Zellmembrane

1. Zellmembrane Natalie Emken Seminar DGL in der Biomedizin, SS 09 27. Mai 2009

2. Gliederung • Die Zellmembran • Diffusion • Erleichterte Diffusion • Carrier-vermittelter Transport • Aktiver Transport • Das Membranpotential • Osmose • Kontrolle des Zellvolumens • Quellenangaben

3. 1. Die Zellmembran • Die Zellmembran umgibt die lebende Zelle und begrenzt deren inneren Vorgänge von der äußeren Umgebung • Die Austauschvorgänge zw. der Zelle und ihrer Umgebung spielen sich an der äußeren Zellhülle, der Zellmembran ab • Die Zellmembran ist selektiv permeabel: Selektiv werden verschiedene Stoffe durchgelassen oder aufgehalten • Sie ist dadurch zugleich Trennwand und Träger vieler Stoffwechselprodukte

4. 1. Die Zellmembran1.1 Aufbau Abb. 1: Schematische Darstellung einer Zellmembran (Quelle: http://www.was-ist-q10.de/images/aerzte_10_01.GIF)

5. 1. Die Zellmembran1.2 Aufgaben der Membranproteine • Die Plasmamembran und die Membran verschiedener Organellen verfügen jeweils über eine charakteristische Proteinausstattung • Sie wirken als Träger- und Transportmoleküle • Sie durchbrechen die wasserunlösliche Lipidschicht und schaffen dadurch Poren und Kanäle • Sie beteiligen sich am Stoffwechsel der Zelle • Sie tragen zur Festigkeit der Membran bei

6. 1. Die Zellmembran1.3 Transportmechanismen • Vernachlässigt man zunächst die Frage der Energieabhängigkeit, so lassen sich konzeptionell drei Transporttypen unterscheiden • Uniport • Antiport • Symport • Man unterscheidet dabei jedoch zwischen aktiven und passiven Transportprozessen

7. 1. Die Zellmembran1.3 Transportmechanismen • Passive Transportmechanismen sind: • Einfache Diffusion • Erleichterte Diffusion • Carrier-vermittelter Transport • Osmose • Aktive Transportmechanismen sind: • Ionenpumpen, bei denen unter Hydrolyse von ATP zu ADP bestimmte Ionen entgegen ihren jeweiligen Konzentrationsgradienten transportiert werden • Z.B. die Natrium-Kalium-ATPase und die Calcium-ATPase

8. 2. Diffusion • Sei u die Menge eines chemischen Stoffes, Ω sei ein Teil des Raumes. Dann gilt: • ∂Ω ist der Rand von Ω • n ist die reguläre äußere Einheit zu ∂Ω • f ist die lokale Produktion von u pro m³ • J ist der Fluss von u • Falls J ausreichend glatt ist, gilt • Falls die Größe in der u gemessen ist, fest aber beliebig ist, gilt der folgende Erhaltungssatz

9. 2. Diffusion2.1 Ficksches Gesetz • Die einfachste Beschreibung für den Fluss chemischer Stoffe ist (Ficksches Gesetz) • Wenn das Ficksche Gesetz gilt wird der Erhaltungssatz zur Reaktions-Diffusionsgleichung • Falls D konstant ist, so folgt weiter

10. 2. Diffusion2.2 Diffusionskoeffizienten • Für große kugelförmige gelöste Moleküle gilt • k ist die Boltzmann-Konstante • T ist die absolute Temperatur der Lösung • µ ist die Viskosität der Lösung • a ist der Radius des gelösten Moleküls • Für nichtkugelförmige Moleküle gilt • f ist der Funktionalkoeffizient von Stokes der Teilchen • Mit der Molekularmasse und Molekulardichte

11. 2. Diffusion2.3 Diffusion durch eine Membran • Annahme: Die Membran (mit Dicke L) grenzt zwei große Bereiche einer verdünnten Chemikalie ab • cl= Konzentration im linken Bereich (bei x=0) • cr= Konzentration im rechten Bereich (bei x=L) • Entsprechend zur Diffusionsgleichung gilt in Abhängigkeit von den Randbedingungen c(0,t)= cl , c(L,t)= cr

12. 2. Diffusion2.3 Diffusion durch eine Membran Im stabilen Zustand, , folgt dass • J ist konstant oder • Wir erhalten also • Der Fluss von Chemikalien ist konstant

13. 3. Erleichterte Diffusion • Bei der erleichterten Diffusion spielen die zwei Faktoren Diffusion und Reaktion eine Rolle • Sie ereignet sich, wenn der Fluss einer Chemikalie durch eine Reaktion, die im diffusen Medium stattfindet, verstärkt wird • Beispiel: Fluss von Sauerstoff in Muskelfasern (der Sauerstoff ist an Myoglobin gebunden und wird als Oxymyoglobin transportiert)

14. 3. Erleichterte Diffusion3.1 Erleichterte Diffusion von Sauerstoff • Annahme: Wir haben einen „Slab reactor“, welcher diffundierendes Myoglobin enthält • Die Sauerstoffkonzentration links (bei x=0) wird bei s0 und rechts (bei x=L) bei sL gehalten (s0>sL) • Falls f die Aufnahmerate von Sauerstoff in Oxymyoglobin beschreibt, dann gelten folgt aus der Reaktionsgleichung O2 + Mb MbO2, k+ k-

15. 3. Erleichterte Diffusion3.1 Erleichterte Diffusion von Sauerstoff • Es ist sinnvoll De=Dczu setzen, da Myoglobin und Oxymyoglobin nahezu identisch in Molekularmasse und –struktur sind • Es ist außerdem sinnvoll die Randbedingungen zu spezifizieren, da das Myoglobin und das Oxymyoglobin in dem „Slab“ bleiben • Die totale Menge des Myoglobin bleibt außerdem bei der Reaktion am stationären Zustand erhalten (e+c=e0), so dass (2) überflüssig ist und

16. 3. Erleichterte Diffusion3.1 Erleichterte Diffusion von Sauerstoff • Integration von bzgl. x liefert • J ist die Summe aus dem Fluss des freien Sauerstoff und dem des gebundenen und bildet damit den Fluss des totalen Sauerstoffs • Durch erneute Integration bzgl. x=0 und x=L können wir J bzgl. der Grenzwerte beider Konzentrationen ausdrücken

17. 3. Erleichterte Diffusion3.1 Erleichterte Diffusion von Sauerstoff • Durch die dimensionslosen Variablen erhalten wir aus (1) und (3) die Gleichung • Mit diesen Zahlen können wir e1 und e2 abschätzen, welche sehr klein sind und darauf hinweisen, dass für Sauerstoff und Myoglobin im gesamten Medium gilt

18. 3. Erleichterte Diffusion3.1 Erleichterte Diffusion von Sauerstoff Durch Substitution in die Gleichung für den gesamten Fluss J erhalten wir nun Bei Anwesenheit von Trägerstoffen ist die Diffusion durch den Faktor verstärkt

19. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung • Um ein Membranpotential aufrecht zu erhalten, wird ATP konstant verbraucht • Dieser Verbrauch von Energie erfordert die konstante Umwandlung von Zucker • Dabei verbrauchen die Muskelfasern Sauerstoff • Zucker kann zwar auch anaerob umgewandelt werden, jedoch wirkt das dadurch entstehende Abfallprodukt (Milchsäure) toxisch • Aus diesem Grund muss der Sauerstoff vom Äußeren der Zelle zum Zentrum der Zelle vordringen, um Sauerstoffschuld zu verhindern

20. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung • Um zu erklären wie das Myoglobin die Versorgung einer Muskelzelle mit Sauerstoff fördert und dabei hilft Sauerstoffschuld zu verhindern, untersuchen wir ein Modell des Sauerstoffverbrauch • Es berücksichtigt den Effekt der Sauerstoffdiffusion und der Myoglobindiffusion • Annahmen: • Eine Muskelfaser ist ein langer kreisförmiger Zylinder (mit Radius a=2,5x10-³cm) • Diffusion findet nur in radialer Richtung statt • Die Sauerstoffkonzentration am Rand ist fest und konstant • Die Verteilung chem. Stoffe verläuft polysymmetrisch

21. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung • Mit diesen Annahmen sind die stationären Zustandsgleichungen, die die Diffusion von Sauerstoff und Oxymyoglobin beschreiben, gegeben durch • Der neue Ausdruck g beschreibt den konstanten Sauerstoffverbrauch und die Randbedingungen sind

22. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung • Durch dimensionslose Variablen, erhalten wir • Hieraus folgt außerdem, dass

23. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung • Durch zweimalige Integration bzgl. y erhalten wir • Hierbei sind A und B durch die Randbedingungen bestimmt • Geringe Sauerstoffschuld tritt ein, falls σ=u=0 bei y=0 • Für diese Grenzwerte setzen wir A=B=0 • Die Konzentration am Rand muss dann mindestens so groß wie σ0sein, wobei wir den quasi Steady-state benutzt haben

24. 3. Erleichterte Diffusion3.2 Erleichterte Diffusion bei der Muskelatmung Abb. 2: Funktion der Kritischen Sauerstoffkonzentration, abhängig von dem Sauerstoffverbrauch (Quelle: Keener J. & J. Sneyd(2001): MathematicalPhysiology, S.44)

25. 4. Carrier-vermittelter Transport • Manche Substanzen sind in der Zellmembran unlöslich, durchströmen sie aber dennoch Carrier-vermittelter Transport • Carrier sind auf ganz bestimmte Moleküle spezialisiert (ähnlich wie Enzyme), für die sie eine Bindungsstelle besitzen • Jeder zu transportierende Stoff ist auf sein entsprechendes Carrier-Protein angewiesen • Es gibt 3 Typen von Trägervermittelten Transport • Uniport • Symport • Antiport

26. 4. Carrier-vermittelter Transport4.1 Glucosetransport • Tritt auf, wenn die Bindungsstellen des Trägermoleküls abwechselnd von der extrazellulären Seite und der intrazellulären Seite der Membran zugänglich sind • Bei diesem Prozess handelt es sich um einen Uniport Abb. 3: Glucosetransport in der Zellmembran (Quelle: http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/LIPIDS/Fig12_27ModelGluT1transpt.GIF (abgerufen am. 10.05.2009))

27. 4. Carrier-vermittelter Transport4.1 Glucosetransport • Wir können den Prozess des Glucosetransport folgendermaßen formulieren: • Annahmen: • Die Population des Enzym-Trägerproteins C hat zwei konformative Stadien Ci und Ce • Das Glukose-Substrat Si an dem Inneren kann mit dem Enzym Ci gebunden sein, um den Komplex Pi zu formen • Das Glukose-Substrat Se an dem Äußeren kann mit dem Enzym Ci gebunden sein, um den Komplex Pe zu formen Si + Ci Pi Pe Se + Ce Ci Ce

28. 4. Carrier-vermittelter Transport4.1 Glucosetransport • Die DGL sind gegeben durch

29. 4. Carrier-vermittelter Transport4.1 Glucosetransport • Zwei Degenerationen: • Der totale Betrag vom Rezeptor bleibt erhalten und daher gilt • Der totale Betrag von Glucose bleibt erhalten und daher gilt • Zusammen mit den Gleichungen (4.1-4.6) am stationären Zustand bilden sie ein lineares System für die fünf Unbekannten

30. 4. Carrier-vermittelter Transport4.1 Glukosetransport • Wir können also J berechnen und es gilt • Für den dimensionslosen Fluss gilt dann

31. 4. Carrier-vermittelter Transport4.2 Symport und Antiport • Modelle für Symport und Antiport folgen in ähnlicher Weise • Das Trägerprotein besitzt in diesem Fall mehrere Bindungsstellen, welche zum intrazellulärem und extrazellulärem Raum ausgerichtet sein können • Ein Austausch der Konstellation tauscht die Lage aller beteiligten Bindungsstellen vom Inneren zum Äußeren oder anders herum • Ein Beispiel für einen Antiport ist der Natrium-Calcium-Austauscher in Muskeln- und Nervenzellen • Ein Beispiel für einen Symport ist der natriumangetriebene Glukose-Symporter

32. 4. Carrier-vermittelter Transport4.2 Symport und Antiport • Falls es k Bindungsstellen gibt, die am Austausch beteiligt sind, so gibt es 2k mögliche Kombinationen von gebundenen und ungebundenen Seiten • Schlüsselannahme für das Modell: Es ist nur der vollständig gebundene oder vollständig ungebundene Träger an einem konformativen Austausch beteiligt Abb. 4: Stadien und mögliche Übergänge eines Transporters mit zwei Substraten S und T und einer Bindungsstelle für jedes (Quelle: Keener J. & J. Sneyd(2001): Mathe-maticalPhysiology, S.47)

33. 4. Carrier-vermittelter Transport4.2 Symport und Antiport • Wir ignorieren im folgenden die Zwischenprodukte, da die Analysis dieses völlig allg. Reaktionsschemas kompliziert ist • Das Reaktionsschema vereinfacht sich dann zu mS + nT + C P • Die Ergebnisse für einen Symport und einen Antiport sind jetzt ähnlich dem des Uniport

34. 4. Carrier-vermittelter Transport4.2 Symport und Antiport • Für den Fluss des Symport erhalten wir wobei der Fluss von s mJ und der Fluss von t nJ ist und • Für den Fluss des Antiport erhalten wir

35. 5. Aktiver Transport • Der oben beschriebene trägervermittelte Transport erfolgt immer unter elektrochemischen Gradienten und ist somit durch Diffusion gekennzeichnet • Viele Prozesse, die gegen Gradienten arbeiten, beanspruchen einen Energieaufwand • Als wichtigstes Beispiel für den aktiven Transport dient die Natrium-Kalium-Pumpe • Sie reguliert das Zellvolumen und hält ein Membranpotential aufrecht • Der Antrieb dieser Pumpe verbraucht allerdings meistens einen Drittel des Energiebedarfs

36. 5. Aktiver Transport5.1 Die Natrium-Kalium-Pumpe • Die Natrium-Kalium-ATPase ist ein in der Zellmembran verankertes Transmembranprotein • Das Enzym katalysiert unter Hydrolyse von ATP den Transport von Natrium-Ionen aus der Zelle und den Transport von Kalium-Ionen in die Zelle gegen den Konzentrationsgradienten • Je Molekül ATP werden 3 Natrium-Ionen aus der Zelle und 2 Kalium-Ionen in die Zelle befördert • Die Pumpaktivität dieser Pumpe nutzt Energie bei der Dephosphorylation von ATP in ADP durch das allgemeine Reaktionsschema ATP + 3Nai+ + 2Ke+ ADP + Pi + 3Nae+ + 2Ki+

37. 5. Aktiver Transport5.1 Die Natrium-Kalium-Pumpe Abb. 5: Na+-K+-ATPase(Quelle: http://www.bioc.uzh.ch/bipweb/lexikon/proteine/nakatpase/nakatpase.gif (abgerufen am 16.05.2009))

38. 5. Aktiver Transport5.1 Die Natrium-Kalium-Pumpe • Zur Umwandlung in ein mathematisches Modell, ziehen wir ein vereinfachtes Modell in Betracht • Es existiert demnach nur eine einzige Bindungsstelle für Natrium und Kalium Eins-zu-eins Austausch • Wir bezeichnen das Trägermolekül mit C und nehmen folgende Reaktionen an Nai+ + C NaC NaCP Na e+ + CP ATP ADP CP + Ke+ KCP P + KC KC Ki+ + C

39. 5. Aktiver Transport5.1 Die Natrium-Kalium-Pumpe • Wir setzen auf diese das Massenwirkungsgesetz an • J beschreibt wieder die Rate mit der das Natrium und Kalium bereit steht bzw. beseitigt wird • Der Fluss von Ionen durch die Pumpe im stationären Zustand ist dann gegeben durch

40. 5. Aktiver Transport5.1 Die Natrium-Kalium-Pumpe • Da ATP viel dynamischer ist als ADP, erwarten wir, dass die rückwärts gerichtete Reaktionsrate k-p im Vergleich zur vorwärts gerichteten Reaktionsrate gering ist • Falls wir also die entgegengesetzte Reaktion ignorieren (K-1=0), erhalten wir • Diese Gleichung ist unabhängig von der extrazellulären Natrium-Konzentration

41. 5. Aktiver Transport5.2 Die Calcium-ATPase • Andere wichtige Pumpen sind die Ca2+-ATPase und Transporter, die die intrazelluläre Ca2+-Konzentration gering halten • Inneres freies Calcium wird bei geringen Konzen-trationen, gegenüber den hohen extrazellulären Calciumkonzentrationen, aufrecht erhalten • Man geht davon aus, dass viele Signalwege über eine feine Regulation der örtlichen Calciumkonzentration gesteuert werden • Die am besten zu verstehende Ca2+ Pumpe ist eine ATPase in dem sarkoplasmatischen Retikulum der Muskelzellen

42. 6. Das Membranpotential • Zwischen Außen- und Innenseite der Membran besteht bei allen Zellen eine elektrische Spannung das Membranpotential • Da das Cytoplasma einer Zelle im Vergleich zur extrazellulären Flüssigkeit negativ geladen ist, begünstigt das Membranpotential den passiven Transport von Kationen in die Zelle hinein und von Anionen aus ihr heraus • Dadurch treiben zwei Kräfte die Diffusion an, das chemische Konzentrationsgefälle und das elektrische Membranpotential der elektrochemische Gradient

43. 6. Das Membranpotential • Das Membranpotential ist eine Konsequenz der oben beschriebenen aktiven Transportprozesse, die Ionen aktiv transportieren • Z.B. der Ablauf der Natrium-Kalium-Pumpe führt dazu, dass mit jeder „Umdrehung“ insgesamt eine positive Ladung aus dem Cytoplasma in die extrazelluläre Flüssigkeit verschoben wird • Wir definieren den Potentialunterschied durch die Zelle als V=Vi-Ve

44. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential • Die Nernst-Gleichung ist eine der wichtigsten Gleichungen in der Elektrophysiologie • Sie gestattet die Berechnung der Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Konzentrationsänderung der beteiligten Ionen • Mit der Nernst-Gleichung lässt sich die Gleichgewichtslage dieses Vorgangs beschreiben

45. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential Zellmembran, permeabel für S, aber nicht S‘ • Modellierung: • Die Diffusion von S bewirkt einen Ladungsaufbau • Dieses Ladungsungleichgewicht baut abwechselnd ein elektrisches Kraftfeld auf • Dies setzt sich der weiteren Diffusion von S entgegen • Ein Gleichgewicht stellt sich ein, wenn das Kraftfeld exakt die Diffusion von S ausgeglichen hat Inneres Äußeres S S

46. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential • Das Gleichgewichtspotential Vseines Ions ist durch das Nernst-Potential gegeben • R ist die allgemeine Gaskonstante • T ist die absolute Temperatur • F ist die Faraday-Konstante • k ist die Boltzmann-Konstante • q ist die Landung von dem Ion S • Eine besonders wichtige Beziehung ist • Naist die Avogadro-Zahl

47. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential Herleitung der Nernst-Gleichung: • Wie bereits beschrieben, wird der Fluss durch den elektrochemischen Gradienten angetrieben • Der Beitrag zu dem Fluss durch das Kraftfeld ist durch Plancks Gleichung gegeben • u ist die Beweglichkeit des Ions • z ist die Ladungszahl des Ions • c ist die Konzentration von S • Фist das elektrische Potential • → beschreibt das Kraftfeld

48. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential • Es gibt eine Beziehung zwischen der Ionenmobilität u und der Fickschen Diffusionskonstante • Durch Kombination mit dem Fickschen Gesetz erhalten wir die Nernst-Planck-Gleichung • Falls der Ionenfluss und das Kraftfeld quer zur Membran verlaufen, können wir die obige Gleichung als die ein-dim. Relation betrachten

49. 6. Das Membranpotential6.1 Das Nernst-Gleichgewichtspotential • Für den Gleichgewichtszustand, d.h. wenn kein Nettostrom fließt, muss gelten • Integration von x=0 bis x=L liefert dann • Und mit V=Фi-Фe können wir schließlich aus der Nernst-Planck-Gleichung die Nernst-Gleichung ableiten

50. 6. Das Membranpotential6.2 Die Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)-Gleichung • Eigentlich bestimmt die lokale Ladungsdichte das elektrische Potential Ф, so dass J durch ein gekoppeltes System von Gleichungen bestimmt werden muss • Ein nützliches Resultat erhalten wir jedoch, falls das Kraftfeld als konstant angenommen wird • Für einen Potentialunterschied V= Ф(0)-Ф(L) in einer Membran mit Dicke L und den Konzentrationen links [S]=ci und rechts[S]=ceerhalten wir • Und durch Einsetzen in die Nernst-Planck-Gleichung folgt