Lernzettel: Physiologie des Membrantransports

📋 Kursübersicht

1. Aufbau und Eigenschaften biologischer Membranen
2. Flüssig-Mosaik-Modell und Membrandomänen
3. Selektive Permeabilität und Diffusion
4. Erleichterte Diffusion durch Kanäle
5. Carrier und Transportersättigung
6. Primär aktiver Transport
7. Sekundärer und tertiärer Transport
8. Vesikulärer und epithelialer Transport
9. Signalübertragung über Membranrezeptoren

📖 1. Aufbau und Eigenschaften biologischer Membranen

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Transmembrandomäne: Alberts - Ein Membranabschnitt mit meist 20–30 Aminosäuren, der wegen vieler unpolarer Seitenketten gut in die Lipiddoppelschicht integriert ist.

★ Unbedingt können

• Biologische Membranen bestehen aus Lipid-, Protein- und Zuckerkomponenten, deren Zusammensetzung zelltypspezifisch ist.

• Die Membranfluidität wird unter anderem durch den Sättigungsgrad der Lipide und den Einbau von Cholesterol beeinflusst.

Ergänzungen

• Es gibt vier Hauptklassen von Membranproteinen.

💡 Eselsbrücke

Ein bewegliches Lipidmeer mit eingelagerten Proteinen und außenliegenden Zuckerketten

📖 2. Flüssig-Mosaik-Modell und Membrandomänen

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Flüssig-Mosaik-Modell: Beschreibt Zellmembranen als dynamische Lipiddoppelschichten, in denen sich Lipide und freie Proteine lateral bewegen können.
• Caveolae: Parton, 2018 - Kleine, dynamisch gebildete Membraneinstülpungen der Plasmamembran, die an Signalvermittlung und Lipidtransport beteiligt sind.

📝 Wesentliche Punkte

• FRAP zeigt Proteinbewegungen, indem ein fluoreszierender Membranbereich mit einem Laser gebleicht und seine Fluoreszenzerholung beobachtet wird.

💡 Eselsbrücke

Freie laterale Bewegung im Fluidum versus geordnete Trennung in Lipid-Rafts

📖 3. Selektive Permeabilität und Diffusion

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Einfache Diffusion: Ein passiver Transport durch Eigenbewegung von Molekülen entlang eines Konzentrationsgradienten ohne Energiezufuhr oder Transportprotein.

★ Unbedingt können

• Biologische Membranen sind durch einfache Diffusion hauptsächlich für kleine unpolare Moleküle durchlässig.

📐 Formel - Das Fick’sche Diffusionsgesetz verknüpft die Diffusion mit Membranoberfläche, Konzentrationsgradient, Membranpermeabilität und Membrandicke: $J = P \cdot A \cdot \frac{\Delta C}{\Delta x}$.

Ergänzungen

• Bei der pulmonalen Sauerstoffdiffusion beträgt der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen 100 mmHg und in den Lungenkapillaren 40 mmHg. - Weibel, 1973

💡 Eselsbrücke

Konzentrationsgradient → Nettodiffusion bis zum Konzentrationsausgleich

📖 4. Erleichterte Diffusion durch Kanäle

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Aquaporin: Wasserkanäle aus vier Untereinheiten, von denen jede eine Wasserpore bildet; sie kommen von Bakterien bis zu Säugetieren vor.

• Osmose: Die passive Bewegung von Wasser durch eine für das Lösungsmittel permeable Membran von hoher zu niedriger Wasserkonzentration beziehungsweise zur höher konzentrierten Lösung.

★ Unbedingt können

• Kanäle können (Alberts):
  • ligandengesteuert
  • spannungsgesteuert
  • mechanosensitiv

Ergänzungen

• Die Osmolarität gibt die Anzahl osmotisch aktiver Teilchen pro Volumen an, wobei eine 1-M-NaCl-Lösung einer 2-OsM-NaCl-Lösung entspricht.

• Bei spannungsgesteuerten Kanälen verschiebt eine Ladungsänderung die Spannungssensoren, verändert die Proteinstruktur und öffnet oder schließt die Pore. - Alberts

💡 Eselsbrücke

LVS: ligandengesteuert, spannungsgesteuert, mechanosensitiv

📖 5. Carrier und Transportersättigung

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Carrier-Protein: Transportiert Substanzen passiv entlang ihres Konzentrationsgradienten, indem es spontan zwischen verschiedenen Konformationen wechselt.

★ Unbedingt können

📌 Transporter sind saturierbar und besitzen daher eine maximale Transportrate.

Ergänzungen

• Carrier sind hochselektiv, transportieren langsamer als Kanäle und erreichen etwa 10³ bis 10⁶ Moleküle pro Sekunde.

💡 Eselsbrücke

Kanäle bilden eine Pore, Carrier wechseln ihre Konformation

📖 6. Primär aktiver Transport

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Na+/K+-ATPase: Alberts - Ein primär aktiver Transporter, der pro ATP drei Na+-Ionen aus der Zelle und zwei K+-Ionen in die Zelle pumpt.

📝 Wesentliche Punkte

• Die Na+/K+-ATPase verbraucht ungefähr 30 % der gesamten zellulären Energie.

• Die Na+/K+-ATPase trägt durch ihren elektrogenen Transport zur negativen Ladung im Zellinneren und damit zu etwa 10 % zur Bildung des Membranpotentials bei.

• Das menschliche Genom enthält vier α-, drei β- und sieben optionale γ-Untereinheiten der Na+/K+-ATPase, die zellspezifisch exprimiert werden. - Clausen et al., 2017

💡 Eselsbrücke

ATP-Verbrauch → Konformationswechsel → Ionentransport gegen den Gradienten

📖 7. Sekundärer und tertiärer Transport

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Sekundär aktiver Transport: Alberts - Nutzt die potentielle Energie eines durch primär aktiven Transport erzeugten Konzentrationsgradienten und ist dadurch indirekt von ATP abhängig.

★ Unbedingt können

📌 Beim Symport werden zwei Moleküle in dieselbe Richtung transportiert, während sie beim Antiport in entgegengesetzte Richtungen transportiert werden.

Ergänzungen

• SGLT1 ist ein Na+-Glucose-Symporter und PepT1 ein H+-Dipeptid-Symporter.

• Tertiär aktiver Transport nutzt einen Konzentrationsgradienten, der zuvor durch sekundär aktiven Transport erzeugt wurde.

💡 Eselsbrücke

Symport bewegt gemeinsam, Antiport entgegengesetzt

📖 8. Vesikulärer und epithelialer Transport

★ Unbedingt können

• Bei der Phagocytose umhüllt die Zellmembran ein Bakterium, bildet ein Phagosom und lässt dieses mit einem Lysosom verschmelzen, das den Inhalt verdaut.

📌 Bei der Endocytose schnürt sich die Membran nach innen ab, während bei der Exocytose sekretorische Vesikel mit der Membran verschmelzen.

📌 Beim transzellulären Transport werden zwei Zellmembranen überwunden, während beim parazellulären Transport Proteinbarrieren der Schlussleisten passiert werden.

Ergänzungen

• Endocytose wird durch Clathrin oder Caveoline unterstützt, Exocytose durch Rab- und SNARE-Proteine und häufig durch einen Anstieg der Ca2+-Konzentration ausgelöst.

📌 Tight Junctions verhindern die freie Diffusion zwischen Epithelzellen, und Claudine bestimmen mit, ob ein Epithel dicht oder leck ist.

💡 Eselsbrücke

Endocytose → intrazellulärer Transport → Exocytose

📖 9. Signalübertragung über Membranrezeptoren

📝 Wesentliche Punkte

• G-Protein-gekoppelte und enzymgekoppelte Rezeptoren können Signale über die Membran weiterleiten. - Alberts

• Die Bindung eines extrazellulären Signalmoleküls verursacht eine Konformationsänderung des Rezeptors und startet dadurch intrazelluläre Prozesse. - Alberts

📊 Übersichtstabellen

Transportarten im Vergleich

Vesikuläre Transportwege