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)
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)
Fick-sches Gesetz: Adolf Fick
Kation: κατά = herab, ἰόν = das Wandernde
Kompartiment: com-parare = zusammenstellen, verbinden
Ligand: ligare = binden
Membran: membrana = Häutchen
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).
  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 (Transskription) 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. Den geordneten Austausch dieser Stoffe innerhalb der Zelle sowie mit ihrer Umgebung erlauben Zellmembranen - dünne Grenzflächen, die zelluläre Reaktionsräume begrenzen. In solchen Reaktionsräumen (Zytosol, Zellorganellen) können Stoffe angereichert und biochemische Abläufe besser gesteuert werden. Da Zellmembranen hauptsächlich aus Lipiden bestehen, sind sie für Ionen und andere wasserlösliche Moleküle schwer zu durchdringen oder wenn, dann durch spezielle Transportstrukturen - die dann mehr oder weniger selektiv den Durchtritt ermöglichen. Also sind Zellmembranen ideale "Schleusenwärter" für den Zellstoffwechsel.
<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 (Phospho-) Lipiden, Cholesterin, Eiweißen und Kohlenhydraten. Der Anteil dieser Komponenten ist von Membran zu Membran unterschiedlich, je nach Erfordernissen. So hat Cholesterin einen stabilisierenden Effekt - je geringer der Cholesteringehalt, desto "weicher" ist die Membran. 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). 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).

Je nach ihrer speziellen Funktion sind Biomembranen unterschiedlich zusammengesetzt. 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, auch Blutgruppensubstanzen). Glykoproteine sind 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

Phospholipide (>Abbildung) sind Grundelement und Hauptbestandteil der Zellmembran, sie weisen lipophile (zur Mitte der Membran gerichtete, nonpolare) und hydrophile Enden auf (polarer "Kopf"; diese grenzen an die extra- bzw. intrazelluläre wässrige Phase). Zu ihnen 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).

Das Muster an Polarität (hydrophil) und Nonpolarität (lipophil) erlaubt die Bildung fundamentaler Zellstrukturen: Die Aneinanderlagerung fettlöslicher nonpolarer Molekülteile einerseits, und wasserlöslicher polarer Kopfteile andererseits ergibt Membranen, die der Zelle als Trennwand dienen und Kompartimente entstehen lassen, in denen Stoffe angereichert oder aus denen andere Substanzen evakuiert werden (Beispiele: Kaliumkonzentration im Zytosol mehr als 30-fach höher als extrazellulär; Kalziumkonzentration extrazellulär ≈104-fach höher als im Zytosol).

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

(1)  Den herrschenden Konzentrationsverhältnissen - ist eine Substanz an den beiden Seiten einer Membran unterschiedlich konzentriert, dann unterscheidet sich auch die Wahrscheinlichkeit, mit der die Moleküle (im Rahmen der thermischen Bewegung) hindurchgelangen, d.h. insgesamt bewegen sie sich in die Richtung, in der ihre Konzentration niedriger ist, s. weiter unten: Diffusion - und

(2)  der 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).

Die Eigenschaften der äußeren Zellmembran (Plasmalemm) entscheiden darüber, welche Stoffe unter welchen Bedingungen wie rasch zwischen der Umgebung (dem Extrazellulärraum) und dem Zellinneren (dem Intrazellulärraum) ausgetauscht werden. Die lichtmikroskopisch amorphe Masse zwischen Zellmembran und Zellorganellen nennt man das Zytosol.


<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 (Sauerstoffatom rot, Wasserstoffatome weiß gezeichnet)

 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 1, 2, 4, 5, 8) lassen nur Wasser passieren, Aquaglyzeroproteine auch Glyzerin, Harnstoff und andere Stoffe.

    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: Außer in Nierentubuli in Drüsenzellen, Erythrozyten, Kapillarwänden, Lungenalveolen, Gallenblase; im Gehirn spielen sie u.a. im Rahmen der Blut-Hirn-Schranke eine wichtige Rolle (Aquaporin 4).
 
Apolare (fettlösliche, lipophile) Stoffe - wie Steroidhormone, Gase (CO2, O2, NO etc), Endocannabinoide - haben beim Durchtritt durch die - aus Lipiden bestehende - Membran kein wesentliches Problem, polare (wasserlösliche, hydrophile - z.B. Ionen, Glukose, Aminosäuren) hingegen schon, wenn sie eine bestimmte Größe überschreiten.

Kleine polare Moleküle können die Membran passieren, woraus auf das Vorhandensein hydrophiler "Poren" in der Zellmembran geschlossen wird: Der virtuelle Porenradius beträgt z.B. im Dünndarmepithel 0,3-0,4 nm (Harnstoff: 0,2 nm). Solche Membranporen können Ladungen tragen und dann selektiv für Kationen oder Anionen durchlässig sein.

Größere Moleküle (z.B. Laktose: 0,5 nm) können dann eine Stuktur wie z.B. die Darmschleimhaut nur noch parazellulär (zwischen den Epithelzellen) durchdringen (>Abbildung) - oder durch die Zelle mittels spezieller Systeme der Membranpassage (Permeasen, Pumpen, s. unten). Diese 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").
>Abbildung: Wie gelangen Stoffe durch eine Epithelzellbarriere?
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology. Philadelphia, Saunders, 2003
Entweder transzellulär mit Passage der apikalen (luminalen) und basolateralen Membran - über Kanäle (z.B. für Wasser, Kalium) bzw. Transportproteine (Na-Glukose-Kotransport, Na-H-Antiport, Na-K-Pumpe); oder parazellulär, durch interzelluläre Kontakte (tight junctions), z.B. für Natrium und Wasser

 Die >Abbildung zeigt einige Beispiele für transmembranal / transzellulären und parazellulären Transport. Letzterer hat das Handicap geringer Austauschoberfläche - weniger als 1% der Fläche, die für den transzellulären Austausch zur Verfügung steht.

Eine wichtige Rolle spielt auch der Ionisationsgrad eines Stoffes, der eine biologische Barriere überwinden will: Je höher dieser ist, desto geringer sind die 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 (Henderson-Hasselbalch-Gleichung), 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; das Resultat: Der Stoff wird durch die Zelle hindurchtransportiert

 Schließlich können Stoffe (z.B. Proteine, insbesondere Lipoproteine, Transferrin - auch Gifte, z.B. Botulinustoxin) durch Endozytose (Phago-, Pinozytose - Bindung an spezifische Membranrezeptoren) in das Zellinnere aufgenommen werden, sowie durch Transzytose (Endo- und anschließend am entgegengesetzten Zellpol Exozytose) durch Zellbarrieren gelangen (Abbildungen).

>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) Zur Konzentration (Anzahl der Moleküle / Ionen pro Volumen) der fraglichen Substanz an den beiden Seiten der Membran: Sind Moleküle frei beweglich (und sie tanzen auf Grund der thermischen Molekularbewegung ständig umher), gleichen sie (wenn nichts dazwischenkommt) unterschiedliche Konzentrationen automatisch aus:

  Je konzentrierter an einer Stelle im Raum ein Stoff vorliegt als in seiner Umgebung, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass von hier aus seine Moleküle in die Umgebung hüpfen ("Brown'sche Molekularbewegung"). In die Gegenrichtung ist der Vorgang weniger wahrscheinlich (weniger Moleküle vorhanden), ergo läuft die Sache insgesamt in Richtung abnehmender Konzentration ("Ausstreuen"). Diese Netto-Bewegung heisst Diffusion: ein Ergebnis der Wahrscheinlichkeit.


<Abbildung: Diffusion

Besteht an einer Membran ein Konzentrationsunterschied für einen bestimmten Stoff (und ist die Membran für den Stoff passierbar), 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.
  Woher kommt die ungleiche Verteilung? Sie ist die Folge (vorausgegangener) gerichteter Transportvorgänge durch die Membran (z.B. durch die Na+-K+-ATPase).

Diffusion ist die Bewegung von Teilchen von Orten (ihrer) höherer Konzentration zu Orten (ihrer) geringerer Konzentration. Sie gleicht also (entstandene) Konzentrationsunterschiede (u.U. auch ganz) aus, soferne diese nicht weiter durch Transportprozesse aufrecht erhalten werden (insbesondere bei Ausfall der Na-K-Pumpe, wie bei Vergiftungen oder beim Absterben der Zelle).

Diffusion ist der Ablauf der in Summe wahrscheinlichsten molekularen Bewegung. Sie spielt überall im Körper eine vitale Rolle: Zwischen Blutgefäßen und Gewebe (kapillärer Stoffaustausch), wobei sehr unterschiedliche Permeabilitäten vorliegen (z.B. Blut-Hirn-Schranke), zwischen Atemluft und Blut (Lunge), zwischen Chorioidea und Netzhaut (Bruch'sche Membran im Auge) 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 Membrandicke. Zusätzlich erlaubt eine Stoffkonstante (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: Zellmembranen trennen Reaktionsräume (compartments) voneinander, deren unterschiedlichen Stoffkonzentrationen erforderlich sind, um den biochemischen "Normalbetrieb" 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
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 (2-4) senkt die Hormonempfindlichkeit der Zelle (receptor downregulation), der umgekehrte Vorgang (7-9, receptor upregulation) erhöht sie

 Clathrin beteiligt sich an der Einstülpung der Zellmembran (2,3), wie sie die bei Endozytose erfolgt   Endozytose ist das Aufnehmen extrazellulärer Bestandteile durch Einstülpung der Zellmembran und Abknospung zu einem Endosom (3,4)   Exozytose ist eine Möglichkeit, Stoffe aus der Zelle zu befördern - durch Verschmelzen eines Vesikels mit der Zellmembran (8,9)   Der Golgi-Komplex baut Membranmaterial auf und um, bildet sekretorische Vesikel und Lysosomen   Lysosomen sind Vesikel mit hoher H+-Konzentratio

 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 8 Nanometer (0,000008 mm) dicke Zellmembran unterliegt ständigem Auf-, Um- und Abbau (>Abbildung).
Das gesamte Membranmaterial des Körpers wird innerhalb von ≈3 Wochen vollständig erneuert.

  Zellmembranen bestehen vor allem (≥50%) aus Phospholipiden, formiert als "Lamellen-Sandwich":

  Je eine (nach innen und außen gerichtete) hydrophile (polare, d.h. elektrisch geladene Molekülteile) Zone, und

  eine lipophile (apolare) Zone in der Mitte.

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

  Wasserlösliche, d.h. mit H2O-Molekülen umgebene (polare) Stoffe (wie Salze, Zucker, Aminosäuren) gelangen durch diese Membran nur schwer hindurch (Trennfunktion der Membran). Gute Fettlöslichkeit einer (lipophilen) Substanz (Gas, Steroid) erlaubt ihr hingegen, durch das Membranmaterial zu diffundieren.

 
 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: Einerseits von bestehende  Konzentrationsdifferenzen; von allfälliger Sättigung des Transportsystems mit dem "Passagier"; eventuell von der gleichzeitigen Anwesenheit mehreren 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 (auch: 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
 
Unter den zahlreichen Ionenkanälen kennt man z.B.

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

     spannungsabhängig (voltage gated) - z.B. an Nerven-, Muskel-, Glia- oder Epithelzellen - oder

     ligandengesteuert (ligand gated) funktionieren (motorische Endplatte).

  
<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 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 von der Membranspannung abhängt, z.B. am Herzen

      Kalziumaktivierte (öffnen bei Bindung von Ca++ oder einem anderen Signalmolekül), z.B. an Gefäßen 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. z.B. 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: Hier gibt es verschiedene Spielarten.

      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. Man findet sie vor allem in sezernierenden Geweben (Leber, Darm), sie bringen ihre Substrate meist aus der Zelle (Exporter).
>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 (300 mOsm 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).

      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.).
 

<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 unten)

  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)

   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)

   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-Format-Austauscher (Cl- gegen HCOO-)

   Chlorid-Oxalat-Austauscher (Cl- gegen Oxalat)

  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 Aktivität von Ionen im Zytosol bestimmt - man kann aus dieser entsprechende Konzentrationswerte ermitteln. Diese werden üblicherweise angegeben, wie in der untenstehenden Tabelle.) 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

Aus diesen Unterschieden - die in erster Linie (direkt oder indirekt) durch die Tätigkeit von Membranpumpen (ATPasen) erklärbar sind - ergeben sich Konzentrationsgradienten, welche die Diffusion von Ionen und anderen molekularen Bestandteilen durch die Zellmembran bzw. deren Permeasen ("Ionenkanäle") antreiben.

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++] im Schnitt 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, ist also leicht basisch (Blut hat 7,4). Zellen produzieren fortlaufend saure Valenzen; dennoch wird der pH bei 7,2 stabilisiert, was durch zwei Mechanismen bewerkstelligt wird:

     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

     der Zellkern, der den Großteil der "Erbinformation" enthält; die Kernmembran weist spezielle Öffnungen auf (Kernporen), durch die Makromoleküle kontrolliert hindurchtreten können

     das Zytoplasma, das verschiedenste gelöste Stoffe sowie Zellorganellen und das Zytoskelett beinhaltet

     das endoplasmatische Retikulum, das durch Endo- oder Exozytose einen Wechsel zwischen Extra- und Intrazellulärraum ermöglicht und fettlösliche Substanzen auf-, um- und abbaut. Man unterscheidet raues und glattes EPR, die ineinander übergehen können: Am rauen sind Ribosomen angelagert (Proteinsynthese), das glatte bildet vor allem Membranmoleküle (Phospholipide, Cholesterin) und Steroide

     Ribosomen, an denen die Translation und damit die Synthese von Eiweißen abläuft. Sie bestehen aus 60S- un d 40S-Einheiten. Die Proteine sind für Lysosomen, als Membranproteine oder für den "Export" bestimmt (raues endoplasmatisches Retikulum). Die Proteine gelangen aus dem endoplasmatischen Retikulum zwecks "Reifung" (Modifikation) zum Golgi-Apparat

     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

     Mitochondrien, die Sauerstoff zur Energiebewinnung 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 und Peroxisomen (microbodies; jeweils mehrere hundert pro Zelle), die an Abbau und Entgiftung endozytierter bzw. potentiell giftiger Substanzen beteiligt sind. Lysosomen (pH≈5) können zelleigene Komponenten oder auch Fremdstoffe abbauen, z.B. in Granulozyten; Peroxisomen übernehmen Fettsäureabbau, H2O2 wird durch Katalase abgebaut. Bei solch aggressiven Vorgängen ist die Notwendigkeit der Kompartimentierung (Abtrennung von Reaktionsräumen) besonders evident

     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.

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.

 
>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. steigt bei Schwangeren die GH-Rezeptor-mRNS-Konzentration). 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 aus dem Extrazellulärraum (Liganden) an Rezeptoren, können diese eine Einstülpung der Membran (Clathrin-Mechanismus )  und Aufnahme des Liganden in die Zelle bewirken (rezeptormediierte Endozytose). Dieser Mechanismus ist sättigbar, denn er beruht auf der Anwesenheit von Rezeptoren in der Außenmembran (endozytierte Rezeptormoleküle werden an die Zelloberfläche recycelt). Auf diese Weise erfolgt z.B. die Aufnahme von Eisen über Transferrinrezeptoren oder von Lipiden über LDL-Rezeptoren. Auch am Mechanismus der Übertragung hormoneller Signale an das Zellinnere kann rezeptormediierte Endozytose beteiligt sein.

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

Nach Auslösung der Apoptose schrumpft die Zelle und entwickelt Ausbuchtungen, apoptotische Enzyme (Caspasen) werden aktiviert.  Die Zelle spaltet sich in Komponenten auf, Makrophagen erkennen die Bruchstücke und phagozytieren sie

  Apoptose.   Zellen beinhalten Mechanismen, die für "Überleben" oder "Tod" stehen; die Balance dieser Signale entscheidet über das Schicksal der Zelle. In bestimmten Situationen ist es sinnvoll, Zellen nach einem molekularbiologisch vorgegebenen Plan sterben zu lassen:

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

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

Die Apoptose kann endogen oder exogen induziert werden (<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.
Eine Reise durch die Physiologie


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