteilung der Stoffe ein Gleichgewicht erreicht hat. Konzentrationsgradient, desto schneller diffundiert die betreffende Substanz. Diffusion innerhalb von Zellen und Geweben Innerhalb von Zellen beziehungsweise überall dort, wo sehr kurze Entfernungen vorliegen, verteilen sich gelöste Stoffe durch Diffusion sehr rasch. (Die gelösten Stoffe in einer Lösung bezeichnet man auch als Solute). Kleine Moleküle und Ionen können in einer Millisekunde (10 3 s) von einem zum anderen Ende eines Organells gelangen. Die Bedeutung der Diffusion als Transportmechanismus nimmt andererseits mit zunehmender Entfernung rapide ab. Wenn keine mechanische Durchmischung stattfindet, kann eine Diffusion über mehr als einen Zentimeter eine Stunde oder länger dauern, und die Diffusion über Meter-Entfernungen kann Jahre in Anspruch nehmen! Die Diffusion wäre zum Stofftransport im menschlichen Körper nicht ausreichend; innerhalb unserer Zellen oder durch eine Schicht von ein oder zwei Zellen ist die Diffusion jedoch schnell genug, um kleine Partikel fast augenblicklich zu verteilen. Diffusion durch Membranen In einer Lösung ohne Barrieren diffundieren alle gelösten Stoffe mit einer Geschwindigkeit, die durch die Temperatur, ihre physikalischen Eigenschaften und den Konzentrationsgradienten jeder einzelnen gelösten Substanz festgelegt wird. Wenn die Lösung durch eine Biomembran in getrennte Kompartimente unterteilt wird, kann die Bewegung der gelösten Stoffe aufgrund von Eigenschaften der Membran behindert sein. Die Membran wird als permeabel (durchlässig) für Stoffe bezeichnet, die sie mehr oder weniger leicht passieren können; sie gilt als impermeabel (undurchlässig) für Substanzen, die sie nicht passieren können. Moleküle, für welche die Membran nicht durchlässig ist, verbleiben in getrennten Kompartimenten, und ihre Konzentrationen sind auf den beiden Seiten der Membran unterschiedlich. Moleküle, für welche die Membran permeabel ist, diffundieren von einem Kompartiment ins andere, bis ihre Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran gleich sind. In diesem Moment ist das Gleichgewicht erreicht. Nach Erreichen des Gleichgewichts treten immer noch einzelne Moleküle durch die Membran; da sich jedoch die gleiche Anzahl an Molekülen in beide Richtungen bewegt, findet keine Nettoveränderung der Konzentration statt. (Ganz ähnlich verbleiben im oben genannten Beispiel die festen Teilchen des Tees im Beutel, während die löslichen Teilchen die Wand des Beutels passieren können und sich innen und außen gleichmäßig verteilen.)

11 5 Zelluläre Membranen 123 baut. Insbesondere das so genannte Endomembransystem, das sich aus ER, Golgi-Apparat und Vesikeln zusammensetzt, wandelt sich ständig. Phospholipide werden bei Eukaryoten auf der Oberfläche des glatten endoplasmatischen Reticulums synthetisiert und rasch auf Membranen in der gesamten Zelle verteilt, da sich Vesikel ständig vom ER abschnüren und mit anderen Organellen fusionieren. Membranproteine werden in die Membran des rauen endoplasmatischen Reticulums eingebaut, während sie von Ribosomen gebildet werden. Auch bereits fertiggestellte Membranen können ihren Ort innerhalb der eukaryotischen Zelle verändern. Teile des rauen ER schnüren sich als Vesikel ab und fusionieren mit der cis-seite des Golgi-Apparats (siehe Abbildung 4.12). Diese Membransegmente tauchen rasch häufig innerhalb einer Stunde wieder in den trans-regionen des Golgi-Apparats auf. Wenn sie sich dort abschnüren, werden sie schließlich Bestandteil der Plasmamembran. Die Membranen der Vesikel fusionieren ständig durch Exocytose mit der Plasmamembran; da jedoch laufend im Zuge der Endocytose Membranmaterial von der Plasmamembran abgezogen wird, ergibt sich eine ausgewogenen Bilanz: Auf diese Weise wird das Endomembransystem fortwährend ergänzt. Da alle Biomembranen im Elektronenmikroskop ähnlich aussehen und da sie leicht ineinander übergehen, könnte man vermuten, dass das Endomembransystem biochemisch sehr einheitlich ist. Das ist aber nicht der Fall, denn es gibt selbst unter den Membranen einer einzigen Zelle größere chemische Unterschiede. Membranen werden chemisch verändert, wenn sie Teil bestimmter Organellen werden. Im Golgi-Apparat ähneln die Membranen der cis-seite in der chemischen Zusammensetzung beispielsweise sehr stark den Membranen des endoplasmatischen Reticulums; die Membranen der trans-seite ähneln jedoch stärker der Plasmamembran. Wenn sich ein Vesikel bildet, wird die spezifische Mischung von Proteinen und Lipiden seiner Membran ebenso ausgewählt wie die Inhaltsstoffe des Vesikels, damit die Übereinstimmung mit der Zielmembran des Vesikels gewährleistet ist. Zusammenfassend können wir feststellen, dass innerhalb der Zelle ein permanenter Membranfluss stattfindet. Indem sich ihre Beweglichkeit, Zusammensetzung und Aufgaben ständig wandeln, sind Biomembranen von zentraler Bedeutung für das Leben. ä Kapitelzusammenfassung Bestandteile und Struktur der Biomembran Biomembranen bestehen aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten. Das Flüssig-Mosaik-Modell der Membranstruktur beschreibt eine Phospholipid-Doppelschicht mit Proteinen, die sich lateral innerhalb der Membran bewegen können. Siehe Abbildungen 5.1 und 5.2; siehe Aktivität 5.1 Integrale Membranproteine sind mindestens teilweise in die Phospholipid-Doppelschicht integriert. Periphere Membranproteine sind durch Ionenbindung an die Oberfläche der Doppelschicht gebunden. Siehe Abbildungen 5.1, 5.3 und 5.4 Die beiden Oberflächen einer Membran können verschiedene Eigenschaften aufweisen. Grund dafür sind Unterschiede in der Phospholipidzusammensetzung, in den exponierten Domänen integraler Membranproteine und in den peripheren Membranproteinen. Siehe Abbildungen 5.1 und 5.2 Kohlenhydrate, die an Proteine oder Phospholipide angeheftet sind, ragen aus der äußeren Oberfläche der Plasmamembran heraus und dienen als Erkennungssignale für Zell/Zell-Interaktionen. Siehe Abbildung 5.1 Zell/Zell-Erkennung und -Adhäsion Viele Organismen bestehen nur aus einer einzigen Zelle, zahlreiche Organismen sind jedoch vielzellig. Die Anordnung von Zellen zu Geweben setzt voraus, dass die Zellen einander erkennen und aneinander haften können. Erkennung und Adhäsion hängen von Membranproteinen ab, die aus der Zelloberfläche herausragen. Siehe Abbildung 5.5 Tight Junctions verhindern ein Durchtreten von Molekülen durch den Raum zwischen den Zellen (Interzellularraum); die Tight Junctions definieren funktionelle Bereiche der Plasmamembran, indem sie die gleichmäßige Verteilung von Membranproteinen über die Zelloberfläche einschränken. Desmosomen heften benachbarte Zellen fest aneinander. Hemidesmosomen nieten Zellen an die Basallamina. Gap Junctions bieten Kanäle für die chemische und elektrische Kommunikation zwischen Nachbarzellen. Siehe Abbildungen 5.6; siehe Aktivität 5.2 Wege des passiven Membrantransports Substanzen können über drei Prozesse passiv durch eine Membran diffundieren: einfache Diffusion durch die Phospholipid-Doppelschicht, erleichterte Diffusion durch Kanalproteine oder erleichterte Diffusion mithilfe eines Transportproteins. Siehe Tabelle 5.1 Eine gelöste Substanz diffundiert durch eine Membran aus einer Region mit einer höheren Konzentration dieser gelösten Substanz hin zu einer Region mit einer niedrigeren Konzentration der gelösten Substanz. Das Gleichgewicht ist erreicht, wenn die Konzentrationen

12 124 I Die Zelle des gelösten Stoffs auf beiden Seiten der Membran identisch sind. Siehe Abbildung 5.7 Die Geschwindigkeit der einfachen Diffusion einer gelösten Substanz durch eine Membran ist direkt proportional zu ihrem Konzentrationsgradienten über die Membran. Ein wichtiger Faktor bei der einfachen Diffusion durch eine Membran ist die Lipidlöslichkeit der gelösten Substanz. Bei der Osmose diffundiert Wasser aus Bereichen mit höherer Wasserkonzentration zu Bereichen mit niedrigerer Wasserkonzentration. Zellen in hypotonischen Lösungen neigen zur Wasseraufnahme, während Zellen in hypertonischen Lösungen zur Wasserabgabe tendieren. Tierzellen müssen gegenüber der Umgebung isotonisch bleiben, um einen Schaden durch Wasserverlust oder Wasseraufnahme zu vermeiden. Siehe Abbildungen 5.8a und 5.8b Die Zellwand der Pflanzen und vieler anderer Organismen verhindert, dass die Zellen unter hypotonischen Bedingungen platzen. Der unter diesen Umständen entstehende Turgor hält krautige Pflanzen aufrecht und dehnt die Zellwand während des Zellwachstums. Siehe Abbildung 5.8c Kanalproteine und Transportproteine ermöglichen die erleichterte Diffusion. Siehe Abbildung 5.9 bis 5.11a Die Geschwindigkeit der erleichterten Diffusion über Transportproteine erreicht ein Maximum, wenn diejenige Konzentration der gelösten Substanz erreicht wird, die alle Transporter absättigt. Dann erhöht sich mit zunehmender Konzentration der gelösten Substanz die Geschwindigkeit nicht weiter. Siehe Abbildung 5.11b; siehe Tutorium 5.1 Aktiver Transport Aktiver Transport benötigt chemische Energie, um Substanzen gegen einen Konzentrationsgradienten durch eine Membran zu befördern. Siehe Tabelle 5.1 Die Proteine für den aktiven Transport können als Uniporter, Symporter oder Antiporter arbeiten. Siehe Abbildung 5.12 Beim primär aktiven Transport wird die aus der Hydrolyse von ATP gewonnene Energie eingesetzt, um Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten in die Zelle hinein oder aus ihr hinaus zu befördern. Siehe Abbildung 5.13 Sekundär aktiver Transport koppelt die passive Wanderung einer gelösten Substanz A mit ihrem Konzentrationsgradienten an die Beförderung einer anderen gelösten Substanz B gegen ihren Konzentrationsgradienten. Aus ATP gewonnene Energie wird indirekt für den Transport von Substanz B genutzt, indem mit ihrer Hilfe der Konzentrationsgradient von Substanz A aufgebaut wird. Siehe Abbildung 5.14; siehe Tutorium 5.2 Endocytose und Exocytose Durch Endocytose werden Makromoleküle, große Partikel und kleine Zellen in eukaryotische Zellen transportiert, indem die Objekte eingeschlossen und als Vesikel von der Plasmamembran abgeschnürt werden. Phagocytose und Pinocytose stellen unspezifische Formen der Endocytose dar. Siehe Abbildung 5.15 Bei der rezeptorvermittelten Endocytose bindet ein spezifisches Membran-Rezeptorprotein ein definiertes Makromolekül. Siehe Abbildung 5.16; siehe Tutorium 5.3 Bei der Exocytose wird Material in Vesikeln aus der Zelle ausgeschleust, wenn die Vesikel mit der Plasmamembran fusionieren. Membranen stellen nicht nur schlichte Barrieren dar Membranen dienen als Ort zum Erkennen und ersten Verarbeiten extrazellulärer Signale, zur Energieumwandlung und zur räumlichen Organisation chemischer Reaktionen. Siehe Abbildung 5.17 Membranen sind dynamisch Bei der Umwandlung von Membranen in andere Membrantypen wird die Membranzusammensetzung modifiziert.? Fragen zur Selbstüberprüfung 1. Welche Aussage über Membran-Phospholipide ist falsch? a) Sie lagern sich zusammen und bilden Doppelschichten. b) Sie besitzen einen hydrophoben Schwanz. c) Sie haben einen hydrophilen Kopf. d) Sie verleihen der Membran Fluidität. e) Sie wechseln leicht ihren Ort von einer Seite der Membran zur anderen. 2. Das menschliche Wachstumshormon bindet spezifisch an ein Protein auf der Plasmamembran. Dieses Protein wird bezeichnet als: a) Ligand. b) Clathrin. c) Rezeptor. d) hydrophobes Protein. e) Zelladhäsionsmolekül. 3. Welche Aussage über Membranproteine ist falsch? a) Sie reichen alle von einer Seite der Membran bis zur anderen. b) Einige dienen als Kanal für Ionen, welche die Membran durchqueren.

13 5 Zelluläre Membranen 125 c) Viele können innerhalb der Membran lateral wandern. d) Ihre Position in der Membran wird durch ihre Tertiärstruktur bestimmt. e) Einige spielen eine Rolle bei der Photosynthese. 4. Welche Aussage über Membrankohlenhydrate ist falsch? a) Die meisten sind an Proteine gebunden. b) Einige sind an Lipide gebunden. c) Sie werden im Golgi-Apparat mit Proteinen verbunden. d) Sie weisen geringe Diversität auf. e) Sie spielen eine wesentliche Rolle bei den Zellerkennungsreaktionen auf der Zelloberfläche. 5. Welche Aussage über tierische Zellverbindungen ist falsch? a) Tight Junctions bilden Schranken für die Wanderung von Molekülen zwischen Zellen. b) Desmosomen ermöglichen den Zellen, fest aneinander zu haften. c) Gap Junctions blockieren die Kommunikation zwischen benachbarten Zellen. d) Connexone bestehen aus Protein. e) Die mit den Desmosomen assoziierten Filamente bestehen aus Protein. 6. Sie untersuchen, wie das Protein Transferrin in Zellen hineingelangt. Wenn Sie Zellen beobachten, die Transferrin aufgenommen haben, befindet sich dieses innerhalb der von Clathrin überzogenen Vesikel. Daher erfolgt die Aufnahme von Transferrin am wahrscheinlichsten über a) die erleichterte Diffusion. b) ein Protonen-Antiport. c) rezeptorvermittelte Endocytose. d) Gap Junctions. e) Ionenkanäle. 7. Welche Aussage über Membrankanäle ist falsch? a) Sie sind Poren in der Membran. b) Sie sind Proteine. c) Alle Ionen passieren durch den gleichen Membrankanal. d) Die Wanderung durch Membrankanäle findet von hohen zu niedrigen Konzentrationen statt. e) Die Wanderung durch Membrankanäle erfolgt durch einfache Diffusion. 8. Erleichterte Diffusion und aktiver Transport a) benötigen beide ATP. b) benötigen beide den Einsatz von Proteinen als Transporter. c) befördern gelöste Stoffe nur in eine Richtung. d) weisen beide eine unbegrenzt steigerungsfähige Rate auf, wenn sich die Konzentration des gelösten Stoffs erhöht. e) hängen beide von der Löslichkeit der gelösten Substanz in Lipiden ab. 9. Primär und sekundär aktiver Transport a) erzeugen beide ATP. b) hängen beide von der passiven Bewegung von Natriumionen ab. c) schließen beide die passive Bewegung von Glucosemolekülen ein. d) nutzen beide ATP direkt. e) können beide gelöste Stoffe gegen ihren Konzentrationsgradienten befördern. 10. Welche Aussage über die Osmose ist falsch? a) Sie gehorcht den Gesetzen der Diffusion. b) In tierischen Geweben bewegt sich Wasser in die Zelle, die zum Medium hypertonisch ist. c) Rote Blutzellen müssen in einem Plasma gehalten werden, das gegenüber den Zellen hypotonisch ist. d) Zwei Zellen mit identischem osmotischem Potenzial sind gegeneinander isotonisch. e) Die Konzentration der gelösten Stoffe ist der Hauptfaktor bei der Osmose. Zur Diskussion 1. Wie Sie in Kapitel 47 erfahren werden, ist die Muskelfunktion darauf angewiesen, dass Calciumionen gegen einen Calcium-Konzentrationsgradienten in ein Kompartiment des Endomembransystems gepumpt werden. Welche Art von Molekülen wird benötigt, damit dies stattfinden kann? 2. Einige Algen besitzen komplexe glasähnliche Strukturen in ihrer Zellwand. Diese Strukturen werden im Golgi- Apparat gebildet. Wie können sie in die Zellwand gelangen, ohne eine Membran passieren zu müssen? 3. Im Süßwasser lebende Organismen sind fast immer hypertonisch zu ihrer Umgebung. Inwiefern ist dies ein ernstes Problem? Wie könnte es gelöst werden? 4. Stellen Sie unspezifische Endocytose und rezeptorvermittelte Endocytose in Bezug auf Mechanismus und Leistung einander gegenüber. 5. Die Entstehung der Phospholipidmembran war für den Ursprung von Zellen entscheidend. Beschreiben Sie die wichtigsten Membraneigenschaften, mit deren Hilfe Zellen im Vergleich zu molekularen Aggregaten ohne Membranen besser gedeihen konnten. 10. c 7. c 8. b 9. e 4. d 5. c 6. c 1. e 2. c 3. a Lösungen