Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
  
Membransysteme, Zellorganellen, Rezeptoren, A

 

© Hinghofer-Szalkay

Anion: ἀνά = hinauf, ἰόν = das Wandernde (ἰέναι = gehen)
Apoptose: ἀπό- = ab-, πτωσις = Fall (abfallen)
Biomembran: βίος = Leben,
membrana = Häutchen
Caspase: Cystein-Protease, die nach Aspartat schneidet
Clathrin: clatratus = wie ein Gitter (clatri)
Gibbs-Donnan-Effekt: Josiah W. Gibbs, Frederick G. Donnan
Endozytose: ἔνδον = innen, κύτος = Gefäß (Zelle)
Fas: first apoptosis signal
Fick-sches Gesetz: Adolf Fick
Kation: κατά = herab, ἰόν = das Wandernde
Kompartiment: com-parare = zusammenstellen, verbinden
Ligand: ligare = binden
Permease: permeare = durchdringen
Phagozytose: φαγεῖν = fressen, κύτος = Höhlung, Gefäß


Ein Schlüsselprinzip physiologischer Organisation ist das der Kompartmentierung, d.h. des Aufbaus und der Erhaltung separater Funktionsräume im Körper. Beispielsweise ist die Zelle als Grundelement des Lebens ein Kompartiment: Die - hauptsächlich aus Lipiden bestehende - Zellmembran trennt den Innenraum (intrazellulär) von der Umgebung der Zelle (extrazellulär), denn die in der Intra- und Extrazellulärflüssigkeit gelösten Stoffe sind meist wasser-, nicht fettlöslich und können nicht ohne weiteres durch die Lipidschichte der Membran treten.

Stoffwechselvorgänge in der Zelle laufen so geschützt vor unerwünschten Durchmischungseffekten ab; Konzentrationsgradienten können aufgebaut werden, die dann sekundäre Vorgänge erleichtern bzw. antreiben. Fettlösliche Stoffe dringen zwar leicht durch die Membran (Gase, Lipide), meist erfolgt der Austausch aber über selektive Transportsysteme. So gelangen Ionen durch eigene Permeasen, ihrem jeweiligen Konzentrationsgefälle folgend (Diffusion).

Die Diffusion von Substanzen (z.B. Natriumionen) kann auch genützt werden, um Begleitstoffe "huckepack" mitzutransportieren - auch gegen deren Konzentrationsgefälle, z.B. Glukose mit Natrium (Symport). Oder Stoffe werden gegeneinander an bestimmten Kanalproteinen ausgetauscht (Antiport).

Stoffe können auch unter Energieverbrauch (ATP) durch eine "Pumpe" (ATPase) gegen ihren Konzentrationsgradienten durch Membranen geschleust werden, z.B. Natrium und Kalium mittels der Na-K-Pumpe - Kalium in die, Natrium aus der Zelle.

Die Zellmembran verfügt über Rezeptormoleküle: Diese binden Signalmoleküle (Hormone, Transmitter,..) und dies löst einen Ionenfluss durch die Membran (z.B. Natriumeinstrom) und/oder einen intrazellulären Vorgang - mittels Folge-Signalstoffen (second messenger) - aus.

Gibt es Situationen bzw. Probleme, welche die Lebensfähigkeit der Zelle in Frage stellen (die Zelle ist überflüssig oder pathologisch verändert), kann ein Prozess eingeschaltet werden, der als Apoptose bezeichnet wird: Ein geordneter Untergang mit gezieltem Abbau der Zellkomponenten.


Einführung  Zellmembran Aquaporine Diffusion Kompartimentierung Transmembranaler Transport, Permeasen Intrazelluläre Flüssigkeit Zellorganellen Rezeptoren  (De)Sensitivierung: Rezeptoraktivität und -zahl Apoptose
 

>Abbildung: Zelle im Interstitium (links), am "Ufer" des Kreislaufs (rechts)
Rechte Abbildung modifiziert nach einer Vorlage in Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014


Eine Zelle nimmt aus der extrazellulären Flüssigkeit (dem Interstitium) Aminosäuren, Zucker, Salze, Spurenelemente, Signalstoffe etc. auf. Andere Stoffe - Substrate, Hormone, Transmitter usw. - werden an die extrazelluläre Flüssigkeit abgegeben

Gewebezellen "schwimmen" in der interstitiellen Flüssigkeit, die mit dem Blutkreislauf in regem Austausch steht


Eine erwachsene Person verfügt über etwa hundert Billionen (1014) Körperzellen (alleine die Zahl der roten Blutkörperchen macht ca. 25 Billionen aus - 5 Millionen pro µl Blut), und jede Sekunde werden ≈50 Millionen neue Zellen gebildet (einige Epithelzellen und weiße Blutkörperchen haben nur wenige Tage Lebensdauer, andere Zellen können Jahre oder Jahrzehnte überdauern, bevor sie ihre Funktion einstellen und ihre Komponenten wiederverwertet werden).

Rund die Hälfte der Körpermasse besteht aus Zellen (Intrazellulärraum), der Rest ist extrazellulär (Interstitium, extrazelluläre Flüssigkeiten). Zellen sind von einer Zellmembran umgeben, die einerseits der Abgrenzung dient (Lipid-Doppellamelle), andererseits der Kommunikation (Rezeptoren) und dem gezielten Stoffaustausch, der teils "passiv", d.h. Konzentrationsunterschieden folgt (Permeasen), teils "aktiv", d.h. gegen solche Konzentrationsgefälle, unter Energieverbrauch ("Pumpen"). Die Zelle selbst sowie Zellkern (Informationszentrum) und Mitochondrien (Energiefabriken) verfügen über zweischichtige, endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat (Synthese und Modifikation), Lysosomen und Peroxisomen (Abbau, Recycling) über einschichtige Membranen. Diese dienen der Eingrenzung der betreffenden Reaktionsräume.

Zellen zeigen meist räumliche Spezialisierung: So verfügen Epithel- und Endothelzellen über eine "Innen-" und "Außen"-Seite, die voneinander durch "Sperrzonen" getrennt und unterschiedlich mit Proteinen in ihrer Außenmembran ausgestattet sind. Beispielsweise haben Epithelzellen in Darmschleimhaut und Nierentubuli eine luminale (an das "Lumen", d.h. den Rohrinhalt angrenzende) und eine basolaterale (zur Seite bzw. zum Interstitium gerichtete) Seite bzw. Membran, und diese Membranen sind ganz unterschiedlich mit Transportsystemen ausgestattet. Soll z.B. eine Aminosäure aus dem Tubulus zum Blut befördert werden, muss sie die luminale Seite in die Zelle hinein und die basolaterale aus der Zelle heraus bringen, was unterschiedliche molekulare Transportmechanismen erfordert.


Membranfluss:
Membranen sind dynamisch und können ineinander übergehen, d.h. werden ständig neu zugeordnet (und mit Begleitmolekülen, z.B. Permeasen, ausgestattet). Der Ursprung des Membranmaterials liegt im endoplasmatischen Retikulum, das Membranbestandteile (Lipide, Membranproteine) neu synthetisieren und allenfalls Kohlenhydrate an diese knüpfen kann. Die Zellmembran ist asymmetrisch, außen finden sich die Glykokalix mit antigenen Glykoproteinen und die neutralen Lipide Lezithin und Sphingomyelin, innen z.T. negativ geladene Komponenten (Phosphatidylserin, Phosphatidylinositol). Die Bestandteile sind innerhalb der Membran mobil ("flüssig"): Zum Beispiel kann in der Erythrozytenmembran ein Lipidmolekül durch Lateralbewegung die gesamte Zelle in wenigen Sekunden vollständig umrunden.

Flüssig-Mosaik-Modell (fluid mosaic model): Biomembranen sind nicht starr, sondern sehr beweglich, und die Zelle kann ihre Eigenschaften beeinflussen - z.B. durch Veränderung der Fließfähigkeit (Fluidität), die durch Einbau von Doppelbindungen (ungesättigte Fettsäuren) erhöht werden kann. Phospholipide können innerhalb "ihrer" Membranschicht ihre Position (Transversalbewegung), Cholesterinmoleküle auch die Seite wechseln (Flip/flop-Mechanismus), was Phospholipide nur gelegentlich tun. Je mehr Cholesterin die Membran enthält, umso fester verhält sie sich - Cholesterinmoleküle positionieren sich zwischen Fettsäureketten der Phospholipide und erhöhen mit ihrem starren Steroidskelett die Membranstabilität. Fettlösliche Moleküle können innerhalb der Membran frei diffundieren (laterale Diffusion), außer dies wird durch spezielle Kräfte behindert. Hydrophile Moleküle bedürfen für die transmembranale Passage besonderer Transportmöglichkeiten, z.B. können Wassermoleküle über Aquaporine, Ionen über "Ionenkanäle" durch Biomembranen gelangen.

Die Zellmembran umschließt das Protoplasma - außerhalb des Zellkerns als Zytoplasma, innerhalb als Karyoplasma bezeichnet. Das Zytoplasma enthält (lichtmikroskopisch ungeformtes) Zytosol und darin eingelagerte Zellorganellen sowie Filamente (Zytoskelett) für Stabilisierung und Verankerung - deren Ausprägung hängt von der spezifischen Funktion der jeweiligen Zelle ab. So dient z.B. das rauhe endoplasmatische Retikulum der Proteinsynthese - und diese unterliegt wiederum der Steuerung aus dem Zellkern, d.h. der jeweils aktiven Gene.

  Genexpression (Exprimierung): Wie eine Zelle beschaffen ist (Blutkörperchen, Nervenzelle, Epithelzelle usw), hängt davon ab, welche Moleküle sie wie stark bildet (exprimiert) - das heisst, wie die Erbinformation abgelesen (Transkription) und für Synthesevorgänge übersetzt wird (Translation). Mit anderen Worten: Wie die Zelle den Genotyp (die genetische DNS-Vorgabe) zu einem konkreten Phänotyp umsetzt.

Zellen bestehen zu 70% aus Wasser, 15-20% Eiweiß, ≈10% Nukleinsäuren, Elektrolyten, sowie weiteren Stoffen in vergleichsweise geringer Konzentration. Membranen erlauben den geordneten Austausch dieser Stoffe innerhalb der Zelle sowie mit ihrer Umgebung und begrenzen zelluläre Reaktionsräume. In solchen Reaktionsräumen (Zytosol, Zellorganellen) werden Stoffe angereichert und biochemische Abläufe gesteuert.

 

<Abbildung: Flüssigmosaikmodell der Zellmembran
Nach: Pietzsch J. Mind the membrane. Horizon Symposia: Living Frontier, 1-4 (2004). Nature Publishing Co

Die Zellmembran ist eine komplexe Struktur aus Lipiden, Eiweißen und Kohlenhydraten. Der Anteil dieser Komponenten ist von Membran zu Membran unterschiedlich, je nach Erfordernissen. Die Membran enthält drei Arten von Lipiden:

Phospholipide sind der Hauptbestandteil (→ nächste Abbildung)

Cholesterin mit seinem starren Steroidgerüst ist sehr lipophil. Es lagert sich zwischen die Kohlenwasserstoffketten der Phospholipide und reduziert die Verformbarkeit der Membran (je geringer der Cholesteringehalt, desto "weicher" ist die Membran)

Glykolipide sind zusammen mit Glykoproteinen Bestandteile der Glykokalix, welche die Spezifität der Zelle (z.B. Epithelzelle, Nervenzelle...) signalisiert (Voraussetzung für die Bildung von Gewebsverbänden)

Proteine fungieren als Ankerpunkte für das Zytoskelett, können Ionenkanäle und Transportsysteme bilden, wirken als Enzyme, und dienen als Rezeptoren für extrazelluläre Signalstoffe

Biomembranen gibt es in lebenden Strukturen seit Milliarden Jahren, sie sind in der Evolution sehr früh entstanden und stellen ein fundamentales Bauprinzip der Zelle dar. Sie sind 6-10 nm dick (etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines roten Blutkörperchens) und sind die Basis der äußeren Zellmembran genauso wie die zahlreicher Zellorganellen (endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Vesikel, Lysosomen, Kernmembran). Je nach ihrer speziellen Funktion sind Biomembranen unterschiedlich zusammengesetzt. Tragender Baustein sind Lipide, die aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaft ideal für die Separation von Funktionsräumen - z.B. Zellinhalt vs. Umgebung - geeignet sind (Salze, Kohlenhydrate, Aminosäuren u.a. sind hydrophil, also wasserlöslich und können daher nicht ohne Transportechanismen durch Lipidmembranen treten).
  Das gesamte Membranmaterial wird innerhalb von ≈3 Wochen vollständig erneuert.

Gegenseitige Zellerkennung. Zellmembranen enthalten u.a. Glykoproteine (mit einem nach extrazellulär gerichteten Kohlenhydratanteil), vor allem im Nervengewebe finden sich auch Glykolipide (mit Sphingosin als Rückgrat: z.B. Cerebroside, Ganglioside). Der Zuckeranteil (meist <15 Zuckerreste - Glukose, Galaktose, Mannose, Fukose, Aminozucker) wird in endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat an Eiweiß bzw. Phospholipid angehängt. Da eine enorme Zahl molekularer Kombinationen dieses Arrangements möglich ist, fungieren Glykolipide und Glykoporoteine als Erkennungsmoleküle. Sie bauen die Glykokalix auf, ein System von "Antennen", die signalisieren, welche Differenzierung die jeweilige Zelle erfahren hat. So unterscheidet sich die Glykokalix einer Nervenzelle von der einer Muskelzelle etc. Bei der Ausbildung von Gewebsverbänden erkennen sich auf diese Weise gleiche Zellen untereinander, sie tragen an ihrer Oberfläche einen biochemischen "Ausweis".

Glykoproteine sind darüber hinaus Strukturträger von interzellulären Verbindungen wie gap junctions, bauen Rezeptormoleküle mit auf, und fungieren als immunologische Signalstrukturen (z.B. Blutgruppensubstanzen).



>Abbildung: Phospholipidmolekül in der Zellmembran
Nach einer Vorlage bei homepage.smc.edu

Membranlipide sind amphipathisch (weisen fett- und wasserlösliche Enden auf): Der Hauptanteil sind Phospholipide, bei denen eine der drei Fettsäuren eines Triazylglyzerins durch eine Phosphatgruppe ersetzt ist. Die häufigsten an die Phosphatidsäure gekoppelten Moleküle sind Serin, Äthanolamin, Cholin und Inositol (im hellgrünen Kreis), die häufigsten Fettsäuren (ocker) sind Palmitinsäure (C16, gesättigt) und Ölsäure (C18, ungesättigt)

Phospholipide (>Abbildung) sind Grundelement und Hauptbestandteil (mindestens 50%) der Zellmembran. Sie sind amphipathisch, d.h. sie weisen lipophile (nonpolarer "Schwanzteil") und hydrophile Enden (polarer "Kopfteil") auf.

In wässriger Lösung richten sich Phospholipide so aus, dass zweischichtige Membranen entstehen, die

     außen je eine hydrophile (polare, d.h. elektrisch asymmetrische) sowie

     in der Mitte eine lipophile (apolare) Zone aufweisen.

Diese Membranen sind das Grundelement verschiedener Zellorganellen, die Schichtform (flächenhafte Grenzstruktur: Zellmembran, Kernmembran, Mitochondrienmembran) oder Bläschenform annehmen können (d.h. sie umschließen einen mehr oder weniger kugelförmigen Innenraum, der hauptsächlich aus Wasser besteht).

Zu den Phospholipiden gehören Glyzerophosphatide (wie in der Abbildung gezeigt; im Gegensatz zu einem Triglyzerid hängt an einem C-Atom des Glyzerins ein Phosphatrest) und Sphingosinderivate (hier verankert der zweiwertige Aminoalkohol Sphingosin Fettsäuren, Phosphate und Zucker). Die Zellmembran verfügt über

Das Muster an Polarität (hydrophil) und Nonpolarität (lipophil) unterstützt die Bildung von Zellstrukturen und die Ausbildung von Kompartimenten
, in denen Stoffe angereichert oder aus denen andere Substanzen evakuiert werden.

Der Stoffaustausch durch Zellbarrieren hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab:

(1)  Konzentrationsverhältnisse - ist eine Substanz an den beiden Seiten einer Membran unterschiedlich konzentriert, dann unterscheidet sich auch die Wahrscheinlichkeit, mit der ihre Moleküle (im Rahmen der thermischen Bewegung) hindurchgelangen, und insgesamt bewegen sie sich in die Richtung, in der ihre Konzentration niedriger ist (Diffusion) - und

(2)  Durchlässigkeit (Permeabilität) der betreffenden Membran (Struktur) für den jeweiligen Stoff. So ist an epithelialen Häuten (Beispiel Darmschleimhaut) zwischen transmembranalem (durch die Membran) und parazellulärem Weg (durch Lücken zwischen den Zellen) zu unterscheiden (>Abbildung unten).
 

<Abbildung: Aquaporin als "Wasserkanal" in der Zellmembran
Nach einer Vorlage bei nobelprize.org

Gezeigt ist ein Aquaporin1-Kanal. Die positive Ladung in der Mitte des Kanals verhindert den Durchtritt von H3O+ und damit von Wasserstoffionen (Sauerstoffatome rot, Wasserstoffatome weiß)

Der Durchtritt von Wasser durch die Zellmembran wird durch Aquaporine - aus jeweils 4 Untereinheiten bestehende Proteinkomplexe, die in den meisten Zellmembranen vorhanden sind - ganz wesentlich erleichtert (H2O ist ein polares Molekül). Sie erlauben die Passage der Wassermoleküle in einer Weise, dass bis zur Mitte der Pore das Sauerstoffatom, dann die Wasserstoffatome "vorwärts" gerichtet sind (<Abbildung). Protonen werden dadurch an der Passage ausgeschlossen, was für die Erhaltung der zellulären Homöostase wichtig ist (Protonen "reiten" gerne auf Wassermolekülen mit - "proton wire").

Orthodoxe
Aquaporine (AQP 0, 1, 2, 4, 5, 8) lassen nur Wasser passieren, Aquaglyzeroproteine (AQP 3, 7, 9) auch u.a. Glyzerin und Harnstoff.

    Aquaporin 1 (apikale Membran proximaler Nierentubuluszellen)

    Aquaporin 2 (hormonabhämgig - Vasopressin -, apikale Membran von Sammelrohrepithelzellen)

    Aquaporin 3 (Sammelrohrepithel: basolaterale Membran)

    Aquaporin 4 (u.a. an der Blut-Hirn-Schranke beteiligt)

    Aquaporin 5  (Azinuszellen der Speicheldrüsen) ...

Aquaporine finden sich vor allem dort, wo reger Wasseraustausch stattfindet: Nierentubuli, Drüsenzellen, Erythrozyten, Kapillarwände, Lungenalveolen, Gallenblase.

 
Apolare
(fettlösliche, lipophile) Stoffe - wie Steroidhormone, Gase (CO2, O
2, NO etc), Endocannabinoide - dringen leicht durch Lipidmembranen. Größere polare Moleküle (z.B. Laktose 0,5 nm, Ionen, Glukose, Aminosäuren) benötigen für den Membran-Durchtritt "Kanäle" (Permeasen, Pumpen, s. unten). Permeasen sind aus Proteinen aufgebaut (sie nehmen einen erheblichen Anteil der genetischen Information in Anspruch) und bieten Kanäle mit ganz bestimmten Eigenschaften (diese machen sie "spezifisch": Natriumkanal, Kaliumkanal etc).

Transzelluläre Passage ist auch für kleine hydrophile Nichtelektrolyt wie Harnstoff (0,2 nm Molekülradius) möglich - d
er virtuelle Porenradius beträgt z.B. im Dünndarmepithel 0,3-0,4 nm. 

Moleküle können epitheliale Strukturen (z.B. Darmschleimhaut, Nierentubulus) auch parazellulär (zwischen den Epithelzellen) durchdringen, abhängig von der Durchlässigkeit der interzellulären Spalten.
 

>Abbildung: Überwindung von Epithelzellbarrieren
Nach einer Vorlage
in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology (1st ed.). Philadelphia, Saunders, 2003

Moleküle können Zellbarrieren auf unterschiedlichen Wegen passieren. Hier ist eine Epithelzellbarriere im Querschnitt gezeigt: Die Zellen sind seitlich über tight junctions miteinander verknüpft. Moleküle können solche Barrieren (z.B. im Darm oder in der Niere) auf zwei Wegen durchdringen:

Transzellulär (durch die Zelle):
Die Zellmembran (braun angedeutet) beinhaltet Kanäle (z.B. für Wasser, Kalium) bzw. Transportproteine (Na-Glukose-Kotransport, Na-H-Antiport, Na-K-Pumpe). Der Besatz mit solchen Permeasen ist je nach Funktion des Membranabschnittes verschieden: in der apikalen (links: luminalen - z.B. zur inneren Darm- oder Nierentubulusoberfläche gerichteten) anders als in der basolateralen Membran (rechts: zur Blutseite gerichtet)

Parazellulär
(zwischen Zellen),
hier die (elektrisch angetriebene) Wanderung von Natriumionen in das, und von Wasser aus dem, Lumen

Die >Abbildung zeigt einige Beispiele für transmembranal / transzellulären und parazellulären Transport (mit weniger als 1% der Fläche, die für den transzellulären Austausch zur Verfügung steht). Man erkennt auch die Spezialisierung der Zellmembran: Beispielsweise haben Epithelzellschichten eine "innere" (apikale) und "äußere" (basolaterale) Seite, durch die Moleküle und Ionen in unterschiedlicher Weise transportiert werden können, z.B. im Darm oder in der Niere.

Ionisationsgrad: Mit dem Ionisationsgrad eines Stoffes, der eine biologische Barriere überwinden will, sinken seine apolaren (lipophilen) Eigenschaften.

So diffundieren organische Säuren oder Basen im
nichtionisierten Zustand durch Zellmembranen (non-ionic diffusion). Das kann bei der Verteilung zwischen Kompartimenten unterschiedlichen pH-Wertes eine Rolle spielen - die Ionisierung ist pH-abhängig, und ein diffusibler Ausgleich wird durch Apolarität des betreffenden Stoffes erleichtert (beim pK-Wert ist die Hälfte des Stoffes dissoziiert, die andere Hälfte liegt in apolarer Form vor).


<Abbildung: Transzytose
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2006

In diesem Beispiel erfolgt die Endozytose mittels des Clathrinmechanismus (s. auch weiter unten), die Exozytose am entgegengesetzten Zellpol: Der Stoff wird durch die Zelle hindurchtransportiert

Zahlreiche Stoffe
(z.B. Proteine, insbesondere Lipoproteine, Transferrin - auch Gifte, z.B. Botulinustoxin) können durch Endozytose (Phago-, Pinozytose - Bindung an spezifische Membranrezeptoren) in das Zellinnere aufgenommen werden und durch Transzytose - der Transportweg durch eine Zelle, der Endozytose an einem Ende (z.B. apikal) mit Exozytose am anderen Ende der Zelle (z.B. basolateral) kombiniert - durch Zellbarrieren gelangen (Abbildungen).

Transzytotisch werden z.B. Transferrin (Eisentransport), Hormone (Insulin) oder Immunglobuline (IgA) durch Zellen gebracht. Transzytose erfolgt vor allem in Epithelzellen (Nieren, Darm etc.), aber auch im Knochen (Osteoklasten), in M-Zellen des Darms und in Nervenzellen.
 

>Abbildung: Formen der Endozytose
Nach einer Vorlage in Stoelting's Pharmacology & Physiology in Anesthetic Practice, 5ed. 2014. Lippincott Williams&Wilki

Phagozytose ist die Aufnahme fester Partikel, (Makro-)Pinozytose die Aufnahme gelöster Teilchen

  (1) Konzentration: Frei bewegliche Moleküle (Ionen) gleichen Konzentrationsunterschiedliche automatisch aus:

  Liegt ein Stoff an einer Stelle im Raum konzentrierter vor als in seiner Umgebung, ist die Wahrscheinlichkeit, dass von hier aus seine Moleküle in die Umgebung hüpfen ("Brown'sche Molekularbewegung") größer als für die Gegenrichtung. Diese Netto-Bewegung heisst Diffusion: ein Ergebnis der Wahrscheinlichkeit.


<Abbildung: Diffusion


Besteht an einer Membran ein Konzentrationsunterschied für einen Stoff (für den die Membran durchlässig ist), so ist auch hier die Zahl der Moleküle, die sich in Richtung der niedrigeren Konzentration bewegen, größer als die Zahl der Moleküle, die in die Gegenrichtung streben (soferne nicht ein entgegengesetzter Transportmechanismus, z.B. Na/K-Pumpe, wirksam ist).

Ein solcher Konzentrationsunterschied ist das Ergebnis vorausgegangener gerichteter Transportvorgänge durch die Membran.

Diffusion ist die Bewegung von Teilchen von Orten (ihrer) höherer Konzentration zu Orten (ihrer) geringerer Konzentration. Sie gleicht also Konzentrationsunterschiede aus, soferne diese nicht durch Transportprozesse (weiter) aufrecht erhalten werden.

Diffusion ist der Ablauf der in Summe wahrscheinlichsten molekularen Bewegung. Sie spielt überall im Körper eine Rolle:

  In jeder Zelle, wo Stoffe zwischen Zellkompartimenten hin- und herwandern,

  im Gewebe, z.B. diffundieren Nahrungsstoffe zu Zellen und Stoffwechselprodukte von Zellen weg,
 

  zwischen Blutgefäßen und Gewebe (kapillärer Stoffaustausch), wobei sehr unterschiedliche Permeabilitäten vorliegen - z.B. Blut-Hirn-Schranke, Chorioidea und Netzhaut (Bruch'sche Membran im Auge),

  zwischen Atemluft und Blut (Lunge)

und so weiter. Je größer die verfügbare Trennfläche und je geringer ihr Durchmesser, umso leichter kann der Austausch erfolgen (umso höher ist die Permeabilität):

 

>Abbildung: Diffusion durch eine Zellmembran


  Diffusionsgesetz nach A. Fick

Entspricht dem Hausverstand: Die Menge an pro Zeit diffundierendem Stoff (J) ist proportional der Austauschfläche (A) und dem Konzentrationsgrandienten (Δc) sowie umgekehrt proportional der
Diffusionsstrecke (Membrandicke). Zusätzlich erlaubt eine Stoffkonstante (Krogh'scher Diffusionskoeffizient D) - spezifisch für die Materialien, also jeweils für diffundierende und Membransubstanz - eine direkte molare Berechnung (Stoffmenge pro Zeit). In der üblichen Notation:

J = -D x A x Δc




<Abbildung: Tonizität und Osmose
Nach einer Vorlage bei Guyton & Hall, Textbook of Medical Physiology, 10th ed, Saunders Philadelphia 2000

Gelangt eine Zelle in hypotone Flüssigkeit (z.B. Schweiss), schwillt sie an (links unten), gerät sie in hypertone Umgebung (z.B. im Nierenmark), schwillt sie an (rechts unten). Isoton ist eine Flüssigkeit, wenn sie die gleiche osmotische Konzentration hat wie Blutplasma (≈285 mOsm/l)

Ein spezieller Fall der Diffusion ist die Osmose (Genaueres s. dort): Diffusion einer Flüssigjkeit durch eine Membran, durch welche zwar die Flüssigkeitsmoleküle (z.B. Wasser), nicht aber in ihr gelöste (größere) Moleküle gelangen können. Das hat zur Folge, dass z.B. Zellen in hypotoner Umgebung anschwellen (Wasserkonzentration außen größer als innen) und in hypertoner schrumpfen (Wasserkonzentration innen größer als außen, <Abbildung).

Fettlösliche (lipophile) Stoffe - wie z.B. Steroidhormone - gelangen leicht durch Zellmembranen, die ja hauptsächlich aus Lipiden bestehen. Wasserlösliche (hydrophile, lipophobe) Substanzen benötigen für die Membranpassage...

  (2) ... spezielle Membranproteine. Diese

     erleichtern die Diffusion (erleichterte Diffusion: facilitated diffusion),

     lassen Kombinationen von Stoffen durch die Membran treten (Symport, z.B. Natrium und Glukose),

     tauschen Stoffe zwischen innen und außen aus (Antiport, z.B. Natrium- gegen Wasserstoffionen),

     oder "pumpen" unmittelbar energieverbrauchend (ATP-abbauend) gegen ein vorhandenes Konzentrationsgefälle, wie  die Natrium-Kalium-ATPase ("Na+-K+-Pumpe"), die Kaliumionen in die Zelle und Natriumionen aus ihr heraus treibt (jeweils entgegen dem bestehenden Konzentrationsgradienten). Solche "Pumpen" sind die Verursacher von Konzentrationsunterschieden, die wiederum zu Diffusionsströmungen durch Membranen führen (die Diffusion läuft immer in Richtung des Konzentrationsausgleichs).



  Kompartimente: Lipidmembranen trennen Reaktionsräume (compartments)voneinander, deren unterschiedlichen Stoffkonzentrationen erforderlich sind, um den Metabolismus von Zellen und Geweben aufrechtzuerhalten. Andererseits lassen Zellmembranen einen kontrollierten, selektiven Austausch zwischen diesen Räumen zu, was unabdingbar für Lebensfunktionen ist.

  Auch die meisten Zellorganellen bilden mit ihrem Membranen Kompartimente, in denen biochemische Vorgänge von ihrer Umgebung abgeschirmt ablaufen können - dies ermöglicht geordneten Stoffwechsel und strukturierte Informationsübertragung.


1974 ehrte das Nobelpreiskommittee Albert Claude, Christian de Duve und Georg E. Palade mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "für ihre Entdeckungen zur strukturellen und funktionellen Organisation der Zelle". Claude und Palade befassten sich bahnbrechend mit der elektronenmikroskopischen Untersuchung zellulärer Strukturen.
 

 
>Abbildung: Membran-Recycling von Endo- bis Exozytose
Nach: Silverthorn, Human Physiology, an integrated approach, 4th Int'l ed. 2007, Pearson / Benjamin Cummings

Membranflächen, die zur Endozytose herangezogen werden, sind an ihrer Innenseite mit Clathrin-Proteinen ausgestattet. Diese umgeben nach Einschnürung (Invagination) der Membran das entstandene Vesikel (coated vesicle) und stabilisieren es vorübergehend. Der Inhalt des Vesikels wird anschließend abgebaut oder wiederverwertet

Fettlösliche Stoffe können direkt durch die (fetthaltige) Zellmembran gelangen, wasserlösliche benötigen Transportmoleküle
. Die Zellmembran kann zwischen äußerer und innerer Verortung wechseln. Verlagerung von Hormonrezeptoren nach intrazellulär senkt die Hormonempfindlichkeit der Zelle (receptor downregulation), der umgekehrte Vorgang (receptor upregulation) erhöht sie

Exozytose ist eine Möglichkeit, Stoffe aus der Zelle zu befördern - durch Verschmelzen eines Vesikels mit der Zellmembran Der Golgi-Komplex baut Membranmaterial um, bildet sekretorische Vesikel und Lysosomen Lysosomen sind Vesikel mit hoher H+-Konzentration (niedrigem pH-Wert) ihres Inhalts

 Rezeptoren binden Signalmoleküle (Liganden = zu bindende Stoffe). Diese Bindung löst spezifische Reaktionen der Zelle, andererseits Endozytose und Unterbrechung der Signalübermittlung aus (Regulierung der Rezeptorzahl)

Die Zellmembran unterliegt ständigem Auf-, Um- und Abbau (>Abbildung).

  
 Transmembranaler Transport, Permeasen

SLC, OAT, OCT Ionenkanäle ATP-verbrauchende Pumpen Symport (Cotransport) Exchanger (Antiport)

Transport von Stoffen durch die Membran erfolgt allgemein durch Transportproteine, der Vorgang erfolgt entweder entsprechend einer Konzentrationsdifferenz - einfache Diffusion direkt transmembranal (lipophile Substanzen, z.B. Steroide) - oder durch entsprechende Permeasen ("Kanäle", "Carrier" - erleichterte Diffusion) wie z.B. der Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) an Epithelzellen. CFTR ist ein Chloridkanal, dessen Veränderung (Genmutation) zu Mukoviszidose (zystischer Fibrose) führen kann.

Wird ein Molekül / Ion alleine durch die Membran geschleust, spricht man von Uniport; werden an einem Transporter gleichzeitig bestimmte Moleküle / Ionen nach außen, andere nach innen gelassen, also gegeneinander ausgetauscht, spricht man von Antiport; gelangen sie gemeinsam durch die Membran, von Symport.

Dabei ist die Geschwindigkeit des Austausches von mehreren Faktoren abhängig:

     Von bestehenden  Konzentrationsdifferenzen;

     von der Zahl verfügbarer Transporter (allfällige Sättigung des Transportsystems mit dem "Passagier");

     allenfalls von gleichzeitiger Anwesenheit anderer Komponenten, die um den Transport über ein und dasselbe System konkurrieren (Kompetition);

     von elektrischen Ladungen, die sich durch Transportvorgänge aufbauen (Membranpotential);

     schließlich - wenn der Transport energieverbrauchend ist - von der Verfügbarkeit des Energieträgers (ATP).
 


<Abbildung: Passive und aktive Transportsysteme
Nach einer Vorlage bei mblintl.com

SLC-Transporter (solute carrier) bringen sowohl Ionen als auch organische Moleküle durch die Membran (organische Kationen- und Anionentransporter OATs und OCTs.) ABC-Transporter (ATP binding cassette) transportieren Stoffe energieverbrauchend durch die Membran

Zu den Membrantransportproteinen (Permeasen) gehört die sehr diverse Gruppe (über 300 Vertreter) der SLC-Transporter (solute carrier), die sowohl Ionen als auch organische Moleküle durch die Membran passieren lassen - z.B.

  OATs, organische Anionentransporter. Sie befördern organische Anionen im Austausch gegen eine Dikarbonsäure (z.B. Glutarat) in die Zelle. Das funktioniert, solange die Zelle über einen entsprechenden "Vorrat" an Dikarbonsäuren verfügt - daher gibt es Membransysteme, die Dikarbonsäure im Austausch gegen Na+ wieder in die Zelle bringen

  OCTs, organische Kationentransporter

Diese Membranstrukturen ermöglichen den Durchtritt wenig lipophiler (d.h. polarer, wasserlöslicher) Moleküle; "Ionenkanäle" erlauben den (zum Teil selektiven) Durchtritt von Ionen (Na+, K+, Ca
++, Cl--Kanäle, etc.).

Für die Aufnahme von Aminosäuren  über die Zellmembran stehen 14 unterschiedliche Transportsysteme zur Verfügung; diese befördern eine oder meist mehrere Arten von Aminosäuren - teilweise natriumabhängig. Ist eines dieser Systeme beschädigt, resultiert eine Aminosäuretransportstörung, die betreffenden Aminosäuren werden z.B. in Niere oder Darm nicht ausreichend resorbiert; Folge sind Mangelerkrankungen (Cystinurie, Glycinurie, Hartnup-Krankheit).

Ionenkanäle haben meist eindeutige Präferenz für ein bestimmtes Ion. Sie können (in)aktiviert werden durch

  Bindung von Liganden ("kanalgebundener", ligandengesteuerter oder "ionotroper" Rezeptor) oder durch

  Änderung des Membranpotentials (spannungsgesteuerter Ionenkanal). So ermöglichen z.B. spannungsabhängige Kalziumkanäle (Voltage dependent calcium channels, VDCC) Einstrom von Kalziumionen (die extrazellulär um >3 Zehnerpotenzen konzentrierter vorliegen als intrazellulär) in die Zelle
Ionenkanäle und damit die Zellfunktion können in vielfacher Weise durch Medikamente beeinflusst werden.
 

>Abbildung: Natrium- und Kalium-Permease ("Kanal")
Nach Bohnen MS et al,
Molecular Pathophysiology of Congenital Long QT Syndrome. Physiol Rev 2016; 97: 89-134

Das Konzentrationsgefälle für Kalium (innen ≈150, außen 4-5 mM) und Natrium (außen 140-145, innen 8-30 mM) treibt diese Ionen durch selektive Permeasen in der Zellmembran, die ansonsten für Ionen weitgehend undurchlässig ist (erleichterte Diffusion). Öffnungswahrscheinlichkeit und damit Durchlässigkeit der Permeasen hängen von den Begleitumständen ab


Natrium-   Kalium-   H+-   CNG-   Kalzium-   Chlorid-   HCN- Kanäle
 
Ionenkanäle sind z.B.

      Natriumkanäle (Na+-Permeasen), u.a. der epitheliale Natriumkanal (ENaC) polarer Epithelzellen (z.B. in Drüsen, Schleimhäuren, in der Niere), der für die Stabilisierung der Na+- und K+-Konzentration in Blut und Gewebe besondere Bedeutung hat, s. weiter unten.

Natriumkanäle funktionieren u.a.
 
     spannungsabhängig (voltage gated) - z.B. an Nerven- (Aufstrich des Aktionspotentials), Muskel-, Glia- oder Epithelzellen; Depolarisation öffnet sie (s. auch dort)
 
     ligandengesteuert (ligand gated) - z.B. an der motorischen Endplatte; ihre Öffnungswahrscheinlichkeit hängt von der Bindung eines Transmitters (wie Azetylcholin) an den Rezeptor ab
 
 
<Abbildung: Regulation des epithelialen Natriumkanals (ENaC)
Nach: Bhalla V, Hallows KR, Mechanisms of ENaC regulation and clinical implications. JASN 2008; 19: 1845-54

Die Regulation erfolgt über externe (Hormonwirkung, Scherkräfte, proteolytische Spaltung) und interne Faktoren (Natriumionen, Ubiquinierung, Kinasen u.a.). ENaCs bestehen aus α, β und γ-Untereinheiten; jeweils mit zwei membrandurchspannenden Domänen. Sowohl die N- als auch die C-Enden liegen intrazellulär

AMP, Adenosinmonophosphat - Ser
  Thr: Aminosäuren (Serin, Threonin)   P = Phosphat   Ubiquitine (Ub) sind kleine Proteine, das an andere Proteine reversibel binden und deren Eigenschaften (Funktion, Lebenszeit, Verteilung) verändern

Manche Ionenkanäle sind speziell auf bestimmten Zellen zu finden, z.B. der epitheliale Natriumkanal (ENaC; <Abbildung) in der Apikalmembran polarer Epithelzellen in Niere, Lunge, Harnblase, Colon, Speichel- und Schweißdrüsen, Geschmacksrezeptoren (Salzgeschmack).

ENaC sind am Transport von Natriumionen (zusammen mit der Na-K-Pumpe) beteiligt; durch ihren Einfluss auf die Natriumresorption in Niere und Darm sind sie wichtig für die Aufrechterhaltung der Na+- und K+-Konzentration in Blut und Gewebe.

Expression und Aktivität der ENaC werden durch Aldosteron beeinflusst und können pharmazeutisch blockiert werden (z.B. Amilorid, ein kaliumsparendes Diuretikum; ENaCs bezeichnet man daher als amiloridempfindlich).

ASICs: Eine Untergruppe der ENaCs sind Natriumkanäle an Nervenzellen, die durch extrazelluläres H+ Natriumpermeabilität entwickeln (acid-sensing ion channels). Ihre Aufgabe ist es, Neuronen zu entsprechenden Antworten auf extrazelluläres Absinken des pH zu veranlassen. Der Natriumeinstrom depolarisiert die Zelle, und Kalziumionen strömen durch spannungsabhängige Kalziumkanäle (Voltage-dependent calcium channels, VDCCs) ein, und die Erregung der Zelle triggert verschiedene Sekundäraktivitäten (Phosphorylierungen etc).
 

 

  
>Abbildung: Kaliumkanal-Bausteine von der Seite (links), kompletter Kanal im Blick auf die Membran (rechts)
Nach Pardo LA, Stühmer W. The roles of K+ channels in cancer. Nature Rev Cancer 2014; 14: 39-48

Kir = inwardly rectifying Kv = voltage gated

       Kaliumkanäle (K+-Permeasen) - man kennt mehrere Klassen:

      Spannungsgesteuerte (voltage gated), deren Öffnungswahrscheinlichkeit vom Membranpotential abhängt, z.B. am Herzen

      In der luminalen (apikalen) Membran von Tubulus- und Sammelrohrzellen der Niere spielen ROMK (Renal Outer Medullary Potassium (K) channel) für die Ausscheidung von Kalium eine tragende Rolle

      Kalziumaktivierte (öffnen bei Bindung von Ca++), z.B. an Gefäßen, Leberzellen oder im Innenohr. Hierher gehören SK3 (small conductance calcium-activated potassium channel 3), IK (Intermediate conductance channels) und andere Ca++-aktivierte Kaliumkanäle

      GIRK: G protein-coupled inwardly rectifying potassium (K) channels, "Einbahn"-K+-Kanäle lassen Kaliumionen bevorzugt in die Zelle (Herz, Nephron) - zu dieser Gruppe gehören auch ATP-sensitive Kanäle (KATP channels), vorwiegend in der Zellmembran, aber auch in Sarkolemm (sarcKATP), Mitochiondrien- (mitoKATP) oder Kernmembran (nucKATP), die werden von intrazellulären Nukleotiden (ATP, ADP) beeinflusst

      Tandem pore domain potassium channels haben eine hohe Grundleitfähigkeit und verursachen z.B. das Ruhepotential in Nervenzellen
 


 
 
<Abbildung: Protonenpumpe
Nach einer Vorlage bei Addison Wesley Longman 1999


     Wasserstoffionenkanäle (H+-Permeasen, <Abbildung), z.B. in Belegzellen des Magens (Magensäureproduktion), in der "sealed zone" von Osteoklasten (sie erzeugen ein saures Milieu, dadurch löst sich der Knochen auf) oder in der inneren Mitochondrienmembran.

In diese Gruppe gehört auch Thermogenin (UPC1, uncoupling protein 1), das ausschließlich in braunem Fettgewebe nachgewiesen worden ist und und dort durch Entkopplung im Mechanismus der ATP-Energieübertragung Wärme entstehen lässt.




     
>Animation: CNG-Kanal
Quelle: Biel M, Michalakis S. Function and Dysfunction of CNG Channels: Insights from Channelopathies and Mouse Models. Mol Neurobiol 2007; 35: 266-77


        CNG: Cyclic nucleotide-gated ion channels sind komplex aufgebaute, nichtselektive Kationenkanäle, die auf die Bindung zyklischer Nukleotide (cGMP, cAMP) mit Öffnung reagieren (>Abbildung). Sie sind in die Signaltransduktion von Photorezeptoren in der Netzhaut und olfaktorischer Rezeptoren (Geruchssinn) integriert; ihre Struktur bestimmt ihre Funktion (z.B. Gonadotropinsekretion, Nieren-, Spermienfunktion).

      Eine Unterart der CNG-Kanäle sind HCN-Kanäle (Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channels) - Ionenkanäle, die je nach Lage des entsprechenden Gleichgewichtspotentials Kationen (Na+, K+) durch die Zellmembran strömen lassen. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Beeinflussung der Erregbarkeit von Nerven- und Herzmuskelzellen - vor allem im Sinusknoten des Herzens, wo sie Schrittmacherfunktion haben ("pacemaker channels").



 
<Abbildung: Mechanismus des speicherbetriebenen Kalziumeinstroms
Nach: Prakriya M, Lewis RS, Store-Operated Calcium Channels. Physiol Rev 2015; 95: 1383-436

Kommt es zu einer Entleerung der Kalziumspeicher aus dem endoplasmatischen Retikulum, lagern sich Orai1- und STIM1-Moleküle in der Zellmembran bzw. der Wand des endoplasmatischen Retikulums clusterförmig aneinander (mittleres Bild). Daraufhin öffnen sich Oari1-Kanäle und lassen Ca++ in die Zelle strömen (unteres Bild)

     Kalziumkanäle:

      Kalziumkanäle können spannungsabhängig sein (Voltage dependent calcium channels VDCC), z.B. im Herzen

      Epitheliale Kalziumkanäle werden als ECaC (epithelial calcium channels) bezeichnet

      TRPV6 (ein transient receptor potential cation channel) ist vor allem für die Kalziumresorption aus dem Darm erforderlich

      Eine eigene Gruppe (mit keiner anderen Ionenkanalgruppe homolog) sind die ORAI1 (Calcium release-activated calcium channel protein 1) der Zellmembran, die durch Entleerung intrazellulärer Ca++-Speicher angeregt werden. Durch direkte Interaktion mit STIM1 (Stromal interaction molecule 1), einem Kalziumsensor des endoplasmatischen Retikulums, können sie aktiviert werden (<Abbildung). Der Mechanismus wird als speicherbetriebener Kalziumeinstrom (SOCE: store-operated calcium entry) bezeichnet

      Speicherbetriebene Kalziumkanäle (Store-operated calcium channels, SOCs) sind eine herausragende Ca++-Quelle (sowohl in erregbaren als auch nicht-erregbaren Zellen). Während Ca++-Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum aufgrund dessen begrenzter Speicherkapazität nur einen kurzzeitigen Effekt aufweist, hält die Aktivierung speicherbetriebener Kalziumkanäle - die auch nicht spannungsabhängig sind - lang an (Minuten bis Stunden). Vorgänge wie Sekretion, Gentranskription und Enzymaktivität können so nachhaltig beeinflusst werden.



      Chloridkanäle (ClC, Chloride channels), z.B. im Zusammenhang mit Rezeptoren inhibitorischer Neurotransmitter (GABA, Glyzin), in der Lunge, in Nierentubuli, im Pankreas, in Gallengängen, im Magen (Belegzellen), im Darm. Chloridkanäle stabilisieren auch das Membranpotential in Skelettmuskelzellen. Epitheliale Chloridkanäle werden als Epithelial Chloride Channel (E-ClC) bezeichnet.

Der Mensch verfügt über neun Isoformen (ClC1 bis ClC9), die unterschiedlich exprimiert werden - teils in der Zellmembran, teils intrazellulär (Chloride Intracellular Ion Channels, CLIC). Der Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) ist cAMP-reguliert und wird auch zu den ATP-bindenden ABC-Transportern gezählt; er reguliert den transmembranalen Salztransport (Chlorid gelangt durch den CFTR aus der Zelle, Wasser folgt osmotisch nach), Mutationen können zum Krankheitsbild der zystischen Fibrose führen.



"Für ihre Entwicklung einer Methode zum direkten Nachweis von Ionenkanälen in Zellmembranen zur Erforschung der Signalübertragung innerhalb der Zelle und zwischen den Zellen" - mit anderen Worten, für die Einführung der patch-clamp-Technik - erhielten die Deutschen Erwin Neher und Bert Sakmann 1991 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.



  
Membranpassagen werden angetrieben durch

    Konzentrationsdifferenz und Diffusion (Ionenkanäle wechseln zwischen "offener" und "geschlossener" Konfiguration; diese Dynamik ist die Grundlage für Membranpotential, Erregung, Informationsleitung); oder
 
    aktiven Transport - z.B. Na+-K+-ATPase (>Abbildung). ABC-Transporter (ATP binding cassette) transportieren Stoffe spezifisch und energieverbrauchend (ATP) durch die Membran. Die Bauanleitung für diese "Pumpen" wird durch zahlreiche verschiedene Gene kodiert. ABC-Transporter finden sich vor allem in sezernierenden Geweben (Leber, Darm,
Blut-Hirn-Schranke), sie bringen meist hydrophobe Moleküle aus der Zelle (Exporter) und dienen dabei typischerweise der Entgiftung.
 

>Abbildung: Na+-K+-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe)
Nach einer Vorlagebei science.halleyhosting.comt

Zwei Zustände der Pumpe: Links nach innen offen (Natrium wird aufgenommen, Kalium abgegeben), Energie für Konformationsänderung wird aus ATP-Abbau gewonnen; rechts nach außen offen (Natrium wird abgegeben, Kalium aufgenommen)

 
     Die Natrium-Kalium-Pumpe (Na+-K+-induzierbare ATPase, >Abbildung) fördert unter Energieverbrauch (ATP → ADP + Phosphat) 3 Natrium- (nach außen) gegen 2 Kaliumionen (nach innen), d.h. es überwiegt der Transport von Kationen nach außen.

Dies gleicht die Tatsache aus, dass die hohe Konzentration großer (nicht-permeabler) Anionen - Proteine - in der Zelle dazu führt, dass Kationen (die über Ionenkanäle durch die Membran treten können) die Tendenz haben, die Zelle zu betreten und die zelluläre Osmolalität zu steigern (z.B. 300 mOsm innen vs. 298 mOsm im Interstitium); Anionen wandern hingegen aus der Zelle (Unterschied jeweils 8 mOsm). Die ungleiche Ionenverteilung führt zu einer leichten Aufladung (der Beitrag zum Membranpotential beträgt durch diesen Mechanismus etwa 1,5 mV: Gibbs-Donnan-Potential
).
Bei einem Ausfall der Na-K-Pumpe sammeln sich Kationen in der Zelle an und lassen sie anschwellen (z.B. Hypoxie; "trübe Schwellung" in der Pathologie).
 

<Abbildung: Der Natriumgradient - erzeugt durch die Na-K-Pumpe, >Abbildung oben - treibt sekundäre Transportvorgänge an

Nach einer Vorlage in studyblue.com


Zellaußenseite oben, Innenseite unten. Hier gezeigt: Auswärtstransport von Ca++ und H+ (Antiport), Einwärtstransport von Glukose und Aminosäuren (Symport), jeweils angetrieben durch den Natriumgradienten (roter Pfeil: außen 145 mM, innen 8-30 mM, s. Tabelle)

      Kalziumexportpumpen (plasma membrane calcium ATPases, PMCAs) sind ebenfalls ATP-betrieben, sie bringen ein Ca++-Ion aus der Zelle im Austausch gegen ein oder mehrere Proton(en). Sie haben hohe Affinität (0.2–0.5 μM) und sind dadurch in der Lage, Kalzium aus der Zelle über ein Konzentrationsgefälle von mindestens zwei Zehnerpotenzen (!) in den Extrazellulärraum ([Ca++] >1mM) zu transportieren.

Die physiologische Bedeutung der PMCAs ist aus mehreren Erkrankungen ersichtlich, die auf PMCA-Defeken beruhen (Ataxie, Taubheit, Autismus, Bluthochdruck, Präeklampsie, koronare Herzkrankheit, Myokardinfarkt u.a.).

      Die Aufnahme freier Ca++-Ionen aus dem Zytoplasma in das sarkoplasmatische Retikulum verschiedenster Muskelzellen erfolgt über SERCA (Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase), eine energieabhängige Kalziumpumpe (ATPase) in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums. Die Aktivität dieses Systems ermöglicht die Entspannung des Muskels (vgl. Lusitropie am Herzmuskel).
 



  Kotransport (Symport, d.h. Mittransport in dieselbe Richtung) - sekundär energieverbrauchend, ein bestehender elektrochemischer Gradient wird für den Mittransport einer zweiten Molekülart (in dieselbe Richtung) genutzt. Man kennt z.B.

   Natrium-Glukose-Kotransporter (SGLT: Sodium glucose transporter) - dieser bringt Glukose gegen ihr Konzentrationsgefälle ("bergauf") in die Zelle, angetrieben durch den Natriumgradienten in die Zelle (<Abbildung) und damit energetisch durch die Na+/K+-ATPase "befeuert" (sekundär aktiver Transport). Natrium-Glukose-Kotransport findet sich im Bürstensaum von Darmmukosa- und Nierentubuluszellen

   Natrium-Aminosäure-Kotransporter (z.B. Glutamat)

   Natrium-Taurocholat-Kotransporter (NTCP)

   Natrium-Phosphat-Kotransporter (NaPi) im proximalen Nierentubulus (resorbiert ≈80% des filtrierten Phosphats, 3 Na mit 1 Phosphat)

   Natrium-Bikarbonat-Kotransporter (NBC), z.B. im proximalen Nierentubulus

   Natrium-Kalium-Chlorid-Kotransporter (Na+/K+/2Cl--Cotransport, NKCC), z.B. im Dünn- und Dickdarm, im Pankreas, in der Henle'schen Schleife der Niere oder der stria vascularis des Innenohrs

   Natrium-Chlorid-Kotransporter (NCC), z.B. in distalen Nierentubuli

   Kalium-Chlorid-Kotransporter (KCC) im proximalen Nierentubulus (transportiert rückresorbiertes Chlorid über die basolaterale Membran) und in Neuronen

   Natrium-Jodid-Kotransporter (NIS, Natrium-Jodid-Symporter) in den Follikelepithelzellen der Schilddrüse

  Wasserstoffionen-Oligopeptid-Kotransporter (PepT 1), resorbiert Peptide H+-abhängig in Nierentubulus und Darm

   Wasserstoffionen-Monokarboxylat-Kotransporter (MCT 1, 2, ...), transportieren H+-abhängig Monokarboxylate (wie Laktat, Pyruvat, Azetessigsäure usw. - wichtig z.B. für den Export von Laktat aus Erythrozyten oder den Import von Laktat in das Gehirn)

   Wasserstoffionen-divalente Kationen-Kotransporter (DCT 1) - auch: Divalent metal transporter (DMT), Natural resistance-associated macrophage protein (NRAMP) - bindet und transportiert zweiwertige Kationen wie Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Cadmium




>Abbildung: Passiver ("Kanäle", "Carrier") und aktiver Transport ("Pumpen", gekoppelter Transport) durch die Zellmembran
Nach: Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Ed. Sinauer Associates & WH Freeman




  Austausch (Exchanger, Antiport) - sekundär energieverbrauchend, ein bestehender elektrochemischer Gradient wird für den Austausch mit einer zweiten Molekülart (in die Gegenrichtung) genutzt. Man kennt z.B.

   Natrium-Kalzium-Austauscher (NCX), z.B. im Herzmuskel

   Natrium-Wasserstoffionen-Austauscher (NHE) - ein sehr wichtiger Natriumtransporter, z.B. in der apikalen Membran von Nierentubulus-, Darmschleimhaut- oder Gallenblasenzellen

   Chlorid-HCO3--Austauscher (Anionenaustauscher, AE), tauscht an Zellmembranen Cl- gegen HCO3- aus, z.B. in den Ausführungsgängen der Speicheldrüsen, des Pankreas oder in der Membran von Erythrozyten (Hamburger-Effekt).

   Pendrin ist ein Anionenaustauscher (Chlorid, Bikarbonat, Sulfat, Jodid, Formiat), der u.a. in der Niere (Chlorid / Bikarbonat) und in der Schilddrüse vorkommt (Jodid)

   Natriumbetriebener Chlorid-Bikarbonat-Austauscher (tauscht Natrium und Bikarbonat gegen zwei Chloridionen aus)

   Sulfat-Austauscher (SAT, Sulfat gegen zwei Anionen)

   Renaler Organic Anion Transporter (OAT, z.B. PAH gegen Ketoglutarat)

   Chlorid-Formiat-Austauscher (Cl- gegen COO-)

   Chlorid-Oxalat-Austauscher (Cl- gegen C2O4--)

  primär aktiv (energieverbrauchend), z.B.

  ABC (ATP binding cassette-Transporter) - diese (phylogenetisch sehr alten) membrandurchspannenden Proteine nehmen von ATP die Energie für den Transport von endogenen wie auch körperfremden Stoffen (Medikamenten!) - dies kann sowohl in die Zelle (z.B. Vitamin B12) als auch aus ihr heraus erfolgen.



Intrazelluläre Flüssigkeit. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Zytosol hängt wesentlich von der Art der Zelle ab. So ist die Chloridkonzentration in Epithelzellen höher als in Nervenzellen. (Messtechnisch wird nicht die Konzentration, sondern die Aktivität von Ionen im Zytosol bestimmt und aus ihr die Konzentration ermittelt.) Die Tabelle zeigt neben intrazellulären Referenzwerten (Zytosol) Vergleichswerte für die extrazelluläre (interstitielle) Flüssigkeit bzw. das Blutplasma:


Zusammensetzung physiologischer Flüssigkeiten
(Bereiche bzw. gerundete Mittelwerte - kombiniert nach verschiedenen Quellen)

Intrazelluläre Flüssigkeit
Extrazelluläre Flüssigkeit
Interstitium Blutplasma*
Na+
10 (8-30) mM/l 143 mM/l142 mM/l
K+ ≈150 mM/l 4,4 mM/l4,4 mM/l
Ca++ ≈10-4 mM/l
1,3 mM/l2,5 mM/l
Mg++ 0,25-1,0 mM/l 0,7 mM/l0,9 mM/l
Cl- 8 (4-30) mM/l 115 mM/l102 mM/l
HCO3- 10 (8-15) mM/l 28 mM/l24 mM/l
SO4--
10 mM/l
0,5 mM/l
0,5 mM/l
Phosphat
65
(inkl. Nukleotide, Glukosephosphat etc)
1
1
Organische Säuren
2 mM/l
4 mM/l
4 mM/l
(davon Aminosäuren ≈2,4, Urat
≈0,3 mM/l)
Proteine ≈6 mM/l ≈0,3 mM/l ≈1 mM/
*6% des Plasmavolumens werden von Proteinen beansprucht. Im Plasmawasser (Ultrafiltrat, z.B. glomerulär) sind die Konzentrationswerte für Mikrostoffe daher um ≈6% höher als im Blutplasma

Die wesentlich höhere Kaliumkonzentration im Zytosol - verglichen mit dem Extrazellulärraum, ein Ergebnis der Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe - ist der Motor für die permanente Auswärtsdiffusion von Kaliumionen, was wiederum die Zellmembran auflädt (Ruhepotential). Umgekehrt ist die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher als innerhalb (ebenfalls wegen der Na-K-ATPase), und gelegentliche Öffnung von Natriumkanälen (bei Erregung der Zelle) führt zum Einströmen von Natriumionen und temporärem Zusammenbrechen des Ruhepotentials (Aktionspotential).

Ein besonders hoher Konzentrationsunterschied liegt für Kalziumionen vor; extrazellulär ist [Ca++] um etwa drei Zehnerpotenzen höher als intrazellulär. Kalziumionen haben besonders vielfältige Bedeutung für die Physiologie der Zelle (Signalvermittlung, Erregung, Kontraktion etc).

Der pH-Wert des Intrazellulärraums beträgt 7,2, leicht basisch (Blut hat 7,4). Zellen produzieren fortlaufend saure Valenzen, die Stabilisierung bei pH 7,2 erfolgt über zwei Mechanismen:

  
  Metabolische Pufferung: Enzymsysteme sind teils H+-Produzenten, teils verbrauchen sie H+. Dementsprechend wird ihre Aktivität bei Imbalancen des zellulären pH hoch- oder heruntergefahren. Saure Substanzen (Laktat, Pyruvat etc) können in Glukose (neutral) und CO2 umgewandelt werden, letzteres wird abgeatmet und so aus dem Körper entfernt

  
  Transport von sauren / basischen Stoffen durch die Zellmembran: Der Na+-H+-Austauscher erlaubt die Entfernung von Protonen aus der Zelle unter dem Antrieb des Natriumgradienten. Er wird durch zelluläre Azidose stimuliert (durch interstitielle - extrazelluläre - Azidose hingegen gehemmt). Dazu kommen in speziellen Zellen weitere Protonentransportsysteme, die z.T. aktiv als ATPasen wirken. 


 
    
<Abbildung: Zellorganellen
Nach einer Vorlage in Stoelting's Pharmacology & Physiology in Anesthetic Practice, 5ed. 2014. Lippincott Williams & Wilkins


  Zellorganellen (<Abbildung) stellen spezialisierte Reaktionsräume in der Zelle dar und werden durch Biomembranen von ihrer Umgebung abgetrennt. Zu solchen Kompartimenten zählen

     Das Zytoplasma, das verschiedenste gelöste Stoffe sowie Zellorganellen und das Zytoskelett beinhaltet. Das Zytoskelett besteht aus drei Arten von Filamenten, die alle aus Proteinmolekülen aufgebaut sind:

     Aktinfilamente bilden netzartige Strukturen und stabilisieren die Zellmembran, insbesondere direkt unter ihr ("Zellrinde") und auch in Mikrovilli; sie dienen auch Bewegungen (z.B. Muskelkontraktion). Diese Filamente können rasch aus einzelnen Aktinmolekülen (G-Aktin) aufgebaut (F-Aktin) und auch wieder abgebaut werden, je nach Erfordernissen

     Intermediärfilamente bestehen aus unterschiedlichen Molekülen, die gewebespezifisch auftreten - als Keratin- (Epithelzellen), Vimentin- (Fibroblasten, Endothel, Leukozyten, Muskelzellen, Gliazellen) oder Neurofilamente (Neuronen, vor allem im Axon). Sie sind sehr stabil und fangen größere mechanische Belastungen auf. Lamine finden sich in der Kernlamina innerhalb der Kernmembran, an ihnen sind Chromosomen befestigt

     Mikrotubuli stützen die Zelle ebenfalls und transportieren intrazellulär Moleküle und Zellorganellen, sie bestehen aus Tubulin und können (wie Aktinfilamente) bedarfsabhängig schnell auf- und abgebaut werden. Sie bilden u.a. den Spindelapparat der Zellteilung und kommen in Zilien (z.B. des Flimmerepithels in der Lunge oder im Eíleiter - extrazelluläre Transportfunktion) vor. Sie sind polarisiert, d.h. sie haben ein "Plus"- (peripher) und ein "Minus"- (zentral) Ende.
 
 
>Abbildung: Kernpore
Nach Lin DH, Hoelz A: Infographic: The Nuclear Pore Complex. The Scientist, December 2016

Kernporen haben einen Außendurchmesser von 100-120 nm, der Innenkanal hat kaum mehr als 5 nm Durchmesser (ein mRNS-Strang ist ≤1 nm dick) und eine Tiefe von ≈45 nm. Sie lassen kleinere Moleküle passieren und befördern Proteine und Nukleinsäuren; dabei helfen Rezeptoren, Importine beim Eintritt in den, Exportine beim Austritt aus dem Zellkern

    Der Zellkern, der den Großteil der "Erbinformation" enthält, nimmt typischerweise etwa 10% des Zellvolumens ein. Die aus zwei Lipid-Doppelschichten aufgebaute Kernmembran weist spezielle Öffnungen auf (Kernporen), durch die kleinere (≈50 kD) Moleküle generell leicht, größere Moleküle über Vermittlung nukleärer Lokalisationssequenzen (einige Aminosäuren) hindurchtreten können. Eine Kernpore (>Abbildung) enthält mehr als 30 verschiedene Proteine, diese formen einen Innenring und zwei Außenringe sowie Begleitstrukturen (Filamente außen, Kernporenkörbchen innen). Diese komplizierte Konstruktion (Kernporenkomplex, Nuclear Pore Complex) ermöglicht strukturelle Stabilität, selektiven Transport (Proteine, Nukleinsäuren) sowie Interaktion mit Chromatin und dem Transkriptionsapparat.

Die vor allem aus Nukleinsäuren und Proteinen bestehenden Nucleoli (<Abbildung) produzieren Ribosomen; ribosomale Proteine und RNS (18S, 28S, 5S-r u.a.) werden via Kernporen aus dem Zytosol zu den Nucleoli gebracht, hier entstehen kleine (40S) und große (60S) Ribosomen-Untereinheiten.
 
 
<Abbildung: Nucleolus
Nach einer Vorlage bei pediaa.com

Der Nukleolus besteht aus drei Komponenten: Dicht fibrillär (dense fibrillar component DFC), fibrilläres Zentrum (fibrillar center FC), granuläre Komponente (granular component GC). Im FC erfolgt die Transkription von ribosomaler DNS; die DFC bearbeitet frisch transkribierte ribosomale RNS und enthält ribosomales Protein; die GC ist am Aufbau der Ribosomen beteiligt. Zum Chromatin s. dort

Diese gelangen anschließend in das Zytoplasma, kondensieren zu 80S-Ribosomen und produzieren Eiweiße.

     Ribosomen (einige tausend pro Zelle, Durchmesser ≈20 nm), an denen die Translation und damit die Synthese von Eiweißen abläuft (Geschwindigkeit: ≥2 Aminosäuren pro Sekunde). Jedes Ribosom besteht aus mehr als 50 verschiedenen ribosomalen Proteinen sowie mehreren ribosomalen RNS-Molekülen.

Ribosomen sind aus zwei Einheiten aufgebaut: 60S und 40S. Diese werden im Nukleolus aus rRNS (die hier entsteht) und Proteinen (aus dem Zytoplasma) zusammengesetzt und dann separat durch Poren der Kernmembran in das Zytoplasma exportiert. Bei Anwesenheit von mRNS setzen sich außerhalb des Zellkerns komplette (80S-)Ribosomen zusammen.

 
  Proteine, die im Zytosol verbleiben sollen, werden hier synthetisiert. Das Zytoplasma einer typischen Zelle enthält Millionen Ribosomen.

    Proteine, die für Lysosomen, als Membranproteine oder für den "Export" bestimmt sind, werden von Ribosomen des rauhen endoplasmatischen Retikulums gebildet und gelangen zwecks "Reifung" (Modifikation) zum Golgi-Apparat.

 
>Abbildung: Dynamik der Membran (1)
Modifiziert nach einer Vorlage bei Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland 2008

Die membranös umschlossenen Kompartimente kommunizieren miteinander und können z.T. ineinander übergehen. Grün: endozytotische Wege, rot: sekretorische Wege, blau: Rücktransportwege

     Das endoplasmatische Retikulum, das durch Endo- oder Exozytose einen Wechsel zwischen Extra- und Intrazellulärraum ermöglicht (>Abbildung) und fettlösliche Substanzen auf-, um- und abbaut. Man unterscheidet rauhes und glattes EPR, die ineinander übergehen können:

Am rauhen sind Ribosomen angelagert (Proteinsynthese), das glatte bildet vor allem Membranmoleküle (Phospholipide, Cholesterin..) und Steroide (so sind Zellen der Nebennierenrinde reich an glattem endoplasmatischen Retikulum).

Glattes endoplasmatisches Retikulum synthetisiert neues Membranmaterial, es speichert aber auch Kalziumionen (z.B. in Muskelzellen), komplettiert die Glukoneogenese, vollführt Biotransformationsschritte (Leberzelle), bildet und glukuroniert Bilirubin (ebenfalls Leberzelle), kann Fettsäuren bilden u.a.
 
 
>Abbildung: Dynamik der Membran (2)
Modifiziert nach einer Vorlage bei Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland 2008

Grün: endozytotische Wege, rot: sekretorische Wege, blau: Rücktransportwege

     Der Golgi-Apparat, der Membranmaterial und zu sezernierende Stoffe modifiziert (abschließend glykosyliert - die Galaktosyl-Transferase gilt als Leitenzym des Golgi-Apparates -, sulfatiert oder mit Lipidgruppen anreichert: posttranslationale Prozessierung), sekretorische Bläschen und lysosomales Eiweiß bildet. Wird mehr Membranmaterial für den Golgi-Apparat benötigt, liefert das endoplasmatische Retikulum dieses nach (<Abbildung).

Der Golgi-Apparat einer Leberzelle nimmt etwa 2% des gesamten Zellvolumens in Anspruch; eine Zelle kann über 200 Golgi-Felder enthalten, und nach ≈20 Minuten ist ein Golgi-Apparat durch Neubildung vollständig ersetzt.


     Mitochondrien (durchschnittlich ≈2000 pro Zelle, entsprechend ≈25% des Zellvolumens), die Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen (Atmungskette) und Kalziumionen speichern können (Ca++-Homöostase), auf diverse Stoffwechselschritte spezialisiert sind und programmierten Zelltod (Apoptose) mitverursachen können. Sie verfügen über eigene zirkuläre - mitochondriale - mtDNS (kodiert 13 Enzyme; der Bauplan der restlichen ≈85% aller mitochondrial benötigten Enzyme ist im Zellkern kodiert) und eigene mt-Ribosomen (70S- unsd 30S-Einheiten, typisch für Prokaryonten). Mitochondrien entstehen ständig neu, nach 10-20 Tagen Lebensdauer werden sie lysosomal abgebaut. Mitochondrien stammen ausschließlich von denjenigen der Mutter ab (maternaler Erbgang), da Mitochondrien der Spermien bei der Befruchtung nicht in die Eizelle eindringen.

     Lysosomen (<Abbildung) und Peroxisomen (microbodies; jeweils mehrere hundert pro Zelle) bilden den "Magen der Zelle". Sie bauen zelleigene (Autophagie) oder endozytierte (Heterophagie), potentiell giftige Substanzen ab - deren Komponenten können im Zytosol wiederverwertet werden (andernfalls bleiben Residualkörper bestehen).

    Lysosomen (pH≈5) sind Abspaltungen aus dem Golgi-Apparat und enthalten saure Hydrolasen - Glykosidasen, Lipasen, Proteasen, Nukleasen, Phosphatasen (Leitenzym saure Phosphatase), Sulfatasen, Lysozym. Sie können zelleigene Komponenten oder auch Fremdstoffe abbauen, z.B. in Granulozyten.

    Peroxisomen stammen nicht aus dem Golgi-Apparat, sondern bilden sich durch Teilung schon vorhandener. Sie finden sich vor allem in Hepatozyten und Nierenepithelzellen (Entgiftungsfunktion). Sie entziehen Zielmolekülen Wasserstoffatome, indem sie diese oxidieren (daher der Name). Dazu nützen sie Wasserstoffperoxid (H2O2), das durch Katalase (Leitenzym der Peroxisomen) abgebaut wird (bei solch aggressiven Vorgängen ist die Notwendigkeit der Kompartimentierung - Abtrennung von Reaktionsräumen - besonders evident). Weiters übernehmen Peroxisomen einen Teil des Abbaus von Alkohol (zu Azetaldehyd) und Fettsäuren (wobei H2O2 entsteht, anders als sonst beim Fettsäureabbau).

     Sekretionsgranula finden sich in sekretorischen (z.B. endokrin aktiven) Zellen, ihr Durchmesser beträgt weniger als 1 µm.

Die Membranen der Zellorganellen haben eine große Oberfläche: So enthält 1 ml Lungengewebe eine intrazelluläre Membran-Gesamtfläche von 10 m2.
  

 
 
>Abbildung: Rezeptortypen
Nach einer Vorlage in dvm5.blogspot.com

Ionenkanalgekoppelt: Bindung des Signalstoffs öffnet den Ionenkanal, es kommt zu Ioneneinstrom und Ladungsveränderung der Membran

Enzymgekoppelt
:
Bindung des Signalstoffs führt zu Di- oder Tetramerisierung der Rezeptormoleküle und aktiviert diese: sie phosphorylieren zelluläres Protein (Rezeptor-Proteinkinase). Der Rezeptor kann selbst (Tyrosin-, Serin-, Threonin-) Kinase-Aktivität haben oder bei seiner Aktivierung Tyrosinkinase anlagern

G-Protein-gekoppelt
:
Die Rezeptoren (über 500 Arten bekannt) weisen sieben durch die Zellmembran "gesteckte" α-helikale Sequenzen auf (heptahelikale Rezeptoren). Bindung des Signalstoffs aktiviert das G-Protein-System und dieses (im Bild nicht gezeigt) "zweite Botenstoffe" (second messenger: cAMP, DG, IP3)

Intrazellulär: Fettlöslicher Signalstoff (z.B. ein Steroid) diffundiert durch Zellmembran und bindet an intrazellulären Rezeptor, dieser aktiviert DNS-Ablesung und Proteinsynthese

  Rezeptoren binden Liganden (Signalmoleküle, z.B. Hormone) und lösen in Folge Wirkungen in der Zelle aus (>Abbildung). Die Bindung erfolgt entweder an der Zellmembran (membranständige Rezeptoren) oder in der Zelle (intrazelluläre Rezeptoren).

  Membranständige Rezeptoren: Diese verfügen über drei Teile:

  Eine extrazelluläre Domäne, welche in den Extrazellulärraum vorragt und den Signalstoff (z.B. Peptid, Transmitter) bindet

  Eine transmembranale Domäne (bei G-Protein-Rezeptoren 7 lipophile Aminosäuresequenzen)

  Eine intrazelluläre Domäne, die ein Second-messenger-System aktivieren kann

Man unterscheidet weiters nach dem Wirkungsmechanismus (Näheres s. dort):

    Ligandenaktivierte Ionenkanäle (ligand-gated ion channel receptors, Typ 2-Rezeptoren): Sie verändern den Durchtritt von Ionen durch die Membran (ionenkanalgekoppelte oder ionotrope Rezeptoren)

    G-Protein-gekoppelte (Typ 3-) Rezeptoren bewirken biochemische Folgemechanismen (Enzymwirkung, G-Proteine → second messenger): Metabotrope Rezeptoren

    Transmembran-regulierte Tyrosinkinasen (Typ 1-Rezeptoren)

  Intrazelluläre Rezeptoren binden den extrazellulären Signalstoff in der Zelle, binden dann ihrerseits an hormone response elements (HRE) der Zielgene und beeinflussen die Ablesung genetischer Information (Transkription).

Viele Zielproteine werden bei Aktivierung der Signalkaskade phosphoryliert, und diese Phosphorylierung ist reversibel. So können zelluläre Funktionen je nach Bedarf gesteuert, der Phosphorylierungsgrad adaptiv eingestellt werden. Die Phosphorylierung wirkt entweder direkt auf Regulatorproteine (diese stellen die gewünschte Funktion ein), oder indirekt auf Transkriptionsfaktoren (diese steuern die Expression entsprechender Gene).

Regulierung der Rezeptordichte: Menschliche Zellen enthalten in ihrer Außenmembran durchschnittlich ≈104 Hormonrezeptoren. Werden diese Rezeptormoleküle, die den Signalstoff gebunden haben, in das Innere der Zelle verlagert (Endozytose), sind sie für den "Empfang" nicht mehr verfügbar (Receptor downregulation) und gelangen erst nach einer Refraktärzeit (Refrakterität = vorübergehende Unempfindlichkeit gegenüber einem Reiz) wieder an die Zelloberfläche. Dies kann Minuten bis Stunden dauern. Dann exportiert die Zelle wieder Rezeptoren in die Außenmembran, sie ist für den Liganden wieder ansprechbar.

Umgekehrt kann die Empfindlichkeit gegenüber einer Signalsubstanz durch Erhöhung der Rezeptordichte an der Zellmembran (Verlagerung von Membranflächen aus intrazellulären Kompartimenten in die Zellmembran: Exozytose) steigen (Receptor upregulation). Die Hormonempfindlichkeit vieler Zellen ist zustands- und zeitabhängig: so werden hypophysäre Hormone nicht kontinuierlich, sondern "gepulst" an das Blut abgegeben und dadurch eine "frequenzmodulierte" Übereinstimmung mit der zeitabhängigen Empfindlichkeit der Zielzellen erreicht.

Hinauf- und Hinunterregulierung der Rezeptorzahl kann ausser durch Endo- / Exozytose auch durch Veränderung der Proteinsynthese (Translation) beeinflusst werden (z.B. nimmt in Zellen schwangerer Frauen die GH-Rezeptor-mRNS-Konzentration zu). Der Rezeptor kann auch von der second-messenger-Kette entkoppelt und dadurch inaktiv gemacht werden (z.B. durch intrazelluläre Bindung von Arrestin an phosphorylierte Betarezeptoren). In jedem Fall nimmt die Empfindlichkeit der Zelle gegenüber dem betreffenden Signalstoff zu, wenn die Rezeptordichte / Rezeptoraktivität in der Membran steigt (z.B. die Dopaminrezeptordichte bei Mb. Parkinson: Sensitivierung) - oder sie nimmt ab, wenn die Rezeptordichte / Rezeptoraktivität sinkt (z.B. die Wachstumshormon-Rezeptorzahl bei niedrigem Blutzuckerspiegel: Desensitivierung).
 
Rezeptoren sind am Prozess der Endozytose beteiligt: Binden Stoffe (Liganden) an Rezeptoren, können diese eine Einstülpung der Membran (Clathrin-Mechanismus
und Aufnahme des Liganden in die Zelle bewirken (rezeptormediierte Endozytose). Beispielsweise erfolgt die Aufnahme von Eisen über Transferrinrezeptoren oder die von Lipiden über LDL-Rezeptoren. Auch am Mechanismus der Übertragung hormoneller Signale an das Zellinnere kann rezeptormediierte Endozytose beteiligt sein. Der Mechanismus ist von der Zahl verfügbarer Rezeptoren abhängig und daher sättigbar, andererseits werden endozytierte Rezeptormoleküle an die Zelloberfläche recycelt.

Einige Rezeptoren sprechen auf intrazelluläre Signale an, wie Kaliumkanäle, die z.B. durch Ca++ oder durch sinkende ATP-Konzentration aktiviert werden. So kontrollieren IP3- und Ryanodin-Rezeptoren in der Membran des endoplasmatischen Retikulums die Mobilisierung intrazellulärer Ca++-Speicher.

Zeitabhängigkeit: Zellen verändern ihr Funktionsprofil abhängig von Zeitablauf, vorhergehendem Zustand und anderen (vor allem äußeren) Begleitumständen. Das erklärt u.a. rhythmische Phänomene (Spontanentladung, biologische Rhythmen, Schlaf-Wach-Folge, fluktuierende Aufmerksamkeit, prä- vs. postprandialer Stoffwechsel ..).

Folgereaktionen: Signalstoffbindung an Rezeptoren löst Reaktionen der Zelle aus, wie z.B.

  Änderung der elektrischen Ladung der Zellmembran

  Bewegung

  Wachstum

  Zellteilung

  Selbstzerstörung (Apoptose)


 

<Abbildung: Apoptose
Modifiziert nach einer Vorlage in Kumar / Abbas / Fausto: Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, 7th ed. Saunders 2004

Links intrinsischer Weg (mitochondrial), rechts extrinsischer (Todesrezeptor-mediierter) Mechanismus

A
poptotische Enzyme (Caspasen) werden aktiviert, die Zelle spaltet sich in Komponenten auf, Ausbuchtungen (blobs) werden zu Apoptosekörperchen und diese von Makrophagen erkannt und phagozytiert

  Apoptose.   Das Gleichgewicht zellulärer Zustände, die für "Überleben" oder "Tod" stehen, entscheidet über das Schicksal der Zelle. In bestimmten Situationen sterben Zellen nach einem molekularbiologisch vorgegebenen Plan ab:

   Wird die Zelle nicht mehr benötigt (z.B. in der Entwicklung des Embryos: So unterziehen sich Zellen der Handanlage zwischen den Fingern einer Apoptose, es entstehen die Fingerstrahlen) oder

   ist sie defekt (z.B. nach allzu fehlerhafter mitotischer DNS-Replikation),

wird die Apoptose endogen oder exogen induziert (<Abbildung):
 
  Von innen ausgelöste Apoptose (intrinsischer / mitochondrialer Weg): Verschiedene physiologische Vorgänge bedienen sich dieses Weges. Ursachen können z.B. Sauerstoffmangel oder Schäden an der DNS (nach der S-Phase!) sein (Probleme in der Zelle). So hat z.B. Zytochrom c nichts im Zellplasma zu suchen; vermehrte Durchlässigkeit beschädigter Mitochondrien führt zur Freisetzung pro-apoptotischer Moleküle (death inducers) ins Zytoplasma. Ein zentrales Auslösermolekül ist das Protein P53, das in einer gesunden Zelle nur in geringer Konzentration vorliegt, aber nach Zellschädigungen vermehrt auftritt.

Bestimmte hormonsensitive Zellen gehen zugrunde, wenn sie keine anregenden Signale empfangen (Lymphozyten ohne Antigen- / Zytokinreiz, Neurone ohne NGF). Die Abwesenheit dieser für die betreffenden Zellen essentiellen Faktoren löst bei ihnen intrinsische Apoptose aus - ein physiologischer Bestandteil immunologischer Auslese und neuronaler Ontogenese.

  Von außen ausgelöste (extrinsische, rezeptormediierte) Apoptose: Mehrere Botenstoffe können den Zell-Suizid von außen triggern, z.B. Zytokine, Retinsäure, Glukokortikoide u.a. "Todesrezeptoren" gehören zur TNF-Rezeptorfamilie und enthalten eine zytoplasmatische "death domain"; TNF-Rezeptoren ohne sie lösen auch keine Apoptose aus.

Auch das Fehlen von Wachstumsfaktoren kann Apoptose auslösen.

Extrinsische Apoptose ist für die Entwicklung / Funktion einiger Gewebe / Organe erforderlich (Beispiel Embryogenese), insbesondere im Immunsystem, wo z.B. die Mehrzahl der T-Zellen im Thymus "aussortiert" werden ( s. dort). Bindet der Fas-Ligand in der Membran von T-Lymphozyten (er gehört zur TNF-Familie) an den Fas-Rezeptor (CD95) anderer Zellen, führt dies zu deren Apoptose, was für die T-Zell-Homöostase bedeutsam zu sein scheint.

Am Mechanismus der Apoptose sind mehrere Faktoren beteiligt, insbesondere eine als Caspasen
bezeichnete Enzymgruppe. Dabei wird unterschieden zwischen Effektorcaspasen (sie führen eine geordnete "Exekution" der Zelle durch) und Adaptercaspasen (sie vermitteln zwischen dem auslösenden Signal und Effektorcaspasen). Mitochondrien sind am Vorgang beteiligt: Sie setzen bei "eingeschalteter" Apoptose Zytochrom c von der Mitochondrienmembran ins Zytosol frei - auch dies aktiviert eine Caspase.

Diese Vorgänge können regulativ beeinflusst werden. Beispielsweise wird die Freisetzung des Zytochrom c durch einen anderen Faktor der Mitochondrienmembran verhindert: BCL-2-Proteine (nach B-Cell Lymphoma) stabilisieren das Membransystem, beeinflussen die Freisetzung von Zytochrom c und damit die Apoptose.

Man kennt apoptosefördernde (proapoptotische) und apoptosehemmende (antiapoptotische) Faktoren. Diese Faktoren stehen in einem Gleichgewicht, das bei Triggerung zugunsten des Zelluntergangs auf die proapoptotische Seite verschoben wird.

Zellen, die einer Apoptose unterlaufen, verlieren den Kontakt zu ihren Nachbarzellen, verklumpen anschließend (Kondensation) und stülpen ihre Membran so um, dass sie die Zellbestandteile in Vesikel einschließen, die dann von Makrophagen (Histiozyten) "entsorgt" werden können. Dabei wird auch das Genom geordnet abgebaut (Caspase-aktivierte Desoxyribonuklease, CAD).





Hypothalamisch bedingte Unfruchtbarkeit kann durch diskontinuierliche Gabe von Gonadotropin behandelt werden. Die Frequenz der hypothalamischen Hormonfreisetzung ist auf die Dauer der Refrakterität an den Empfängerzellen abgestimmt. Dauerinfusion des Hormons hätte nur geringen Effekt (Rezeptor downregulation).

Tuberkelbakterien (Mycobacterium tuberculosis, Erreger der Tuberkulose) verhindern die Fusion der Phagosomen (in die sie von Makrophagen aufgenommen wurden) mit Lysosomen und können so in der Zelle überleben, obwohl sie phagozytiert wurden.

Der Aufbau von Mikrotubuli kann durch Spindelgifte
behindert werden. Beispielsweise wird Colchicin zur Behandlung akuter Gichtanfälle genutzt, weil es die Wanderung von neutrophilen Granulozyten und damit den akuten Entzündungsprozess hemmt. Ein weiteres Beispiel: Zytostatika wie Vincristin und Vinblastin führen zum Zerfall von Mikrotubuli, was vor allem Zellen mit hoher Teilungsrate betrifft und damit Tumorwachstum eindämmt - allerdings auch den Mikrotubulus-Mechanismus der Nervenzellen, was die neurotoxischen Nebenwirkungen erklärt.


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.