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MembranphysiologieMembranphysiologie I.I.

AufbauAufbau der der PlasmamembranPlasmamembran. . TransportprozesseTransportprozesse

Péter Sántha

07.09.2018.

Lernzielen: 2-3

Zelle: Funktionelle und Morphologische Einheiten des Organismus

Plasmamembran: Trennwand zwischen den Intrazellulären undExtrazellulären Flüssigkeitsräumen

Ständige Stoff-, Energie- und Informationaustausch durch diePlasmamembran („Interface”)

Plasmamembran ist ein sehr dynamishes System

Groβer Anteil der medizinischen Wirkstoffe beeinflussen dieFunktionen der Plasmamebran: Lokale Anaesthetika, Beteubungsmitteln, Antiepileptische und

Antiarhythmische Stoffe, Diuretika, Psychopharmaka usw.

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Schematische Darstellung der Bestandteile der Plasmamebran

„Fluid mosaic” Modell (Singer und Nicholson, 1972 )

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Aufbau der Plasmamembran I. - Lipide

Lipid Doppelschicht von Amphiphile (Lipoid) Molekülen:

Phospholipide: Phosphatidylcholin, Phosphatidylserin, etc.gesättigte und ungesättigte Fettsäure

SphingomyelinGlykolipide: GangliosidenCholesterin

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“

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Künstliche Membrane und Lipidstrukturen

Asymmetrische Verteilung der Lipidkomponente der Plasmamembran

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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 Membranverankert-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”)

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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)

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Translokation von TRPV1 Proteinin die Plasmamebran.Konfokale Mikroskopie

Intrazellulärer Transport der Membranproteine(Trafficking)

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

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Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umwelt - Transportprozesse

Zellinnere: Intrazelluläre Flüssigkeit (Zytoplasm)Umgebung der Zelle: Extrazelluläre Flüssigkeit (Interstizielle Flg.)

Transmembran Transport Mechanismen:

DiffusionDiffusion durch IonenkanäleErleichterte 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)

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Fick’sches Diffusionsgesetz:

dm/dt = -D x ∆c x A/d

Physiologische Bedeutung:

Zellphysiologie+Atemgastransport (Lunge)Filtration (Nieren)Kreislauf (Kapillarwand)Usw.

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Dm/dt: DiffusionsgeschwindigkeitD: DiffusionskonstansA: Diffusionsfläched: Membrandicke∆c: Konzentrationsdifferenz

Diffusionskonstant is abhängig von:

Temperatur

Chemische Eigenschaften der Substanzen:Lipidlösliche Substanzen – hohe Permeabilität(Gasen, Ethanol, Harnstoff, Lipiden usw.)

Wasserlösliche Substanzen und Ionen:Sehr gering

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

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HypotoneLösung

HypertoneLösung

Osmose

Osmotischer Druck:

Posm=R x T x n/V

Osmolarität von Blutplasma:300 mmol/L

660 KPa (7x Atmospheriscer Druck!)

Kolloidosmotischer Druck:Entsteht durch Makromolekülen

(Kolloiden)ΠΠΠΠPlasma= 25 Hgmm

Ozmolarität (Tonizität) des BlutplasmasOsmotische Resistenz der Erythrozyten

0.9% NaCl Lösung5.5% Glukose LösungKrebs, Ringer, Tyrode etc. Lösungen

Künstliche isotonische Lösungen:

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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 (Tmax): Zahl der Kanäle; Transportkinetik

(Analogie: Enzymkinetik -Michaelis-Menten Gleichung)Temperatur Abhängigkeit

Aktivierung/Regelung: Schaltverhalten - „Gating“ (Konformationswechsel)Kovelente/Non-Kovalente ModifizierungNeusynthese/Einschleusung

Selektive Hemmbarkeit (kompetitive Bindung, Kanal Blocker usw.)

Kanäle:

Leitfähigkeit: 106-108 Ionen/s (Siemens (S): pS entspricht 10-12 S)

Pore Modell: Vereinfachung! (Selektivitätsfilter, Schalterdomän – „Gate”)

Selektivität: selektive (Cl-; K+;Na+) und nicht-selektive Ionenkanäle (Na++Ca2+)

Rektifikation (Leitfähigkeit hängt von den Richtung des Stromes ab)

Öffnung (Wahrscheinlichkeit) ist geregelt: Gating – Aktivierung/InaktivierungSpannung (Transmembran potenzial)Ligand BindungDehnung (Mechanorezeptoren)Temperatur (Thermorezeptoren)Intrazellulare Signale (Botenstoffe)

„Leaky channels” – diese Kanäle sind ständig geöffnet (Einstellung des Ruhepot.)

Wasserkanäle: Aquaporin Familie – gesteuerte Wassertransport beibestimmten Zelle (Nieren – Sammelrohr System; ADH Wirkung)

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Funktionelles Modell der Kanalaktivität- Wechselwirkung zwischender Ionen und der Kanal Pore

Spontane Oszillation(Konformationswechsel)

des Moleküls

Schmidt/Thews: Physiologie desMenschen 27. Auflage 1997

Filtermechanismus in der Kalcium Kanäle:Karboxy Gruppen von 4 Glutamat Kette

„Induced fit” mechanismus

Beispiel I: Ligand gesteuerte Ionenkanal-Nikotinerge Azetylcholin Rezeptor

(Motorische Endplatte, Vegetative Synapsen)Ionotrope Rezeptoren

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Beispiel II.: Spannungssensitive Ionenkanal –Na+-Kanal

(Axone , Muskelzellen)

Beispiel III: Rezeptorgekoppelte Ionenkanal: Muscarinerge Azetylcholin Rezeptor(Herz-SA/AV Knoten, Glattemuskelzellen, Drüssenepithel)

Metabotrope Rezeptoren

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

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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 thermodinamischenWirkungen

Sensorische Neuronen, Temperatur- undSchmerzempfindung

Nagy und Rang J.Neusci. 2002

IUPHAR-database: www.iuphar-db.org

2013 August: 2272

2017.August:5800

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Karrier Molekülen:

Enzym Analogie: S(in)⇔S+Carier⇔S(aus)Transport Umsatz: <104 (Pumpen 102) Teilchen/s

Passiv (Erleichterte Diffusion): Entlang der Konzentrationsdifferenz oderElektrochemische Gradient (Bergab)

Aktiv (primär, sekundär, tertiär): kann auch gegen der Konzentrationsdifferenz/Elektrochemische Gradient (Bergauf) erfolgen

Primär aktiv: Pumpen, ATPase-enSekundär/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+ einTransport 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)

Vmax ist Proportionel mit dem Zahl der Transportermolekülen

hängt von der Geschwindigkeitdes Transportvorgangs

(zB.: Temperatur, Modulatoren)

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Diffusion

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Beispiel I.: Erleichterte Diffusion – Glukose Transporter Molekül

Beispiel II.: Primär aktiver Transport – Na+-K+ ATPase (Pumpe)Elektrogener Antiport

Wirkung der Energie (ATP) Mangel(Zb. Bei O2 Mangel, Vergiftung)

Spezifischer Hemmstoff:Herzglykosiden (Digoxin, Ouabain)

Digitalis - FingerhutSchmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

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Beispiel III.: Symport und Antiport Mechanismen

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Protein-abhängige transmembran Transport Prozesse

(Ion) Kanäle Transporter Proteine

Uniportern Kotransportern(symporters, antiporters)

Passive (Primär) aktive

Pumpen(ATPaze)

Nav1.1 (Voltage-gated Na channel)

GLUT 2(glucosetransporters)

Na-K-Cl-symporterCl-HCO3-antiporter

Na-K-ATPaseCa-ATPaseMDRP

Kanäle Transporter Proteine

SLC TransporternSolute Carrier superfamily (48)

F, P,V Typ ATPazeABC Transportern

Fun

ktio

nälle

Kla

ssifi

zier

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relle

Kla

ssifi

zier

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Bei

spie

le

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Beispiel IV.: sekundär und tertiär aktive Transporten in den proximalen Nierentubuli

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Transport der Makromolekülen und Korpuskulare Gegenstände: Endo und Exozytose

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

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Transepithelialer Transport: 2 Membrane – 3 Kompartmente Modell

Polarisierte Membran: unterschiedliche Transportmechanismen

an der apikalen und basalen Membran

Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

Bedeutung: Nieren, Magen-Darm Trakt, ExokrineDrüßen, Choroidal Plexus u.s.w.

„Solvent drag”