Aufbau der Zellmembran Zusammensetzung

Transkript

1 Membranphysiologie

2 Die Zelle

3 Aufbau der Zellmembran Zusammensetzung Der Anteil an Proteinen, Lipiden und Kohlehydraten variiert in biologischen Membranen sehr stark: Membran Anteil an der Trockenmasse Proteine Lipide Kohlenhydrate Plasmamembran 1. Erythrocyten (Mensch) 2. Hepatocyt (Maus) Myelin Kernmembran (Hepatocyt/Ratte) Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Mitochondrium 1. äußere Membran 2. innere Membran

4 Aufbau der Zellmembran Membranlipide

5 Aufbau der Zellmembran Membranlipide - Phosphoglyceride Abb aus: S. L. Wolfe: Molecular and cellular biology. Wadsworth, Belmont, 1993, S. 155

6 Aufbau der Zellmembran Membranlipide - Phosphoglyceride

7 Aufbau der Zellmembran Membranlipide - Sphingolipide Abb aus: S. L. Wolfe: Molecular and cellular biology. Wadsworth, Belmont, 1993, S. 157

8 Aufbau der Zellmembran Membranlipide - Cholesterin Abb. aus : D. Voet, J.G. Voet : Biochemistry, John Wiley & Sons, New York, Brisbane, Toronto, Singapore 1990, S. 278.

9 Aufbau der Zellmembran Membranlipide Phospholipide aggregieren in wässrigen Lösungen zu Micellen und Liposomen Micelle Liposom

10 Aufbau der Zellmembran Das fluid mosaic model Abb. aus : J. Dudel : Grundlagen der Zellphysiologie In : R.F. Schmidt, G. Thews : Physiologie des Menschen, 26. Auflage, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg - New York 1995, S. 4

11 Aufbau der Zellmembran Wie kann die Bewegung von Molekülen in der Membran untersucht werden?

12 Transport über Membranen Wie können Moleküle auf die andere Seite der Membran gelangen? Diffusion Transport

13 Diffusion Brownsche Moelekularbewegung Random walk

14 Ficksches Diffusionsgesetz Adolf Eugen Fick ( )

15 1. Ficksches Diffusionsgesetz Zwei flüssigkeits- oder gasgefüllte Räume, in denen ein Stoff die Konzentrationen c 1 und c 2 hat, sind durch eine Schicht mit der Fläche A und der Dicke d getrennt. Wie groß ist der Fluß J des Stoffes? Lösung: Jd DA c 1 d c 2 Die treibende Kraft für die Diffusion ungeladener Moleküle ist allein der Konzentrationsgradient. Bei einem Konzentrationsausgleich findet kein Nettofluß mehr statt. Abb. aus: J. Dudel: Grundlagen der Zellphysiologie. In: Schmidt, Thews: Physiologie des Menschen, 27. Aufl., Springer Berlin, Heidelberg. NewYork 1997.

16 Diffusion Brownsche Moelekularbewegung Random walk

17 Diffusion Die durch Diffusion zurückgelegte Wegstrecke r läßt sich aus der Einstein-Smoluchowski- Gleichung berechnen Im eindimensionalen Fall gilt: Im dreidimensonalen Fall ergibt sich: D = Diffusionskoeffizient, t = Zeit Für ein kleines Molekül in Wasser (D = 10-5 cm²/s) ergeben sich damit folgende Diffusionszeiten: Zellmembran r = 7 nm t = 25 ns Zelle r = 20 µm t = 0.2 s Synaptischer Spalt r = 30 nm t = 0.5 µs Langes Axon r = 1 m t = 16 Jahre

18 Die Permeabilität Die Permeabilität (P) kennzeichnet die Fähigkeit einer Substanz eine Membran zu überqueren.

19 Die Permeabilität Die Permeabilität (P) hängt direkt vom Verteilungskoeffizienten ab. Der Verteilungskoeffizient verändert das Konzentrationsprofil der Substanz in der Membran und damit nach dem Fick schen Diffusionsgesetz die Stofftransportsrate J. 20 mm C = 10 mm 10 mm 10 mm C = 5 mm 5 mm

20 Permeabilität von Biomembranen

21 Transportprozesse über Biomembranen

22 Osmose Abb. aus : S.L. Wolfe : Molecular and cellular biology. Wadsworth, Belmont 1993, S. 192

23 Funktionsprinzip des Osmosometers Abb. aus : S.L. Wolfe : Molecular and cellular biology. Wadsworth, Belmont 1993, S. 192

24 Die Gasgesetze Nach den allgemeinen Gasgesetzen gilt: p1v 1 p0v0 T1 T0 Für n Mol eines Gases gilt unter standardisierten Bedingungen: p0vmol pv nrt mit: R T0 R ist die allgemeine Gaskonstante. V mol ist das Molvolumen eines idealen Gases. Unter Standardbedingungen ( standard temperature and pressure,stp) gilt (p=1 atm, V mol = l/mol, T= 0 C): Pa m R K J molk Unter Standardumgebungsbedingungen ( standard ambient temperature and pressure, SATP) gilt (p=10 5 Pa, V mol = l/mol, T= K) gilt: Pa m R K J molk

25 Die van t Hoffsche Gleichung Eine simple (aber nicht ganz korrekte) Herleitung der van t Hoffschen Gleichung für den osmotischen Druck einer Lösung geht von den allgemeinen Gasgesetzen aus: pv nrt Durch Umformen erhält man: p n V RT crt ist der osmotische Druck, c ist die Konzentration der gelösten Teilchen.

26 Herleitung der van t Hoffschen Gleichung Der osmotische Druck, der sich über eine semipermeable Membran ausbildet, wirkt der Diffusion des Lösungsmittels entgegen. Im Gleichgewicht lässt sich schließlich kein Nettofluss beobachten. Es gilt: 0 ( p) ( x A A A, p ) Hierbei ist das Potential der Lösung auf der jeweiligen Seite der Membran. µ 0 ist das Standardpotential des reinen Lösemittels. p ist der Dampfdruck des Lösemittles. ist der osmotische Druck, der sich im Gleichgewicht ausbildet. Es ergibt sich somit : ( p) ( p ) RT ln x 0 A 0 A 0 A ( p) ( p) 0 A p p V m A dp RT ln x V m ist das Molvolumen des reinen Lösemittels. Nimmt man an, dass es sich über den betrachteten Druckbereich nicht verändert, so ergibt sich: V RT ln m x A Es ist : x A = 1-x B. In verdünnten Lösungen kann ln(1-x B ) durch x B ersetzt werden. Man erhält somit: Vm RTx B crt A

27 Diffusion geladener Teilchen Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland, Massachusetts 1992, S.12.

28 Diffusion geladener Teilchen Das Diffusionspotential, das sich über eine semipermeable Membran ausbildet, wirkt der Diffusion entgegen. Bei einem bestimmten Potential, dem sog. Gleichgewichtspotential, läßt sich schließlich bei einer gegebenen Ionenverteilung kein Nettofluß beobachten. Wenn die Lösungen auf beiden Seiten der Membran mit bzw. bezeichnet werden, dann gilt im Gleichgewichtszustand : Hierbei ist das elektrochemische Potential des Ions auf der jeweiligen Seite der Membran. Es ergibt sich somit : 0 RT ln a zf 0 RT ln a Hierbei ist : µ 0 das Standardpotential des betrachteten Ions a die Aktivität des Ions R die allgemeine Gaskonstante (8,314 J K -1 mol -1 ) T die absolute Temperatur z die Ladung des Ions F die Faraday-Konstante (96484 C mol -1 ) Für die Potentialdifferenz = erhält man durch Umformen : RT ln a zf zf a Walther Nernst ( )

29 Diffusion geladener Teilchen Bezeichnet die intrazelluläre und die extrazelluläre Flüssigkeit, dann ergibt sich hieraus die in der Elektrophysiologie bekannte Form der Nernstschen Gleichung : E RT zf ln c c außen innen Bei Körpertemperatur (T = 310 K) vereinfacht sich die Nernstsche Gleichung zu : E 61.5mV z log c c außen innen

30 Diffusion geladener Teilchen Ionen weisen im Intra- und Extrazellulärraum meist unterschiedliche Konzentrationen auf. Ihre Gleichgewichtspotentiale sind daher von Null verschieden: Abb. aus: C. Korbmacher, R. Greger: Die Zelle als Grundbaustein. In: R. Klinke, H.C. Pape, S. Silbernagl: Physiologie, 5. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2005, S. 33

31 Gleichgewichtspotentiale Extrazelluläre Konzentration [mmol/l] Intrazelluläre Konzentration [mmol/l] Gleichgewichts -potential [mv] Na K Ca Cl H + ph 7.4 ph

32 Gleichgewichtspotentiale Liegt das Membranpotential oberhalb des Gleichgewichtspotentials eines positiven Ions, so ist der Ausstrom dieses Ions thermodynamisch begünstigt. Liegt das Membranpotential unterhalb des Gleichgewichtspotentials, so ist der Einstrom dieses Ions begünstigt. Abb. aus: C. Korbmacher, R. Greger: Die Zelle als Grundbaustein. In: R. Klinke, H.C. Pape, S. Silbernagl: Physiologie, 5. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2005, S. 25

33 Physiologie bis Mittwoch