Zellbiologie! Privatdozent Dr. T. Kähne! Institut für Experimentelle Innere Medizin! Medizinische Fakultät

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1 Zellbiologie! Privatdozent Dr. T. Kähne! Institut für Experimentelle Innere Medizin! Medizinische Fakultät

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3 Grundlagen Lipid-Doppelschicht als Barriere für polare Moleküle! Abgrenzung für biochemische Reaktionen essentiell! sinnvolle Nutzung erfordert selektive mechanismen! Aufnahme von Nährstoffen! Ausscheidung von Stoffwechsel-Endprodukten! Regulation der Ionenkonzentration!! kleine und mittlere Moleküle vs. Makromoleküle und Partikel! 15-30% der Membranproteine = Carrier! spezialisierte Säugerzellen: bis zu 2/3 des Stoffwechselenergie-Verbrauchs für prozesse!

4 Grundlagen Vergleich der Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb einer typischen Säugetierzelle Ion Intrazellulär (mm) Extrazellulär (mm) Na K Mg2+ 0,5 1-2 Ca2+ 0, H+ 7x10E-5 (ph 7,2) 4x10E-5 (ph 7,4) Kationen Anionen Cl-

5 Proteinfreie LipidDoppelschichten sind für polare Moleküle hochgradig undurchlässig! Grundlagen

6 Proteinfreie LipidDoppelschichten sind für polare Moleküle hochgradig undurchlässig!!! Bsp. Na- und K-Ionen etwa 10E9 mal langsamer als Wasser Permeabilitätskoeffizient Grundlagen

7 Hauptklassen von proteinen Carrierproteine! wechseln zwischen zwei Konformationen! Solutindungsstelle abwechselnd von der einen und der anderen Seite des Lipidbilayers zugänglich

8 Hauptklassen von proteinen Kanalproteine! Ausbildung wassergefüllter Poren über die Membran! gestatten Diffusion spezifischer Solute

9 Passiver Transport (erleichterte Diffusion)! Konzentrationsdifferenz als treibende Kraft! Richtung wird durch den Gradienten bestimmt (bergab)

10 Passiver Transport (erleichterte Diffusion)! geladenen Moleküle: Beeinflussung durch Membranpotential! treibende Kraft= elektrochemischer Gradient (Konzentrationsdifferenz und Membranprotential)! synergistische oder antagonistische Wirkung

11 Passiver Transport (erleichterte Diffusion)! Enzym-Substrat-Reaktion ohne Katalyse! reversible Konformationsänderung nach Substratbindung

12 Passiver Transport (erleichterte Diffusion)! Enzym-Substrat-Reaktion ohne Katalyse! reversible Konformationsänderung nach Substratbindung

13 Transport gegen den elektrochemischen Gradienten (bergauf)! Kopplung an Stoffwechselenergiequelle (ATP-Hydrolyse, Ionengradient)! aktiver Transport nur durch Carrierproteine (Kanalproteine arbeiten immer passiv!)

14 ! Energiequellen für den aktiven Transport

15 Gekoppelter Transport! Nutzung der Energie des elektrochemischen Gradienten des einen Soluts, um das zweite bergauf zu transportieren

16 Gekoppelter Transport! Plasmamembran tierischer Zellen: Na+ - Gradient als treibende Kraft des Kotransportes (Hefen/Bakterien: H+)! Na-Ionen werden durch eine ATP-getriebene Na+/K+ ATPase wieder aus dem Cytosol gepumpt! Darm-/Nierenepithel: Vielzahl von Transportern für verwandte Zucker und Aminosäuren

17 Gekoppelter Transport Na+ - Gradient getriebene Carrier regulieren auch den cytosolischen ph-wert! direkte Ausschleusung von H+ (Na+/H+ - Austauscher)! Na+ - getriebener Cl-/HCO3 - Austauscher (Einstrom von Na+ und HCO3 gekoppelt an den Efflux von Clund H+)!! ATP-getriebene Protonenpumpen! zur Regulation des ph- Wertes! in vielen Organellen

18 Gekoppelter Transport Transport von Soluten zwischen Zellen Asymmetrische Verteilung von Carrierproteinen

19 ATP-Hydrolyse Typischerweise Ionenpumpen

20 ATP-Hydrolyse Natrium/Kalium-ATPase Na+ -Konzentration extrazellulär fach höher, K+ Konzentration revers! Antiporter, beide gegen ihren elektrochemischen Gradienten)

21 ATP-Hydrolyse Natrium/Kalium-ATPase

22 ATP-Hydrolyse Natrium/Kalium-ATPase Autophosphorylierung der Na+ /K+ ATPase! Zustände des Transporters durch An-/ Abwesenheit der Phosphatgruppe unterscheidbar! P-Typ Transport-ATPase! Ca2+- und H+-Pumpen vom P-Typ!! reversibler Mechanismus (wenn elektrochemische Energie der Na+/K+ Gradienten > chemische Energie der ATP-Hydrolyse)

23 ATP-Hydrolyse Calcium-ATPase

24 ATP-Hydrolyse H+ / K+ -ATPase (P-Typ)

25 ATP-Hydrolyse H+ / K+ -ATPase (P-Typ)

26 Osmolarität Natrium/Kalium-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt! drei Na+ - und zwei K+ Bindungsstellen! elektrogene Arbeit (Aufbau eines elektrischen Potentials mit negativ geladenem Zellinneren)! Kontrolle der Solutkonzentration in der Zelle - Regulation der Osmolarität

27 Osmolarität Natrium/Kalium-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt!

28 Osmolarität Natrium/Kalium-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt!

29 Osmolarität Natrium/Kalium-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt! Donnan-Effekt!! Die Gesamtkonzentration anorganischer Ionen ist im Gleichgewichtszustand innerhalb der Zelle größer als außerhalb!

30 Osmolarität Natrium/Kalium-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt! Problemlösung

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