Kapitel 12 Membrantransport

Transkript

1 Kapitel 12 Membrantransport Jeder Membrantyp hat seine eigene Selektion von Transportproteinen, die nur bestimmte Stoffe reinlassen und so die Zusammensetzung des von der Membran umschlossenen Kompartimentes bestimmen. Es gibt Carrierproteine, welche Moleküle aktiv auf die andere Seite transportieren, sowie Kanalproteine, welche häufig von Ionen durchwandert werden und daher auch Ionenkanäle heissen. Die Proteine und Nukleinsäuren in der Zelle sind wegen ihren Phosphat- und Carboxylgruppen negativ geladen. Diese Makromoleküle können die Zelle nicht verlassen und werden deshalb fixierte Anionen genannt. Sie werden von einer hohen K+ Konzentration ausgeglichen Carrierproteine und ihre Funktion Abgesehen von fettlöslichen und kleinen, ungeladenen benötigen alle Moleküle Trägerproteine, um durch die Membran zu kommen. Carrierproteine sind Multipass-Transmembranproteine, das heisst, sie besitzen Polypeptidketten, welche die Membran mehrmals durchqueren. So wird ein Durchgang gebildet, der vollständig mit Protein ausgekleidet ist. * Bei Kanalproteinen ist vor allem die Grösse des Durchganges und seine elektrische Ladung für die Auswahl der Ionen verantwortlich. * Bei Carrierproteinen müssen die Moleküle genau an die Bindungsstelle passen, um transportiert zu werden. Moleküle wandern spontan von einem Bereich hoher Konzentration in einen mit niedriger Konzentration. Wenn sie durch ein Kanalprotein oder Carrierprotein wandern, nennt man es nur passiven Transport oder erleichterte Diffusion. Wenn hingegen ein Stoff gegen einen Konzentrationsgradienten transportiert werden muss, dann wird dieser Vorgang an einen Prozess gekoppelt, der Energie liefert und man nennt es aktiven Transport. Ein Glucosecarrier hat eine Polypeptidkette, welche die Membran zwölfmal durchquert. Es wechselt zufällig zwischen zwei Konformationen: In der ersten kann ein Glucosemolekül auf der einen Seite binden und in der zweiten auf der andern. So wandert die Glucose sehr selektiv in Richtung ihres Konzentrationsgradienten durch die Membran. Neben dem Konzentrationsgradienten gibt es auch noch einen elektrischen Gradienten, das Membranpotential. Die cytoplasmatische Seite ist eher negativ, also werden positiv geladene Stoffe in die Zelle hineingetrieben und umgekehrt. Weil sowohl der Konzentrationsgradient wie auch das Membranpotential Kraft auf ein Molekül ausüben, nennt man die Nettokraft den elektrochemischen Gradienten, welcher die Richtung des passiven Transportes bestimmt. Die beiden Kräfte können zu einer stärkeren Kraft addieren, wie bei Na+, welches positiv geladen ist und ausserhalb in grösserer Konzentration vorliegt und daher rein will. Sie können sich aber auch gegenseitig abschwächen, wie bei K+, welches innerhalb der Zelle eine grössere Konzentration hat und deshalb einen weniger grossen elektrochemischen Gradienten hat. Der aktive Transport kann auf drei Arten ablaufen: Gekoppelte Transportsysteme koppeln den Aufwärtstransport mit einem Abwärtstransport. ATP getriebene Pumpen bekommen ihre Energie durch die Hydrolyse von ATP. Lichtgetriebene Pumpen in Bakterien oder Pflanzen nehmen Energie aus dem Sonnenlicht auf, um Protonen zu pumpen. Die Na+K+Pumpe (Na+K+ATPase) hydrolisiert ATP zu ADP um damit Na+ aus der Zelle und gleichzeitig K+ in die Zelle zu pumpen. Diese Pumpe verbraucht 30% allen ATPs, weil sehr viele andere Pumpen an den Rückstrom von Na+ gekoppelt sind. Das Na+ ist also wie ein Stausee ein (1 von 5) :06:48

2 Energiespeicher, dessen Konzentration in der Zelle 10 bis 30 mal niedriger gehalten wird als ausserhalb. Die Bindungsstelle für K+ kann mit dem Gift Ouabain besetzt werden, wodurch die Pumpe abgestellt wird. Die Pumpe arbeitet in sechs Schritten: Na+ bindet auf der Innenseite und aktiviert die ATPase ATPase spaltet ATP zu ADP und bindet eine energiereiche Phosphatgruppe, welche zu einer Konformationsänderung führt Durch die Konformationsänderung wird Na+ an der Aussenseite freigesetzt und eine K+ Bindungsstelle geschaffen K+ bindet an der Aussenseite wodurch die Phosphatgruppe entfernt wird Durch das Entfernen der Phosphatgruppe geht die Pumpe in die ursprüngliche Konformation zurück K+ wird auf der Innenseite freigesetzt und die Pumpe fängt wieder bei Schritt Eins an. Weil die Pumpe immer einen Schritt an den nächsten koppelt, wird eine ATP Verschwendung vermieden. Es gibt drei Arten von gekoppelten Transportsystemen, welche den Gradienten eines gelösten Stoffes wie z.b. Na+ benützen, um einen anderen Stoff gegen seinen Konzentrationsgradienten zu transportieren: Symporter transportieren beide Stoff in die gleiche Richtung wie der Antriebsgradient. Antiporter transportieren in die entgegengesetzte Richtung. Uniporter transportieren nur einen Stoff in Richtung seines Gradienten. In der apikalen Membran einer Darmzelle befinden sich GlucoseNa+Symporter, welche selbst aus kaum glucosehaltiger Nahrung aktiv Glucose reinpumpen. An der basalen Seite dagegen braucht es nur Uniporter, welche die Glucose in den Rest des Körpers rauslassen. Sehr wichtig ist auch der Na+H+Antiporter, welcher als Protonenpumpe den ph-wert im Cytosol kontrolliert. Osmose ist Wanderung von Wassermolekülen von einem Ort hoher Wasserkonzentration zu einem Ort niedriger Wasserkonzentration. Um das osmotische Gleichgewicht zu bewahren und so die Zelle vor dem Platzen durch Wassereinströmung zu bewahren, müssen ständig unerwünschte Stoffe beispielweise mit der Na+K+Pumpe rausgepumpt werden. Pflanzen haben eine stabile Zellwand und können daher eine hohe osmotische Druckdifferenz über die Plasmamembran aushalten. Mit diesem regulierbaren Turgordruck halten die Pflanzen ihren Stängel aufrecht, die Blätter ausgebreitet und regulieren den Gasaustausch über das Stomata, die mikroskopischen Öffnungen auf den Blättern. Da der Einstrom von Ca2+ beispielsweise als Signal für die Muskelkontraktion gebraucht wird, muss die Ca2+ Konzentration in der Zelle möglichst niedrig gehalten werden. Die Ca2+Pumpe funktioniert ähnlich wie die Na+K+Pumpe und wird auch von ATP angetrieben. Bakterien benutzen einen H+ anstelle eines Na+-Gradienten wie die Tiere. Ihre H+Pumpen funktionieren ähnlich wie die Na+Pumpe der Tiere entweder mit ATP, Licht oder gekoppelt an die letzten Schritte der Zellatmung. In den Lysosomen der Tiere hat es eine andere H+ATPase, welche innerhalb des Organells einen saueren ph-wert erzeugt Ionenkanäle und Membranpotential Ionenkanäle lassen im Gegensatz zu wassergefüllten Poren nur ganz bestimmte Ionen durch. Sie erreichen dies durch eine ganz spezifische Grösse des Kanals und durch die Verteilung der geladenen (2 von 5) :06:48

3 Aminosäuren auf der Innenseite des Kanals. Die Kanäle sind so eng, dass die Ionen mit der Wand in Kontakt treten müssen, was sie nur können, wenn sie genau reinpassen. Der Ionenfluss wird mit zunehmender Ionenkonzentration immer schneller. Ionenkanäle können von der Zelle geöffnet und geschlossen werden und sie transportieren 1000 mal schneller als Carrierproteine. Wenn ein Ionenkanal plötzlich geöffnet wird, dann führt dies zu einem elektrischen Ladungspuls, welcher andere Ionenkanäle dazu bringt, sich auch zu öffnen. Diese Depolarisierung des Membranpotentials kann sich sehr schnell über die Zellmembran ausbreiten, was von vielen Lebwesen zur Signalübermittlung verwendet wird. Mit Hilfe der Patch-clamp-Registrierung kann der elektrische Strom, der durch ein einziges Kanalmolekül fliesst, gemessen werden. Dabei führt man eine flüssigkeitsgefüllte Pipette auf die eine und einen Metalldraht auf die andere Seite der Zellmembran und kann dann den Strom messen sowie das Membranpotential auf einen beliebigen Wert einstellen, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf das Öffnen und Schliessen der Kanäle hat. Durch einen einzigen Ionenkanal fliesst ein Strom von ApÖre. Man hat festgestellt, dass der Strom sogar unter konstanten Bedingungen immer wieder vollständig an- undabgeschaltet wird. Dies kommt daher, dass das Protein ständig zufällig zwischen einer offenen und geschlossen Konformation schwankt. Die Steuerung der Proteine verändert seine Wahrscheinlichkeit, länger in einer bestimmten Konformation zu bleiben. Es wurden mehrere hundert Arten von Ionenkanälen gefunden, welche sich darin unterscheiden, welche Ionen sie durchlassen und wie sie reguliert werden: Spannungsregulierte Kanäle lassen ihre Öffnungs-Wahrscheinlichkeit vom Membranpotential kontrollieren. Sie haben Spannungssensoren aus geladenen Proteindomänen. Ligandenregulierte Kanäle werden durch die Bindung eines Moleküls aktiviert. Mechanisch regulierte Kanäle werden von einer mechanischen Kraft reguliert, z.b. die Haarsinneszellen im Ohr. Die Zelle gleicht die negativen Ladungen ihrer vielen organischen Moleküle mit K+ aus, was zu einer hoher K+ Konzentration innerhalb der Zelle führt. In der Plasmamembran hat es K+-Sickerkanäle, welche die Membran im Ruhezustand sehr durchlässig für K+ machen. Deshalb fliesst K+ seinem Konzentrationsgradienten nach aus der Zelle und erzeugt eine unausgeglichene negative Ladung an der Innenseite der Membran. Diese erzeugt ein elektrisches Feld namens Membranpotential (-20 bis Ò200mV), welches im nach einer Millisekunde erreichten Gleichgewichtszustand das weitere Ausströmen von K+ entlang des Konzentrationsgradienten unterbindet. Der elektrochemische Gradient von K+ ist also Null, obwohl im innern der Zelle eine viel grössere K+ Konzentration vorliegt. Wenn nur die Na+-Kanäle geöffnet werden, kann das negative Ruhepotential sehr schnell bis ins Positive geändert werden Ionenkanäle und Signalweiterleitung in Nervenzellen Ein Neuron, welches sie Aufgabe hat, Signale zu empfangen und weiterzuleiten, besteht aus einem Zellkörper mit dem Zellkern, einem langen signalleitenden Axon und kürzere, verzweigte Dendriten. Das Axon spaltet sich an seinem Ende in viele zweigartige Nervenendigungen auf, so dass ein Signal an sehr viele Zielzellen weitergegeben werden kann. Auch die Dendriten haben sehr viele Verzweigungen, so dass ein Neuron bis zu 100'000 Signale empfangen kann. Das Signal besteht immer aus einer elektrischen Potentialänderung an der Plasmamembran, egal was es bedeutet. Für die Weiterleitung eines Signals durch das Axon muss das Signal verstärkt werden. Dies wird (3 von 5) :06:48

4 dadurch erreicht, dass die lokale elektrische Anregung an der Plasmamembran verstärkt wird, sobald sie stark genug ist. So kann sich das Signal über das ganze Axon ohne Abschwächung fortpflanzen, da es immer aufgefrischt wird. Man nennt es Aktionspotential oder Nervenimpuls und es erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 100 m/s. Wenn ein Reiz eine genügend grosse Depolarisierung auslöst, dann öffnen sich spannungsregulierte Na+-Kanäle, was zu einer weiteren Depolarisierung und dem Öffnen zusätzlicher Na+-Kanäle führt. Das schaukelt sich so bis +40mV hoch, wenn die elektrochemische Antriebskraft für das vormals hereinströmende Na+ gleich Null ist. Da zu dem Zeitpunkt alle Na+-Kanäle geöffnet sind, haben diese einen Timer von einer Millisekunde, nach welcher sie sich für einige Millisekunden schliessen, bis das Ruhepotential wieder erreicht ist. Etwa zu dem Zeitpunkt, wenn sich die Na+-Kanäle schliessen, öffnen sich die spannungsabhängigen K+-Kanäle und bringen die Zelle auch mit Hilfe der K+-Sickerkanäle wieder in den Ruhezustand zurück. An den Nervenendigungen, also der Kontaktstelle (Synapse) mit einer andern Nervenzelle, löst das Depolarisierung das Öffnen der dort konzentrierten Ca2+-Kanälen aus. Durch den Anstieg der Ca2+ Konzentration fusionieren die synaptischen Vesikel mit der Plasmamembran und schütten Neurotransmitter aus, welche dann vom präsynaptischen Neuron über den 20 nm breiten, isolierenden synaptischen Spalt zur postsynaptischen Nervenzelle diffundieren. Der Neurotransmitter bindet dort an Neurotransmitter-Rezeptoren, was zu einer Membranpotentialänderung und unter Umständen zu einem Aktionspotential führt. Nachher werden die Neurotransmitter sehr schnell durch Enzyme im synaptischen Spalt abgebaut oder durch Wiederaufnahme in die Neuronen entfernt. Es gibt verschiedene Neurotransmitter-Rezeptoren, manche bewirken eine schnelle und andere langsame Veränderung der Membranpotential. Die schnellen sind ligandenregulierte Ionenkanäle, die sich bei Bindung eines Neurotransmitters öffnen. Neurotransmitter von erregenden Neuronen erzeugen in der postsynaptischen Zelle ein Aktionspotential und solche von inhibitorischen Neuronen verhindern ein Aktionspotential. Das Gift Curare verhindert die Übertragung erregender Signale, führt also zu Lähmungen und das Gift Strychnin verhindert die Übertragung von hemmenden Signalen, was zu Muskelkrämpfen führt. Neurotransmitter Wirkung Rezeptor-Ionenkanal Acetylcholin Erregend Na+ und Ca2+ Glutamat Erregend Na+ und Ca2+ GABA Hemmend (4 von 5) :06:48

5 Cl- Glycin Hemmend Cl- Valium bindet an Cl- Kanäle, wodurch sie leichter von GABA geöffnet werden könne, was die hemmenden Signale begünstigt. Die chemischen Synapsen machen es unseren den verschiedenen Neuronentypen im Gehirn möglich, aus tausenden von eingehenden hemmenden und erregenden Signalen die richtige Reaktion über das Membranpotential auszurechnen. Die Ionenkanäle in den Synapsen verändern sich mit ihrem Gebrauch, wodurch unser Gehirn Erinnerungen speichern kann. (c) by Nick Fankhauser (5 von 5) :06:48