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Einführung Physiologie WS 2018 19.10.2018

Lehre der physikalischen, biochemischen und informationsverarbeitenden Funktionen von Lebewesen

Franziska Jönsson Lehrstuhl für Biochemie und Molekulare Medizin

Literatur:

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S. Sibernagel , D. Despopoulos: Taschenatlas Physiologie, Thieme Verlag

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R. Klinke, H.-C.Pape, A. Kurtz, S. Silbernagel: Physiologie, Thieme Verlag

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E.-J- Speckmann, J. Hescheler, R. Köhling: Physiologie, Elsevier

Lipid / Wasser Phasen

Einzeller im konstanten Milieu des Urmeers

Aufrechterhaltung des inneren Milieus

Passiver Transport durch Diffusion („Bergab“ Transport) 1. Ficksches Diffusionsgesetz: JDiff= Diffusionsrate: Pro Zeiteinheit durch Diffusion transportierte Stoffmenge

F = Fläche D = Diffusionskoeffizient (u.a. Temperatur, Viskosität, Teilchengrösse) C = Konzentration x = Diffusionsstrecke

Brownsche Teilchenbewegung

Wegstrecke dx

Hohe Konzentration gelöste Substanz

dC

Niedrige Konzentration

Diffusion durch Lipidmembran Permeabilität (P[m/s)] geht als spezifischer Proportionalitätsfaktor für den jeweils zu transportierenden Stoff in das Diffusionsgesetz ein:

Osmose gerichteter Fluss von Wasser durch eine semipermeable Membran •

werden Lösungen unterschiedlicher Osmolalität durch eine nur für Wasser durchlässige Membran getrennt, fließt Wasser zur Seite der höheren Osmolalität Osmolalität: Teilchenzahl osmotisch aktiver Substanzen pro kg Lösungsmittel Osmolarität: pro Volumen Lösungsmittel

•

Osmotisch aktive Substanzen in der Zelle sind Proteine, kleine organische Moleküle und Ionen

Aufrechterhaltung des Zellvolumens

Molecular Biology of the Cell, Alberts et al. 4th Edition 2002, Garland Science

Zelle (Bsp. Erythrozyt) in hypertonischer, isotonische und hypertonischer Umgebung: Erythrozyten normalerweise in isotonischer Umgebung (Blutplasma) Physiologische Kochsalzlösung: 0,9% NaCl

Aus Purves/Sadava/Orians/Heller, Biologie, 2006 Elsevier GmbH

Ionenkonzentationen im Intra- und Extrazellulärraum (Zytosol bzw. Interstitium) (mmol/l H2O)

(Zellinnenraum)

(äußere Umgebung)

Membranpotenzials

Plasmamembran

Transportwege durch die Zellmembran •

Gase und lipophile Substanzen diffundieren ungehindert durch die Zellmembran

•

Nicht lipidlösliche Substanzen brauchen spezifische Membrantransportproteine Bei den Transportproteinen unterscheidet man: • Kanäle • Carrierproteine • Pumpen

Kanäle • Ionen – und Wasserkanäle

Ionenkanäle: •

Substratspezifisch

•

fluktuieren zwischen offenem und geschlossenem Zustand (unterschiedlich reguliert s.u.)

Regulation:

Passiver Transport von Ionen wird durch die elektrochemische Triebkraft bestimmt • •

Chemische Triebkraft Elektrische Triebkraft

•

Elektrochemische Triebkraft (elektrochemischer Gradient) kombiniert Konzentrationsgradient und Membranpotenzial als treibende Kraft Nettotransport tritt auf, wenn Ein- und Ausstrom ungleich sind Gleichgewichtszustand wird erreicht, wenn chemische und elektrische Triebkraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind

• •

= Konzentrationsgradient = elektrische Potenzialdifferenz Membranpotenzial

Transport mit Hilfe von Carrier Proteinen (erleichtern polaren Stoffen den Membrandurchtritt) ► in Richtung des elektrochemischen Gradienten: Triebkraft: elektrochemischer Gradient Transportraten : 102 – 104 Moleküle/sec Sättigbar!

► dem elektrochemischen Gradienten entgegen: Triebkraft: (für Transport gelb) - Gekoppelte Carrier: elektrochem Gradient des gekoppelten Substrats (rot) - Energie aus ATP Hydrolyse oder Licht

Transport mit Hilfe von Carrier Proteinen (erleichtern polaren Stoffen den Membrandurchtritt) ► In Richtung des elektrochemischen Gradienten: Triebkraft: elektrochemischer Gradient Transportraten : 102 – 104 Moleküle/sec Sättigbar!

Beispiel:

Carrier Transport:

Entspricht dem gerade besprochenen Vorgang

Sekundärer und tertiärer Transport:

Na+/K+ Pumpe (Na+/K+ATPase) Adenosintriphosphat (ATP)

Unter Energieverbrauch (ATP zu ADP+P) werden pro Pumpvorgang 3 Na+ Ionen dem elektochemischen Na+ Gradienten entgegen aus der Zelle hinaus und 2 K+ dem elektrochemischen K+ Gradienten entgegen in die Zelle hineingepumpt. Dabei wird 1 ATP verbraucht.

Na+/K+ Pumpe (Na+/K+ATPase)

Unter Energieverbrauch (ATP zu ADP+P) werden pro Pumpvorgang 3 Na+ Ionen dem elektochemischen Na+ Gradienten entgegen aus der Zelle hinaus und 2 K+ dem elektrochemischen K+ Gradienten entgegen in die Zelle hineingepumpt. Dabei wird 1 ATP verbraucht.

Transzellulärer Glukose Transport: (abhängig von der ungleichmäßigen Verteilung von Transportmolekülen in der Darmepithelzelle)

- Glukose wird über Na+ Symport aus dem Lumen in die Zelle gepumpt (apikal) - Basal gelangt Glukose durch passiven Transport mittels eines anderen Glucose Carrier in die extrazelluläre Matrix (Glukose Uniport) - Na+ Gradient (innen niedrig) wird durch Na+/K+ Pumpe aufrechterhalten

Tight Junctions zwischen den Zellen verhindern, dass Substrate zwischen den Zellen passieren können und dienen innerhalb der Membran als Diffusionsbarrieren. Dadurch bleiben die verschiedenen Carrierproteine in ihren jeweiligen Membrandomänen.

Zusammenfassung: Transport nicht lipidlöslicher (lipophober) Substanzen durch die Membran mit Hilfe spezifischer Membrantransportproteine 3 verschiedene Transportmechanismen: 1.) Diffusion entlang eines elektrochemischen Gradienten durch Substratspezifische Kanäle (106 - 108 Moleküle/sec) 2.) erleichterte Diffusion: Passiver Transport entlang eines elektro-chemischen Gradienten: mit Hilfe substratspezifischer Carrierproteine, (100-10000 Moleküle/sec); sättigbar 3.) aktiver Transport entgegen eines elektrochem. Gradienten mit Hilfe substratspezifischer Carrierproteine und unter Energieverbrauch (10100Moleküle/sec)

Verschiedene Membranproteine im Einsatz für die Zell-Homöostase...