Péter Sántha Ständige Stoff-, Energie- und Informationaustausch durch die Plasmamembran ( Interface )

Transkript

1 Membranphysiologie I. Aufbau der Plasmamembran. Transportprozesse Péter Sántha Lernzielen: 2-3 Zelle: Funktionelle und Morphologische Einheiten des Organismus Plasmamembran: Trennwand zwischen den Intrazellulären und Extrazellulären Flüssigkeitsräumen Ständige Stoff-, Energie- und Informationaustausch durch die Plasmamembran ( Interface ) Plasmamembran ist ein sehr dynamishes System Groβer Anteil der medizinischen Wirkstoffe beeinflussen die Funktionen der Plasmamebran: Lokale Anaesthetika, Beteubungsmitteln, Antiepileptische und Antiarhythmische Stoffe, Diuretika, Psychopharmaka usw. 1

2 Schematische Darstellung der Bestandteile der Plasmamebran Fluid mosaic Modell (Singer und Nicholson, 1972 ) Aufbau der Plasmamembran I. - Lipide Lipid Doppelschicht von Amphiphile (Lipoid) Molekülen: Phospholipide: Phosphatidylcholin, Phosphatidylserin, etc. gesättigte und ungesättigte Fettsäure Sphingomyelin Glykolipide: Gangliosiden Cholesterin Spontane Membran Bildung (Künstliche Membrane) + Mizellen, Lyposomen Durchlässigkeit der Lipidmembran: hydrophobe Substanzen>>hydrophyle Sbst. Plastizität: Abschnürrung, Verschmelzung, Deformation - Fluidität Lipid Rafts : Cholesterin und Glykolipid reiche Flecken (Inseln) in der Membran: Detergent Resistant Lipid Microdomain 2

3 Künstliche Membrane und Lipidstrukturen Asymmetrische Verteilung der Lipidkomponente der Plasmamembran 3

4 Neues Trend: die Lipid Raften (Flössen) Bedeutung: ein Platform für räumliche Organisation von der Elemente der Potein (und Lipid) Komplexe (Rezeptoren, Signalübertragung, Exo/Endozytose usw.) Aufbau der Plasmamembran II. - Proteine (25-70% Gewichtsanteil) Proteine sind durch den hydrophobe Wechselwirkungen in der Membran verankert -Transmembran Domaine reich an hydrophobe Aminosäuren (Val, Leu, Ile usw.) (Re-)Zirkulation der Protein (und Lipid) Komponente: Sekretionsvesikeln Gezielte Transport zur Membran: Intrazellulärer Transport ( Trafficking ) Laterale Diffusion: freie Bewegung in der horizontalen Fläche Single Partikel Imaging/Tracking Aber: laterale Diffusion kann beschränkt werden: Zytoskelett/Membranskelett Netzwerk von Strukturproteine ( Confinement ) 4

5 Beispiel: Aufbau der Glucose Transporter - 1 Molekül 12 transmembran Helix Schematische Darstellung des Membranskelets der Erythrozyten Weiter Funktionen von dem Zyto- und Membranskelett: Formbildung (Stabilität) Bewegungsformen (Zilien, Intrazellulärer Transport, aktive Kontraktionen) Vesikulärer Transport (Zytosen, Trafficking) 5

6 Intrazellulärer Transport der Membranproteine (Trafficking) Translokation von TRPV1 Protein in die Plasmamebran. Konfokale Mikroskopie Funktionen der Zellmembran Diffusionsgrenze Reguliert den Stoffaustausch (Transport-Membranproteine) Elektrische Isolierung - Isolator + Kapazitor Kommunikation Signalübertragung (Rezeptoren, Ionkanäle, Sekundäre Botenstoffe) Zellidentität - Zellspeziphysche Makromolekülen (MHC Antigene, Blutgruppe Ag. usw.) Interzelluläre Wechselwirkungen - Adhesions Molekülen (Immunologie), Gap Junction Stoffwechsel: von der Membran stammende Lipid Mediatoren : Phosphatidil Inositol (IP3) Diazylglyzerol, (Inozitol Triphosphate) Arachidonsäure: Prostaglandine, Leukotriene, endogene Cannabinoide 6

7 Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umwelt - Transportprozesse Zellinnere: Intrazelluläre Flüssigkeit (Zytoplasm) Umgebung der Zelle: Extrazelluläre Flüssigkeit (Interstizielle Flg.) Transmembran Transport Mechanismen: Diffusion Diffusion durch Ionenkanäle Erleichterte Diffusion (Karrier/Transporter Vermittelte passiver Trp.) Aktiver Transport (Pumpen) Exo-/Endozytose Transepithelialer Transport Diffusion Passiver Transport von Teilchen in Gas- oder Flüssigkeitsgefüllten Räumen Triebkraft: Konzentrationsunterschiede Kvantitative Beschreibung: Ficksches Diffusionsgezetz (Modell: 2 Räumen mit unterschiedlichen Konzentrationswerte Trennwand) 7

8 Fick sches Diffusionsgesetz: dm/dt = -D x c x A/d Dm/dt: Diffusionsgeschwindigkeit D: Diffusionskonstans A: Diffusionsfläche d: Membrandicke c: Konzentrationsdifferenz Physiologische Bedeutung: Zellphysiologie + Atemgastransport (Lunge) Filtration (Nieren) Kreislauf (Kapillarwand) Usw. Diffusionskonstant is abhängig von: Temperatur Chemische Eigenschaften der Substanzen: Lipidlösliche Substanzen hohe Permeabilität (Gasen, Ethanol, Harnstoff, Lipiden usw.) Wasserlösliche Substanzen und Ionen: Sehr gering 8

9 Hypotone Lösung Hypertone Lösung Osmose Osmotischer Druck: P osm =R x T x n/v Osmolarität von Blutplasma: 300 mmol/l 660 KPa (7x Atmospheriscer Druck!) Kolloidosmotischer Druck: Entsteht durch Makromolekülen (Kolloiden) Π Plasma = 25 Hgmm Ozmolarität (Tonizität) des Blutplasmas Osmotische Resistenz der Erythrozyten Künstliche isotonische Lösungen: 0.9% NaCl Lösung 5.5% Glukose Lösung Krebs, Ringer, Tyrode etc. Lösungen 9

10 Transporter Molekülen Ionenkanäle (und Poren: Perforin, Komplement System MAC) Karrier Proteine (passiver Vorgang:Transportern aktiver Vorgang: Pumpen) Triebkraft: Passiver: Konzentrationsdifferenz + Elektrostatischer Kraft (Ionen!!) Elektrochemische Gradient (Nernst Potenzial) Aktiver: Energie Einsatz (ATP-Spaltung) Eigenschaften: Spezifizität (Selektive Permeabilität, Substanz Bindung) Transport Umsatz/Sättigung (T max ): Zahl der Kanäle; Transportkinetik (Analogie: Enzymkinetik -Michaelis-Menten Gleichung) Temperatur Abhängigkeit Aktivierung/Regelung: Schaltverhalten - Gating (Konformationswechsel) Kovelente/Non-Kovalente Modifizierung Neusynthese/Einschleusung Selektive Hemmbarkeit (kompetitive Bindung, Kanal Blocker usw.) Kanäle: Leitfähigkeit: Ionen/s (Siemens (S): ps entspricht S) Pore Modell: Vereinfachung! (Selektivitätsfilter, Schalterdomän Gate ) Selektivität: selektive (Cl - ; K + ;Na + ) und nicht-selektive Ionenkanäle (Na + +Ca 2+ ) Rektifikation (Leitfähigkeit hängt von den Richtung des Stromes ab) Öffnung (Wahrscheinlichkeit) ist geregelt: Gating Aktivierung/Inaktivierung Spannung (Transmembran potenzial) Ligand Bindung Dehnung (Mechanorezeptoren) Temperatur (Thermorezeptoren) Intrazellulare Signale (Botenstoffe) Leaky channels diese Kanäle sind ständig geöffnet (Einstellung des Ruhepot. Wasserkanäle: Aquaporin Familie gesteuerte Wassertransport bei bestimmten Zelle (Nieren Sammelrohr System; ADH Wirkung) 10

11 Funktionelles Modell der Kanalaktivität- Wechselwirkung zwischen der Ionen und der Kanal Pore Spontane Oszillation (Konformationswechsel) des Moleküls Filtermechanismus in der Kalcium Kanäle: Karboxy Gruppen von 4 Glutamat Kette Induced fit mechanismus Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997 Beispiel I: Ligand gesteuerte Ionenkanal- Nikotinerge Azetylcholin Rezeptor (Motorische Endplatte, Vegetative Synapsen) Ionotrope Rezeptoren 11

12 Beispiel II.: Spannungssensitive Ionenkanal Na + -Kanal (Axone, Muskelzellen) Beispiel III: Rezeptorgekoppelte Ionenkanal: Muscarinerge Azetylcholin Rezeptor (Herz-SA/AV Knoten, Glattemuskelzellen, Drüssenepithel) Metabotrope Rezeptoren 12

13 Beispiel IV: Temperaturabhängige Ionenkanäle Veränderung der Temperatur verursacht die Öffnung der Ionenkanäle: Warm (Hitze) Rezeptoren (z.b. Capsaicin Rez. Paprika) Kalt Rezeptoren (z.b. Menthol Rez. Pfefferminz) Die Erhöhung des Ionenflusses ist wesentlich größer, als es würde erwartet aufgrund der thermodinamischen Wirkungen Sensorische Neuronen, Temperatur- und Schmerzempfindung Nagy und Rang J.Neusci IUPHAR-database: August: August:

14 Karrier Molekülen: Enzym Analogie: S(in) S+Carier S(aus) Transport Umsatz: <10 4 (Pumpen 10 2 ) Teilchen/s Passiv (Erleichterte Diffusion): Entlang der Konzentrationsdifferenz oder Elektrochemische Gradient (Bergab) Aktiv (primär, sekundär, tertiär): kann auch gegen der Konzentrationsdifferenz/ Elektrochemische Gradient (Bergauf) erfolgen Primär aktiv: Pumpen, ATPase-en Sekundär/Tertiär aktiv: Funktionelle Kopplung von aktiv (obligat) und passiv Transporter Molekülen Uniporter: Transport von ein Molekül (GLUT1-5: Glukose Transporter Familie) Symporter: Transport von mehreren Molekülen in gleiche Richtung (positive Flusskopplung) Antiporter: Transport von mehrere Molekülen in entgegen gesetzten Richtungen (negative Flusskopplung) Stöchiometrisches Verhältnis von transportierten Teilchen: zb.: 3 Na + aus und 2 K + ein Transport von Ionen: Elektrogen (zb. Na + /K - ATPase) oder Elektroneutral (K + /H + ATPase) Aktivität hängt von der ATP Vorrat (Energiezustand der Zelle) ab Transportkinetik: Analogie mit dem Enzymatischen Kinetik (Michaelis-Menten Gleichung) Diffusion Vmax ist Proportionel mit dem Zahl der Transportermolekülen hängt von der Geschwindigkeit des Transportvorgangs (zb.: Temperatur, Modulatoren) 14

15 Beispiel I.: Erleichterte Diffusion Glukose Transporter Molekül Beispiel II.: Primär aktiver Transport Na + -K + ATPase (Pumpe) Elektrogener Antiport Spezifischer Hemmstoff: Herzglykosiden (Digoxin, Ouabain) Digitalis - Fingerhut Wirkung der Energie (ATP) Mangel (Zb. Bei O 2 Mangel, Vergiftung) 15

16 Beispiel III.: Symport und Antiport Mechanismen Funktionälle Klassifizierung (Ion) Kanäle Protein-abhängige transmembran Transport Prozesse Uniportern Passive Transporter Proteine Kotransportern (symporters, antiporters) (Primär) aktive Pumpen (ATPaze) Beispiele Nav1.1 (Voltagegated Na channel) GLUT 2 (glucose transporters) Na-K-Cl-symporter Cl-HCO3-antiporter Na-K-ATPase Ca-ATPase MDRP Strukturelle Klassifizierung SLC Transportern Solute Carrier superfamily (48) F, P,V Typ ATPaze ABC Transportern Kanäle Transporter Proteine 16

17 Beispiel IV.: sekundär und tertiär aktive Transporten in den proximalen Nierentubuli Transport der Makromolekülen und Korpuskulare Gegenstände: Endo und Exozytose 17

18 Transepithelialer Transport: 2 Membrane 3 Kompartmente Modell Polarisierte Membran: unterschiedliche Transportmechanismen an der apikalen und basalen Membran Bedeutung: Nieren, Magen-Darm Trakt, Exokrine Drüßen, Choroidal Plexus u.s.w. Solvent drag 18