Kapitel 8, Membranstruktur und Funktion Verschiedene Modelle von Membranen, science as a process Die Hauptbestandteile der Membrane sind Lipide, Proteine und Kohlenhydrate. Im Laufe der Zeit haben verschiedene Modelle für die Membranstruktur gedient. Eines der wichtigsten war das Davson-Danielli Modell (1935). Es gleicht einem Sandwich, wobei die Proteine das Brot sind, die Hydrophile Zone die Butter und die Hydrophobe Zone das Fleisch ist. Dieses Modell hat allerdings seine Schwächen, da nicht alle Membrane gleich sind. Der grösste Fehler ist aber die Platzierung der Proteine, denn so liegen die hydrophoben Seiten im Wasser! Das derzeit anerkannte Modell wird als flüssig-mosaik-modell oder Singer- Nicolson-Modell bezeichnet. Es besteht aus einzelnen Proteinmolekülen, die in einer flüssigen Doppelschicht aus Phospholipiden schwimmen. Phospholipide sind sogenannte Zwittermoleküle, da sie einen hydrophilienund einen hydrophoben Bereich haben. Überzeugende Beweise für diese Modell gewann man mit dem elektronenmikroskopischen Präparationsverfahren des Gefrierätzens. Methode des Gefrierätzens: 1. Man friert das Material ein und bricht die Zelle mit einem kalten Messer auf 2. Das Präparat bricht in der Ebene der geringsten Widerstandes. Dies ist das hydrophobe Innere einer Membran, so dass die Lipiddoppelschicht in P-(plasmatische) und E-(externe) Fläche gespalten wird. 3. Membranproteine zerbrechen dabei nicht, sondern bleiben in einer der beiden schichten haften. 4. Die Oberflächenstruktur der Bruchflächen kann durch Ätzen stärker hervortreten, wobei das Wasser durch Sublimation entfernt wird. 5. Ein feiner Platinnebel wird schräg auf die Bruchfläche gesprüht, wobei ein Abdruck der Oberfläche entsteht. Mit einem Kohlefilm obendrauf wird der Abdruck verstärkt. 6. Der Abdruck wird dann im EM betrachtet Das Membran ist ein flüssiges Mosaik mit Lipiden, Proteinen und Carbohydraten Flüssig weil: Ein Membran wird durch die hydrophoben Wechselwirkungen zusammengehalten. Die meisten Lipide und auch einige Proteine driften umher. Sie drehen sich um die Längsachse oder verschieben sich seitwärts. Da die Proteine grösser sind als die Lipide sind sie auch langsamer in der Bewegung, wobei diese auch noch von der Temperatur abhängig ist. Das Membran kann sich bei sinkender Temperatur gelartig verfestigen. Der Festigungspunkt hängt von der Lipidzusammensetzung ab. Je mehr Phospholipide mit ungesättigten Fettsäuren vorhanden sind, desto kälter kann es sein, ohne dass der Festigungspunkt erreicht wird. Fluidität
Das Steroid Cholesterol ist zwischen den Phospholipidmolekülen eingelagert und trägt zur Stabilisierung der Membranfluidität bei. Membrane müssen flüssig sein, um richtig funktionieren zu können! Mosaik weil: Das Membran ist ein strukturelles und funktionelles Mosaik. Die Lipiddoppelschicht ist der Hauptstrukturteil der Membrane. Die Proteine sind für spezifische Membranfunktionen zuständig. Es gibt zwei Hauptgruppen von Membranproteine. Integral Membranproteine: sind meist transmembrane Proteine, sie überspannen den hydrophoben Innenteil vom Membran. Das hydrophile Ende des Proteins liegt in der wässrigen Lösung auf der anderen Seite des Membran. Peripheral Membranproteine: sind an die Oberfläche des Membrans gebunden Membrane haben eine Innen- und Aussenseite, die sich in der Lipidzusammensetzung, der Orientierung der Proteine und den gekoppelten Kohlenhydraten unterscheiden. Zell-Zell Erkennung und Membrane Carbohydrate: Die Zell-Zell Erkennung, das Unterscheiden der verschiedenen Nachbarzelltypen ist entscheidend für das Funktionieren von einem Organismus, z.b. für die Abstossung fremder Zellen bei Transplantationen. Die Erkennungspunkte sind Moleküle (meist Carbohydrate) auf der Oberfläche der Zellmembran. Diese Membrandgebundene Carbohydrate sind in der Regel verzweigte Oligosaccharide mit weniger als 15 Zuckerbausteinen. Oligosaccharide haben je nach Typ oder Zelle unterschiedliche Struktur und unterschiedliche Positionen auf der Zelloberfläche und dienen deshalb gut als Unterscheidungsmerkmal für Zellen. Beispielsweise unterscheiden sich die 4 Blutgruppen in den Oligosacchariden an der Oberfläche der roten Blutzellen. Verschiedene Transporte durch Membrane Die Zelle benötigt einen umfangreichen Austausch kleiner Nährstoff- und Abfallmoleküle, Atmungsgase und anorganischen Ionen. Das Plasmamembran reguliert den Transport dieser Substanzen selektiv permeabel Hydrophobe Substanzen passieren die Membran leicht und schnell, weil sie sich in der Lipiddoppelschicht lösen. Auch kleine Moleküle, welche polar und nicht geladen sind (bsp. Wasser und Ethanol), können die Membran rasch durchdringen. Die grösseren polaren und nicht geladenen Moleküle (div. Zucker), aber auch Ionen (H+, Na+) benötigen dazu besondere Transportproteine, welche Kanäle schaffen. Transportproteine sind sehr spezifisch. Sie durchspannen das ganze Membran und bilden entweder hydrophile Kanäle oder binden ihre Fracht an sich und bewegen sich so durchs Membran. Passiver Transport ist Diffusion durch die Membran Die Diffusion ist die spontane Bewegung von Teilchen entsprechend ihrem eigenem Konzentrationsgefälle. Eine einfache Regel: Die Moleküle einer
Substanz bewegen sich immer spontan von einer hohen Konzentration zu der niedrigen Konzentration Konzentrationsausgleich Konzentrationsgradient (Gefälle) Besteht auf beiden Seiten die gleiche Konzentration, so ist das Fliessgleichgewicht erreicht. Das ganze wird als passiver Transport bezeichnet, weil die Zelle keine Energie dabei aufwenden muss. Das Konzentrationsgefälle selbst stellt potentielle Energie dar und treibt so die Diffusion an. Osmose ist der passive Transport von Wasser Wasser strömt durch ein Membran von der Seite mit geringerer Konzentration (hypotonisch) zu der Seite mit höherer Konzentration (hypertonisch). An Membranen, die Lösungen mit gleicher Konzentration trennen (isotonisch), findet keine Osmose statt. Leitungswasser ist hypertonisch im Vergleich zu dest. Wasser, aber hypotonisch im Vergleich zum Meerwasser. Dabei kommt es nur auf die Zahl der gelösten Teilchen an, nicht auf die Art der Teilchen. Das Überleben der Zelle hängt von einem ausgeglichenen Wasserhaushalt ab Bei Zellen ohne Zellwände: Bei einer tierischen Zelle mit einem isotonischen Umfeld, fliesst das Wasser gleich schnell und gleich viel in beide Richtungen. Wird dieselbe Zelle in ein hypertonisches Umfeld gebracht, verliert sie Wasser und stirbt evt. ab. Wird die Zelle in ein hypotonisches Umfeld gebracht, tritt das Wasser schneller ein als es rausgeht und die Zelle platzt. Leben solche Zelle nun nicht in einem isotonischen Umfeld, müssen sie eine Anpassung besitzen, die sogenannte Osmoseregulation (Steuerung des Wasserhaushaltes). Bei Zellen mit Zellwände: Die Zellen mit einer elastischen Zellwand (Pflanzen, Prokaryoten, Pilze und einige Protisten) sind turgeszent im hypotonischen Umfeld,(falls es regnet) da die Zellwand das Platzen der Zelle verhindert. Die Zelle nimmt zwar Wasser auf, aber nur soviel, wie sich die Zellwand dehnt. Sind solche Zellen in einem isotonischen Umfeld angesiedelt, nehmen sie zwar Wasser auf, aber nicht genug und die Pflanze verdorrt. Keinen Vorteil bietet die Zellwand im hypertonischen Umfeld. Sie verliert hier, wie die tierische Zelle Wasser. Allerdings löst sich hier die Plasmamembran von der Zellwand ab. Dieses Phänomen wird Plasmolyse genannt. Spezifische Proteine erleichtern den passiven Transport ausgewählter gelöster Substanzen Erleichterte Diffusion heisst, wenn Moleküle oder Ionen Transportproteine (TP) benötigen, um den Austausch der Zelle zu garantieren. Wobei die in Wasser gelösten Substanzen entsprechend ihrem Konzentrationsgefälle fliessen. Ein TP hat Ähnlichkeiten mit einem Enzym. Beispielsweise kann ein TP nur Moleküle oder Ionen transportieren, worauf es spezialisiert ist. Andererseits, nicht wie Enzyme, katalysieren TP's physikalische Prozesse. TP machen wahrscheinlich eine Konfirmationsänderung (Formveränderung) durch, damit die Bindungsstelle für die gelöste Substanz von der anderen
Membranseite aus zugänglich ist. Ausgelöst wird dieser Vorgang durch Bindung und Freisetzung des transportierenden Ions, bzw. Moleküls selbst. Andere TP funktionieren als gated channels, sie stimulieren den Kanal sich zu öffnen oder zu schliessen. Dies kann auf chemischer oder elektrischer Basis stattfinden. Diffusion, Osmose und erleichterte Diffusion sind passive Transportvorgänge, die von der Zelle keinen Energieaufwand erfordern! Aktiver Transport ist das Pumpen eines gelösten Stoffes entgegen seinem Konzentrationsgefälle Um ein Molekül entgegen seinem Konzentrationsgefälle (sprich aufwärts ) durch eine Membran zu pumpen, benötigt die Zelle Energie (ATP), deshalb heisst dieser Vorgang aktiver Transport. Für diesen Transport werden spezifische Proteine, die Carrier benötigt. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein spezieller Fall von aktivem Transport. Diese Pumpe wechselt zwischen zwei Konformationszuständen. In solch einem Pumpzyklus werden jeweils 3 Na+ aus der Zelle heraus und 2 Ka+ aus der Umgebung hineingepumpt. ATP spendet die notwendige Energie für die Konformationsänderung. Ionenpumpen erzeugen an der Plasmamembran ein elektrisches Potential Alle Zellen haben elektrisches Potential an der Plasmamembran. Das Cytoplasma einer Zelle ist negativ geladen verglichen mit dem extracellular fluid, da die Anionen und Kationen beiderseits der Membran ungleichmässig verteilt sind. Diese elektrische Spannung nennt man Membranpotential und liegt ca. Bei 50 bis 200 Millivolt. (das Minus zeigt, dass das Zellinnere im Vergleich zu aussen negativ ist) Das Membranpotential reagiert wie eine Batterie. Eine Energiequelle, welche den passiventransport der Anionen aus der Zelle und die Kationen hinein in die Zelle begünstigt. Somit sind hier zwei Kräfte vereinigt, einerseits die chemische Kraft (Konzentrationsgefälle) und andererseits die elektrische Kraft (Membranpotential). Diese Kombination nennt man den elektrochemischen Gradienten, er entscheidet über die Diffusionsrichtung der Ionen. Beispiel: die Konzentration von Na+ in einer ruhenden Nervenzelle. Elektrogene Pumpen wie die Natrium-Kalium- oder die Protonenpumpe (bei Pflanzen, Bakterien und Pilzen) sind TP, die an einer Membran eine elektrische Spannung Membranpotential aufbauen. Beim Cotransport koppelt ein Membranprotein den Transport zweier gelöster Stoffe Manche Membranproteine können gleichzeitig zwei gelöste Substanzen transportieren, indem sie die bergab verlaufende Diffusion der einen mit dem bergauf -Transport der anderen koppeln. Je nachdem, ob die beiden Transporte gleichgerichtet oder entgegengesetzt verlaufen, spricht man von einem Symport oder Antiport. Pflanzenzellen nutzen den von ihren Protonenpumpen aufgebauten Protonengradienten um den aktiven Transport von Aminosäuren, Zuckern und anderen Nährstoffmolekülen ins Zellinnere zu bewerkstelligen. Ein
spezifisches TP koppelt beispielsweise den Rückfluss der Protonen an den Transport von Saccharose in die Zelle. Exocytose und Endocytose transportieren grosse Moleküle Wasser und kleine Moleküle gehen ein und auswärts bei der Zelle durch die Lipiddoppelschicht des Plasmamembrans oder sie werden gepumpt oder mit TP durch die Zelle transportiert. Grosse Moleküle, wie Proteine und Polysaccharide haben einen anderen Mechanismus um die Zellen zu durchwandern, mit Hilfe von Vesikel. Die Zelle setzen Makromoleküle frei, wenn die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen Exocytose Makromoleküle und Substratpartikel gelangen in die Zelle, dazu dienen Vesikel, sie sich von der Plasmamembran nach innen abschnüren. Die Schritte sind grundsätzlich die Umkehrung der Exocytose Endocytose Es gibt 3 verschiedene Typen der Endocytose: 1. Phagocytose: die Aufnahme grosser Partikel oder ganzer Zellen (zelluläres essen) 2. Pinocytose: die Aufnahme winziger Flüssigkeitströpfchen aus dem die Zelle umgebenden Medium mit allen darin gelösten Stoffen (zelluläres trinken) 3. rezeptorvermittelte Endocytose: die Aufnahme von spezifischen Substanzen, die an Rezeptorproteine in coated Pits (besondere Membrangruben, die auf der Cytoplasmaseite mit einer Proteinschicht bedeckt sind) binden. Die rezeptorvermittelte Endocytose ist ein sehr spezifischer Vorgang. In die Membran sind Rezeptorproteine mit spezifischen Erkennungsstrukturen eingelagert, die in die extrazelluläre Flüssigkeit ragen. Die von aussen kommenden Substanzen, welche an eine solche Stelle binden, sind die Liganden. Mit Hilfe von der rezeptorvermittelte Endocytose kann eine Zelle bestimmte Substanzen in grosser Menge aufnehmen, auch wenn deren Konzentration im extracellular fluid nicht sehr gross ist. Auf diese Weise funktioniert z.b. die Cholesterinbeschaffung. Cholesterin wird zur Bildung der Membrane und als Vorstufe zur Synthese anderer Steroide gebraucht. Vesikel dienen nicht nur zum Transport der Substanzen durch die Plasmamembran, durch sie wird diese auch ständig regeneriert.