Zellbiologie (Fach) / Membrantransport/Endomembransystem (Lektion)

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• Selektive Permeabilität einer Doppellipidschicht Gase - CO2, N2, O2 kleine ungeladene polare Moleküle - Harnstoff, Ethanol Wasser große ungeladene polare Moleküle - Glucose Ionen, geladene polare Moleküle - K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, HCO3-,..
• Membrantransport - Beobachtung es bestehen Konzentrationsunterschiede von Substanzen über die Membran die Konzentrationsunterschiede werden von Membranproteinen reguliert bei unterschiedlichen Konzentrationen von Ionen stellen sich Ladungsunterschiede ein (→elektrochemische Gradienten) Die Energie, die in diesen Ionen-Ungleichgewichten steckt, wird von der Zelle für viele Transportprozesse genutzt! Bsp: Regulation des Zellvolumens pH-Wert und Ionenzusammensetzung werden in einem engen Bereich konstant gehalten → günstiges Milieu für enzymatische Aktivitäten Aufnahme von Energieträgern und Stoffwechsel-Intermediaten aus der Umgebung Eliminierung toxischer Substanzen aus der Zelle Signalweiterleitung (Erregbarkeit von Muskeln und Nerven, Hormone, ...)
• Transportarten Membrantransportproteine in Richtung eines bestehenden Konzentrationsunterschiedes - einfache Diffusion - erleichterte Diffusion gegen einen Konzentrationsunterschied - primär aktiver Transport (direkt ATP-Verbrauch) - sekundär aktiver Transport (ATP-verbrauchender Schritt nachgeschaltet) Kategorie 1: ATP-getriebene Pumpen transportieren Ionen unter ATP-Verbrauch gegen ihre elektrochemischen Gradienten Kategorie 2: Ionenkanäle Bewegung von Ionen entlang ihres elektrochemischen Gradienten Kategorie 3: Transporter Erleichtern den Transport kleiner organischer Moleküle und von Ionen
• Ionenpumpen - Membrantransport ATP-getriebene Pumpen sind Transmembranproteine, die die Energie der ATP-Hydrolyse dazu verwenden, Ionen gegen einen chemischen Konzentrationsgradienten über eine Membran zu transportieren. = Beispiel für die Kopplung zweier chemischer Reaktionen:A: energetisch ungünstig - Transport von Ionen "bergauf"; also gegen den KonzentrationsgradientenB: energetisch begünstigt - Hydrolyse von ATP zu ADP + PiBeispiele: Ca2+-Pumpen, Na+-Pumpen, ProtonenpumpenTransportleistung: 10 - 103 Ionen pro sec.
• Kanalproteine - Membrantransport geschlossen ⇔ offen Bilden eine Art von Proteinkanal durch die Membran durch den Kanal können sich viele Ionen gleichzeitig sehr schnell bewegen Spezialisierung auf den Transport einer Art von Ionen Öffnung in Antwort auf spezifische Signale (elektrisch, chemisch, mechanisch) Vorkommen: in allen eukaryontischen Zellen (z.B. Nervenzellen - Antwort auf Neurotransmitter) Transportleistung: 106 - 108 Ionen pro Sekunde Konzentrationsgradient - hohe Konz. innen, niedrige ausser Filter - Sensor - Gate Sensor - Reiz → Konformationsänderung = Gate öffnet sich - Konzentrationsgefälle
• Transporter - Membrantransport Transportieren eine große Bandbreite von Ionen und kleinen organischen Molekülen über MembranenMechanismus: Bindung eines oder weniger Substratmoleküle Konformationsänderung ohne ATP-Verbrauch dadurch Transport der gebundenen Substratmoleküle durch die Membran Freisetzung der Substratmoleküle. Weil Konformationsänderungen in den beteiligten Transporter-Proteinen notwendig sind, ist diese Form des Transportes sehr langsam.Transportleistung: 102 - 104 pro sec. Man unterscheidet drei Gruppen von Transportern:UniporterSymporterAntiporter
• Uniporter Uniporter transportieren ein Molekül in Richtung des Konzentrationsgradienten.Beispiel: Transport von Aminosäuren oder Glucose über die Cytoplasmamembran in die Zelle Bsp: Glucose-Transporter Modell für die Funktionsweise des Glucose-Uniporters: Wechsel zwischen zwei Konformationen:Konformation 1: Glucose-Bindungsstelle auf der ZellaußenseiteKonformation 2: Glucose-Bindungsstelle auf der Zellinnenseite. Transporter in "Grundstellung" = Glucose-Bindungsstelle außen Bindung von Glucose Konformationsänderung- → äußere Bindungsstelle ist inaktiviert-Glucose ist jetzt an der zum Zellinneren gewandten Seite gebunden-Glucose wird zum Zellinneren hin freigesetzt Transporter macht die umgekehrte Konformationsänderung durch  Grundzustand mit außen liegender Bindungsstelle ist wieder erreicht.
• Antiporter - Symporter Kopplung zweier Transportreaktionen ein Ion oder Molekül wird gegen den Konzentrationsgradienten transportiert = energetisch ungünstige Reaktion gleichzeitig wird ein zweites Ion/Molekül in Richtung des Konzentrationsgradienten transportiert = energetisch günstige Reaktion Typischerweise 100 - 10.000 Moleküle/Sek Na+-Glucose-SymporterNa+ nach innen günstig, Glucose nach innen ungünstig (energetisch) AntiporterBeispiel: Transport von Protonen nach außen, Natriumionen nach innen Protonen nach aussen günstig, Na+ nach innen ungünstig
• Import von Glucose aus dem Dünndarm (= transzellulärer Transport) Darmlumen → Transport in die Epithelzellen → Export ins Blut (bei höherer zellulärer Glucose-Konzentration!) Der Transport verläuft in mehreren Stufen:1. Import von Glucose auf der apikalen Seite der Epithelzellen: Natrium - Glucose - Symporter Die Na+ Konzentration ist im Inneren der Zelle niedriger als im Darmlumen, die Glucosekonzentration höher = Glucose gegen den Konzentrationsgradienten - Natrium mit dem Konzentrationsgradienten Das aus dem Konzentrationsunterschied von Na+ resultierende elektrochemische Potential liefert die treibende Kraft zur Aufnahme der Glucose! → Cotransport von 2 Na+ und 1 Glucose  → Glucose kann in der Zelle akkumuliert werden (bis zu 30.000-fach!), solange ein Konzentrationsunterschied für Na+ besteht! 2. Alle Na+ Ionen, die apikal gemeinsam mit Glucose in die Zelle gelangen, werden auf der basolateralen Seite hinausgepumpt: Na+/K+ ATPase (Na+/K+ Pumpe) 3. Die in den Zellen konzentrierte Glucose gelangt durch ein Uniport Transportprotein über die basolaterale Membran zu den Verbrauchern.
• Membranfluss - Vesikel E → P 1. Membran zeigt eine "Delle" 2. die künftige Form des Vesikels zeichnet sich ab 3. das Vesikel hängt nur noch an einem "Stiel" an der Membran 4. das Vesikel hat sich abgeschnürt E ← P Vesikel dockt an und fusioniert mit der Membran
• Proteine im Membranfluss Zielfindung - Sortierung Signalsequenzen Topologie/Orientierung der Membranproteine Die extraplasmatische Seite der Vesikel ist innen - die extrazellulären Teile der Membranproteine liegen im Inneren der Vesikel! Membranfusion Abschnürung von Vesikeln (Exocytose, Endocytose); Abschnürung von Tochterzellen nach Zellteilung; Zellfusion zu Syncytien; Fusion von Vesikeln
• Endoplasmatisches Reticulum (ER) das größte Membransystem einer eukaryonten Zelle lockeres Netzwerk flacher Zisternen, oft zu Röhren verengt; bildet ein Kontinuum mit der Perinuklearzisterne ER-Exit-Vesikel liegen an der Peripherie der Zelle bei starker Entwicklung sogar im LiMi erkennbar (Drüsenzellen)→ rauhes ER (rER) - mit Ribosomen besetzt→ glattes ER (sER) Funktionen: rER: Synthese von Membranproteinen und sezernierter Proteine Modifikation von Proteinen (z. B. Core-Glycosylierung) sER: Synthese von Fettsäuren und Phospholipiden, Entgiftung (Leber)
• Endoplasmatisches Reticulum (ER) - Synthese und Einbau von Lipiden Die Synthese von Phospholipiden erfolgt an bereits vorhandenen Membranen, genauer an der Grenzfläche Membran - Cytosol.- Bakterien: Cytoplasmamembran- Eukaryoten: sER→ neu synthetisierte Lipide werden auf der cytoplasmatischen Seite der Membran eingebaut Beobachtung:Lipide werden sehr schnell nach der Synthese auf beide Hälften der Membran verteilt. Wie?In der ER Membran sitzen Enzyme, die den Austausch zwischen den Membranhälften katalysieren!
• Golgi Apparat/Komplex (GA) Gesamtheit aller “Dictyosomen” einer Zelle (manche Algen - 1 D., Leberzelle - bis 250 D., pflanzliche Wurzelzellen bis einige 100) stapelförmig angeordnete, flache Membranvesikel asymmetrische, polare Struktur cis-Seite - Bildungsseite, weist zum ER (proximal; convex) trans-Seite - Sekretionsseite (distal; concav) Membranfluß in Form von Vesikeln von der cis-Seite zur trans-Seite Polarität auch in Bezug auf Enzymausstattung und Kohlenhydratanteil Grundlegende Funktion: Modifikation zu sezernierender Proteine (hauptsächlich Glycosylierung) und Sortierung.
• O-Glycosylierung im Golgi Sial→               Gal → GalNAc → Ser (Kette)Sial→
• An der Proteinsekretion hauptsächlich beteiligte Kompartimente Endoplasmatisches Reticulum (ER) ER - Golgi Transitvesikel Golgi Komplex Trans-Golgi Netzwerk sekretorische Vesikel
• Proteinsekretion Synthese zu sezernierender Proteine am rER Vom ER werden kleine Transitvesikel abgeschnürt (mit den synthetisierten Proteinen als Inhalt). Die Versikel werden zur cis-Seite des Golgi-Apparates transportiert. Der Weitertransport erfolgt von Zisterne zu Zisterne des Golgi-Apparates zur Trans-Seite - ebenfalls in Form von Vesikeln. Im Trans-Golgi-Netzwerk (TGN) erfolgt die weitere Sortierung in sekretorische Vesikel.Proteinsekretion
• Proteinsekretion - Regulierte Sekretion Der Inhalt wird in Vesikeln gespeichert. Die Freisetzung des Inhaltes erfolgt erst nach einem Stimulus. Bsp.: Endokrine Zellen des Pankreas - Insulin, Glucagon; neurosekretorische Zellen - Endorphine
• Proteinsekretion - Kontinuierliche Sekretion Der Inhalt dieser Vesikel des TGN wird durch Fusion mit der Zellmembran ständig freigesetzt Bsp.: Hepatocyten - Proteine des Blutserums Bindegewebszellen - Collagen (ECM)
• Wie kommen die Proteine eigentlich in das ER? Wie überwinden sie die Membran? Die zu sezernierenden Proteine werden bereits während ihrer Synthese durch die Membran geschleust bzw. in diese eingebaut - das ist energetisch am günstigsten! im Grundzustand ist das ER nicht mit Ribosomen besetzt, sondern die Ribosomen sind frei im Cytoplasma (die Proteinsynthese beginnt also immer an freien, cytoplasmatischen Ribosomen!) frisch synthetisierte Proteine beginnen sich zu falten, sobald Teile aus dem Ribosom herausgucken! diese Faltung ist energetisch ein begünstigter Zustand des Proteins, der über verschiedene Bindungen stabilisiert wird - es würde also Energie kosten, diesen Zustand rückgängig zu machen idealerweise besteht der Aminoterminus aus einer Abfolge von Aminosäuren, die signalisieren: "dies ist ein zu sezernierendes Protein" → Proteinsynthese wird gestoppt Ribosom dockt an die ER-Membran an Synthese geht weiter, gleichzeitig Transport durch die Membran Faltung des Proteins im ER ...
• Signalhypothese - Beteiligte Moleküle mRNA Ribosom Signalpeptid Signal Recognition Particle(SRP) SRP-Rezeptor Translocon Signalpeptidase
• Transport in das ER - Der Targeting- Zyklus 1. Bindung von SRP an die Signalsequenz des naszierenden Proteins 2. Bindung von GTP an SRP 3. Bindung von Ribosom + ... + SRP an den SRPR in der ER Membran 4. Bindung von Ribosom + ... + SRP + SRPR an den Translokationskomplex in der ER Membran 5. Hydrolyse von GTP; Dissoziation von SRP und SRPR 6. Translokation
• Signalpeptid 10-15 vorwiegend hydrophobe Aminosäuren am Amino-Terminus von sekretorischen und Membran-Proteinen (Translokation von Proteinen über die ER-Membran).
• Endocytose Aufnahme bestimmter Stoffe über Rezeptoren in der Zytoplasmamembran (z. B. Eisen → Transferrinrezeptor, Cholesterin → LDL + LDL-R, Wachstumsfaktoren → EGFR). Cluster-Bildung an bestimmten Stellen der Membran. Einstülpung von "Coated Pits", aus denen "Coated Vesicles" hervorgehen. Weitere Reifung zu Endosomen. Stoffsortierung in den Endosomen: Rezeptoren zurück zur Membran; restlicher Inhalt zu Lysosomen. Clathrin-vermittelte Endocytose Beispiel: Cholesterinaufnahme - Low Density Lipoprotein (LDL) und LDL-Rezeptor
• Cholesterinaufnahme Low Density Lipoprotein (LDL) und LDL-Rezeptor LDL binding → Internalization → Lysosomal hydrolysis → Regulatory actions 1. ↓ HMG CaA reductase 2. ↑ ACAT  3. ↓ LDL receptors
• Lysosomen über die Endosomen bzw. den GA gelangen hochmolekulare Substanzen und Enzyme in die Lysosomen; eine Protonenpumpe erzeugt einen niedrigen pH-Wert; Zerlegung des Inhalts durch hydrolytische Enzyme ("saure Hydrolasen"); Export der Grundbausteine. Lysosomen-Konzept (De Duve)
• Signale entscheiden über unser Leben 1.Signalpeptid:10-15 vorwiegend hydrophobe Aminosäuren am Amino-Terminus von sekretorischen und Membran-Proteinen (Translokation von Proteinen über die ER-Membran). 2.KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) am C-Terminus: Dieses Peptid vermittelt die Retention von Proteinen im ER. 3.Man-6-P: Mannose-6-Phosphat (an bestimmten Asparagin-Resten) als lysosomales Targeting-Signal. 4.SKL (Ser-Lys-Leu): Peroxisomales Targeting-Signal am C-Terminus
• Pompe'sche Erkrankung - Lysosomen Fehlen der lysosomalen Exo-1,4-a-Glucosidase in den Lysosomen. normalerweise würde Glykogen in den Lysosomen zu Glucose abgebaut; Abbau findet nicht mehr statt, Lysosomen sind voller Glykogen;→ schwere Muskelschwäche; Tod im 1. bis 4. Lebensjahr!
• Generalisierte Gangliosidose - Lysosomen Fehlen der lysosomalen b-Galactosidase in den Lysosomen. Normalerweise würden in den Lysosomen Ganglioside/Sphingolipide abgebaut; Abbau findet nicht mehr statt, in den Lysosomen werden die entspr. Lipide gespeichert;→ schwere Nervenschädigungen; Tod im 1. bis 10. Lebensjahr!
• Peroxisomen - Das Peroxisomen-Konzept ( Christian De Duve ) Xanthinoxidase:• ein Enzym, das FAD, Fe+++, Mo(6+) enthält• nutzt molekularen Sauerstoff als Substrat• produziert H2O2

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