

Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert

Grundlagen
und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte

Membransysteme, Zellorganellen, Rezeptoren, Apoptose
© 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
Pendrin: Vaughan Pendred
Permease: permeare = durchdringen
Phagozytose: φαγεῖν = fressen, κύτος = Höhlung, Gefäß
Kompartimentierung bedeutet Aufbau und Erhaltung definierter Funktionsräume im Körper. So kann die Zelle
als Kompartiment gesehen werden: Die Zellmembran - sie besteht hautpsächlich aus Lipiden - trennt
den intrazellulären vom extrazellulären Raum. Extra- und intrazelluläre
gelöste Stoffe können meist nur über spezielle Mechanismen ("Kanäle",
Transporter, "Pumpen") durch die Lipidschichte
der Membran treten.
Der zelluläre Stoffwechsel läuft auf diese Weise geschützt
vor unerwünschten Durchmischungseffekten ab; Konzentrationsgradienten
entstehen und werden erhalten, sie treiben Diffusion und sekundäre
Transportvorgänge
an. Die Diffusion von Substanzen kann genützt
werden, um Begleitstoffe "huckepack" mitzutransportieren (Symport, z.B. Glucose mit Natrium); oder sie werden gegeneinander über Membranproteine 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 und Natrium aus der Zelle.
Die Zellmembran verfügt über Rezeptormoleküle:
Diese binden Signalmoleküle (Hormone, Transmitter,..) und dies löst
sekundäre Vorgänge aus - wie Ionenfluss durch die Membran (z.B. Natriumeinstrom) oder intrazelluläre Sekundäreffekte (Enzymwirkung, Auftreten von Folge-Signalstoffen, Wirkung auf Genablesung im Zellkern..).
Steht das Überleben einer Zelle in
Frage (etwa wenn sie überflüssig geworden oder pathologisch verändert ist),
kann ein geordneter Absterbeprozess (Apoptose)
aktiviert werden. Die Zellfragmente werden im Anschluss in geordneter
Weise entsorgt, ihre chemischen Bestandteile wiederverwertet.
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Alles Leben baut auf der Funktion von Zellen auf
Der
menschliche Organismus besteht aus Zellen und extrazellulären Anteilen.
Wächst ein Organismus heran, steuern die sich teilenden Zellen nicht
nur ihr eigenes Wachstum, sondern auch das ihrer unmittelbaren Umgebung
(des "Gewebegerüsts", das seinerseits wachsenden Zellen als
Leitstruktur dient). Ohne Zellen geht es nicht, und eine der
grundlegenden Fragen der
Physiologie ist, wie Zellen funktionieren (Zellphysiologie) und wie der
Körper ihre Funktionen unterstützt.
>Abbildung: Zellen und Kreislauf
Modifiziert nach einer Vorlage in Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014
Austausch (Pfeile): Zellen nehmen aus der extrazellulären Flüssigkeit (dem Interstitium) Aminosäuren, Zucker, Salze,
Spurenelemente, Signalstoffe, Sauerstoff etc. auf. Andere Stoffe - Substrate, Hormone,
Transmitter, Kohlendioxid usw. - werden an die extrazelluläre
Flüssigkeit abgegeben.
In der Lunge werden Atemgase ausgetauscht
Eine erwachsene Person verfügt über knapp hundert Billionen (10
14) 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 (diese enthalten
intrazelluläre Flüssigkeit), der Rest ist
extrazellulär (
Interstitium und spezielle extrazelluläre Räume mit
extrazellulärer Flüssigkeit).
Zellen sind von einer
Zellmembran
umgeben, die einerseits der Abgrenzung dient (Lipid-Doppellamelle),
andererseits der Kommunikation (
Rezeptoren) und dem gezielten
Stoffaustausch, der teils "passiv" (
Permeasen), teils "aktiv", d.h. gegen
Konzentrationsgefälle erfolgt ("Pumpen").
Membransysteme der Zelle
können zweischichtig (Zellkern, Mitochondrien) oder einschichtig sein
(endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Vesikel, Lysosomen,
Peroxisomen) und dienen der Eingrenzung der betreffenden
Reaktionsräume.
Zellen zeigen
räumliche Spezialisierung:
So haben epitheliale Zellen, die sich entlang von Oberflächen
organisieren (Haut, Schleimhäute, Auskleidung von Hohlorganen, Tubuli
in der Niere,..), einerseits einen
apikalen Pol mit einer entsprechenden Membran, andererseits eine
basolaterale Membran, die z.T. auf einer Basalmembran aufsitzen kann.
Diese beiden Membranen haben
unterschiedliche Aufgaben, sind durch
Sperrmoleküle gegeneinander abgegrenzt und unterschiedlich mit Membranmolekülen (Rezeptoren, Permeasen etc) ausgestattet.
So 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) Membran. 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.
An der Etablierung der Zellpolarität (oben - unten, vorne - hinten, apikal - basolateral) nimmt zu einem wesentlichen Teil das
Zytoskelett
(Aktin- und Intermediärfilamente sowie Mikrotubuli) teil. Auch wenn die
Geometrie der Zelle u.U. auf lange Zeit unverändert anhält, werden die
Moleküle des Zytoskeletts ständig ausgetauscht und erneuert
(Turnover-Zeit etwa 2 Tage).
Biomembranen
gibt es
in lebenden Strukturen seit
Milliarden Jahren, sie sind in der Evolution sehr früh entstanden und
stellen das
Grundelement biologischer Trennflächen in der Zelle dar. Sie sind nur wenige Nanometer
dick und bilden die äußere Zellmembran genauso wie die zahlreicher
Zellorganellen
(endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Vesikel, Lysosomen,
Kernmembran). Ihr
Ursprung liegt im
endoplasmatischen Retikulum, das Lipide und Membranproteine fortlaufend neu synthetisiert und mit Begleitmolekülen ausstattet.

Je nach ihrer
speziellen Funktion sind Membranen unterschiedlich zusammengesetzt. Tragender
Baustein sind
Lipide,
insbesondere
Phospholipide (s. weiter unten). Aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaft sind sie ideal für die Separation von
Funktionsräumen geeignet. Die meisten "Passagiere" der Membran - wie Salze,
Kohlenhydrate, Aminosäuren - sind hydrophil (wasser-, nicht fettlöslich) und
können diese daher nicht ohne spezielle Öffnungen bzw. Transportechanismen durchdringen.
Die Zellmembran
umschließt Protoplasma - außerhalb des Zellkerns als
Zytoplasma, innerhalb als
Karyoplasma bezeichnet. Die Außenmembran
ist asymmetrisch gestaltet:
Außen ist der Hauptbestandteil Phosphatidylcholin. Hier finden sich auch Glykoproteine und neutrale Lipide (Lecithin, Sphingomyelin);
Innen
liegen Komponenten wie Phosphatidylserin und Phosphatidylinositol
(Ausgangsstoff für die Bildung von Phosphoinositiden =
Phosphatidylinositolen, z.B. IP3).
Warum Zellen genau diese Komponenten spezifisch in die beiden
Membranblätter integrieren, ist nicht völlig klar. Folgende Faktoren
spielen eine Rolle:
Außen liegende Moleküle signalisieren
die Spezifität der Zelle (Epithelzelle, Nervenzelle..) -
Voraussetzung für die Bildung von Gewebsverbänden;
Membrankomponenten können die Identität von Zellorganellen signalisieren und ihren Transport beeinflussen;
die Membran dient als Ausgangspunkt von second-messenger-Mechanismen.
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.
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. Hydrophile Moleküle bedürfen für die transmembranale Passage besonderer
Transporter, z.B. gelangen Wassermoleküle über
Aquaporine,
Ionen über "
Ionenkanäle" durch Biomembranen.

<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. Ein Beispiel sind Merkmale, die als CD-System bezeichnet werden.
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 kann innerhalb der Membran von einer Schichte zur anderen wechseln.
Glykolipide sind zusammen mit Glykoproteinen Bestandteile der Glykokalix, der "Außenhaut" der Zelle

Membranproteine sind fixer Bestandteil der Zellmembran (
integrale
Proteine), indem sie in die Membran "gesteckt" (membrandurchspannende hydrophobe
α-helikale Sequenzen aus ~20 Aminosäuren enthalten Aminosäuren mit lipophilen Seitenketten*) oder direkt bzw. über Oligosaccharide an Membranlipide
gebunden sind; oder sie sind an ein integrales Protein angelagert und können von diesem wieder gelöst werden (
periphere oder intrazelluläre Proteine)
.
* Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin
Membranproteine fungieren
als
Ankerpunkte für das Zytoskelett oder die extrazelluläre Matrix,
können Ionenkanäle und
Transportsysteme bilden,
wirken als Enzyme,
dienen als Rezeptoren
für extrazelluläre Signalstoffe.

Das gesamte Membranmaterial in den Zellen des Körpers wird innerhalb von ~3 Wochen vollständig erneuert.
Membrantopologie beschreibt das Muster, nach dem α-Helices zu Gesamtproteinen der Membran zusammengesetzt sind.
Diese Helices enthalten vorwiegend nonpolare (hydrophobe)
bzw. ungeladene Aminosäuren in einer Anordnung, die einerseits eine
lipophile Außenfläche (Verankerung in der Zellmembran), andererseits
eine Innenpore ergeben, durch welche gegebenenfalls polare Substanzen
diffundieren können (hier finden sich vorwiegend polare
Aminosäurereste).
Membranproteine sind - soferne sie nicht an extra- (Matrix) oder
intrazelluläre Strukturen (Zytoskelett) stationär fixiert sind - in der
Membran
frei beweglich; ihre
Lateraldiffusion erfolgt allerdings um Größenordnungen langsamer als
die von Phospholipiden. Auch können Membranproteine von intrazellulären
Motorproteinen aktiv entlang der Membranfläche gezogen werden; die
Topologie des Proteins (d.h. seine Zuordnung in der Membranstruktur) bleibt dabei erhalten.
All diese Proteine erfüllen
spezifische Funktionen, z.B. der gegenseitigen Zellerkennung (außen)
oder enzymatische Aktivitäten. Einige der Proteine können sich in der
Ebene der Membran (lateral) bewegen; diese Diffusion ist allerdings um
Größenordnungen langsamer als die der Lipide der Membran.
Neben
Glykoproteinen finden sich in der Zellmembran - vor allem im Nervengewebe - auch
Glykolipide
(mit Sphingosin als Rückgrat: z.B. Cerebroside, Ganglioside). Der
Zuckeranteil (meist <15 Zuckerreste - Glucose, 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
Spezifität (Nerven-, Muskel- Epithelzelle..) und
Differenzierung die
jeweilige Zelle hat (die
Glykokalix kann einen größeren
Durchmesser haben als die Lipid-Doppelschicht). Bei der Ausbildung von
Gewebsverbänden erkennen sich gleiche Zellen
(sie tragen an ihrer Oberfläche sozusagen einen "Glykokalix-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
haben fett- und wasserlösliche Enden. Als Doppelschicht sind sie zu
Membranen (links unten) gruppiert, deren Oberflächen wasserlöslich (hydrophil, blau)
sind, die Innenseiten sind lipophil (ocker).
Phospholipide bilden den
Hauptanteil der Membranbausteine. Ihr Glycerinskelett bindet an zwei
OH-Gruppen Fettsäuren (nonpolare Kohlenwasserstoffketten), die dritte
OH-Gruppe eine
Phosphatgruppe. An diese ist eine Kopfgruppe gebunden, dessen Identität
den Namen des Phospholipids bestimmt. Sphingomyeline haben statt Glycerin- ein Serinskelett.
Die häufigsten an die Phosphatgruppe
gekoppelten Kopfgruppen-Moleküle sind Ethanolamin, Cholin und Inositol, die häufigsten Fettsäuren 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 zuerst Monolayer, in höherer Konzentration Mizellen mit
zweischichtigen Membranen entstehen:

Außen liegt je eine
hydrophile (polare, d.h. elektrisch asymmetrische),

in der Mitte eine
lipophile (apolare) Zone.
Diese Anordnung ergibt sich von selbst, die apolaren Gruppen
(Fettsäuren) sind so energiesparend vor einer Interaktion mit dem
Lösungsmittel Wasser geschützt.
Zellmembranen ermöglichen die Separation verschiedener Reaktionsräume (
Kompartimentierung
),
sowohl zwischen der Zelle und ihrer Umgebung (Zellmembran) sowie auch
in der Zelle: Organellen können Schichtform
(flächenhafte Grenzstruktur: Zellmembran, Kernmembran,
Mitochondrienmembran) oder Bläschenform annehmen (d.h. sie
umschließen einen mehr oder weniger kugelförmigen Innenraum, der
hauptsächlich aus Wasser besteht). In den dadurch aufgebauten
Kompartimenten können Stoffe angereichert, oder aus ihnen evakuiert
werden.
Sauerstoff-, Kohlendioxid-, Ammoniak- und zu einem gewissen Grad auch Wassermoleküle können die Zellmembran
direkt
passieren (vermutlich durch kurzfristig auftretende Spaltbildungen
zwischen den Lipidketten). Die Durchgängigkeit der Membran für diese
Moleküle ist biologisch äußerst bedeutsam (z.B. Atemgasautsausch), ihr
Grad (
Diffusionskonstante) hängt stark von der
Zusammensetzung der jeweiligen Membran ab; Zellmembranen mit niedriger Fluidität (s. weiter unten) haben niedrige H
2O-Permeabilität.
Zu den Phospholipiden gehören
Glycerophosphatide (>Abbildung) und
Sphingosinderivate
(hier verankert der zweiwertige Aminoalkohol Sphingosin Fettsäuren,
Phosphate und Zucker). Die Zusammensetzung der Membranen aus diesen
Elementen bestimmt ihre physikalischen (z.B. Dicke, Flexibilität) und
chemischen Eigenschaften.
Während einzelne Phospholipidmoleküle wegen des hohen erforderlichen
Energieaufwands nur sehr selten von einer Membranschicht in die andere
wechseln
(flip-flop), sind sie innerhalb ihrer Schicht frei beweglich. Diese
Lateraldiffusion steigt mit der Temperatur an.

<Abbildung: Phasenübergang in Lipid-Doppellamelle
Nach Stein WD, Litman T, in: Channels, Carriers, and Pumps, 2nd ed 2015
Übergang vom geordneten gelartigen (links) zum eher ungeordneten solartigen Zustand (rechts). Bei der Übergangstemperatur T
m "schmilzt" die Membran, in diesem Beeich koexistieren beide Phasen
Bei der sogenannten
Übergangstemperatur Tm (melting oder transition temperature) - deren Betrag von der Zusammensetzung der Membran abhängt - wechselt der Zustand der Membran zwischen einem eher festen
Gel- und
einem eher flüssigen
Solzustand (<Abbildung).
Die Moleküle sind innerhalb der Membran mobil, zum Beispiel kann in der
Erythrozytenmembran ein Lipidmolekül durch Lateralbewegung die gesamte Zelle in wenigen Sekunden vollständig umrunden.
Die Übergangstemperatur kann je nach Länge der Fettsäuren über oder
unter der Körpertemperatur liegen. Allerdings ist bei komplexer
Zusammensetzung der Membran keine klare Übergangstemperatur
definierbar, vielmehr ergibt sich ein Temperaturbereich, in dem der
Sol-Gel-Zustand kontinuierlich variiert, und gel-ähnliche mit
benachbarten sol-ähnlichen Zonen koexistieren können.
Sowohl
Muster als auch
Konzentration ihrer Bestandteile bestimmt die
Fluidität der Membran
:
Ist sie reich an
Phospholipiden
mit langen, gesättigten Fettsäuren (wenige Doppelbindungen), ist sie
rigide und läßt nur wenig Wassermoleküle passieren. Steigender Anteil
an Doppelbindungen und/oder kürzere Fettsäureketten verschieben den
Zustand in Richtung höherer Fluidität, die Membran wird nachgiebiger
und gleichzeitig durchlässiger für Wassermoleküle.
Cholesterin
mit seinem rigiden Steroidring
senkt in
mäßiger Konzentration die Fluidität und trägt zur Festigkeit der Membran bei; in
hoher Konzentration hingegen behindert es die Interaktion von
Phospholipiden, senkt die Übergangstemperatur und macht die Membran
flüssiger.
Cholesterin erhöht die
Durchlässigkeit der Zellmembran für Wasser, wahrscheinlich durch
Disruption der Interaktion von Phospholipiden. Auf diese Weise steigt
die Permeabilität einer Membran für Wasser, wenn ihr Cholesterinanteil
erhöht wird.
Die Wasserpermeabilität von Membranen wird durch Einlagerung von
Aquaporinen ganz wesentlich erhöht, z.B. in resorbierenden Epithelien.
Wie bewegen sich Moleküle und Ionen durch die Zelle?
Atemgase und
fettlösliche Substanzen können direkt durch die
Zellmembran diffundieren; Stoffe wie Wasser, Ammoniak oder Harnstoff in
gewissem Maße auch (auch abhängig vom Muster an Lipiden, welche die
jeweilige Membran aufbauen); andere bedürfen dazu eigener Permeasen /
Transporter:
Poren und
Kanäle
erlauben den "passiven" (konzentrationsabhängigen) Durchtritt von
bestimmten Ionen / Elektrolyten (Ionenkanäle), Wassermolekülen
(Aquaporine) und auch großen Molekülen (wie Proteinen)
Carrier (Transporter) erleichtern den Durchtritt spezifischer Stoffe
(facilitated diffusion) oder koppeln den Durchtritt mit der Passage eines anderen Stoffes (sekundär aktiver Transport)
Pumpen
sind Enzyme, die bestimmte Stoffe gegen deren Konzentrationsgefälle
unter Verbrauch von Stoffwechselenergie (ATP) durch die Membran
befördern (ATPasen)
Der
Stoffaustausch durch Barrieren (Membranen) hängt im Wesentlichen von folgenden 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) die Membran
durchdringen (nach innen vs. nach außen), und sie bewegen sich
insgesamt in
die Richtung, in der ihre Konzentration niedriger ist (
Diffusion).

(2)
Elektrisches Potential an der Membran: Zellmembranen sich meist elektrisch aufgeladen, z.B. um 70 mV (innen negativ, außen positiv, "
Ruhepotential").
Das beeinflusst die Bewegungswahrscheinlichkeit elektrisch geladener
Teilchen (Ionen), wie z.B. Natrium, Kalium,
Calcium, Magnesium,
Wasserstoffionen (Kationen), Chlorid, Bicarbonat, Phosphat, organische
Verbindungen (Anionen).
Die Summe der Effekte (1) und (2) ergibt - jeweils für ein bestimmtes Ion bei einer bestimmten Membranladung - das
elektrochemische Potential
für diese Substanz. (Hat eine Membran gerade den Betrag des
Gleichgewichtspotentials für ein bestimmtes Ion angenommen, dann ist
hier für das betreffende Ion der elektrochemische Gradient Null - es
bewegt sich netto nicht durch die Membran.)

(3) 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).
Apolare (fettlösliche, lipophile) Stoffe - wie
Steroidhormone, Gase (
CO2,
O2,
NO etc),
Endocannabinoide - dringen leicht durch Lipidmembranen
, weil sie sich zwischen deren Molekülen leicht bewegen können - die Membran stellt für sie kein wesentliches Hindernis dar
. Transzelluläre Passage ist auch für kleine hydrophile Nichtelektrolyt wie
Harnstoff (0,2 nm Molekülradius) möglich - der virtuelle
Porenradius
beträgt z.B. im Dünndarmepithel 0,3-0,4 nm.
Polare Moleküle hingegen - wie Ionen (Elektrolyte), Glucose, Aminosäuren - benötigen für den Membran-Durchtritt aus
Proteinen aufgebaute "Kanäle" (
Permeasen
, Transporter, "Pumpen",
s.
unten). Die "Bauanleitungen" für diese spezifischen Proteine nehmen einen erheblichen Anteil der
genetischen
Information in Anspruch.
Wandern Stoffe
durch eine Zelle (z.B. vom Darmlumen durch eine Epithelzelle in das Interstitium des Darms), spricht man von einer
transzellulären Bewegung (>Abbildung). Moleküle können epitheliale Strukturen (z.B. Darmschleimhaut, Nierentubulus) auch
parazellulär
(zwischen den Zellen) durchdringen, abhängig von der Durchlässigkeit
der interzellulären Befestigungsstrukturen (Schlussleisten, Desmosomen).

>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-Glucose-Cotransport, 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: Epithelzellen haben eine zum Lumen (
apikale) und eine zu Interstitium und Blutgefäßen gerichtete (
basolaterale) Seite, durch die Moleküle und Ionen in
unterschiedlicher Weise transportiert werden können, z.B. im
Darm oder in der
Niere. Diese beiden Membrananteile sind mit
unterschiedlichen Proteinen ausgestattet, was die Spezialisierung ihrer Transportwege widerspiegelt. Durch
Schlussleistensysteme sind die beiden Kompartimente gegeneinander separiert; beispielsweise kommen
Na/K-Pumpen in den meisten Epithelien nur in der basolateralen Membran vor.
Die
apikale Membranfläche ist
in vielen Epithelien stark vergrößert: mikroskopisch feine
Ausstülpungen, sogenannte Mikrovilli, sind ~0,1 µm dick und - je nach
Zellart - bis zu 2 µm lang. Sie können die apikale Oberfläche bis um
den Faktor 20 vergrößern und spielen an Orten intensiven
Stoffaustauschs - z.B. in der Darmschleimhaut oder in Nierentubuli -
eine entscheidende Rolle. Ihre Membran enthält reichlich Enzyme und
Transporter für die Aufnahme von Kohlenhydraten, Aminosäuren, Peptiden,
Elektrolyten u.a.
Auch die
basolaterale Membran kann Einfaltungen aufweisen, was z.B. die Zahl in der Membran untergebrachter Na/K-Pumpen wesentlich erhöhen kann.
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 (grüne Kügelchen) wird durch die Zelle
hindurchgeschleust

Zahlreiche Stoffe können durch
Endozytose 
(Phago-, Pinozytose - Bindung an spezifische Membranrezeptoren) in das
Zellinnere aufgenommen werden und durch Transzytose durch Zellbarrieren
gelangen - Transport durch eine Zelle mit Endozytose an einem Ende
(z.B.
apikal) und Exozytose am anderen Ende (z.B. basolateral).
Endozytose und Exoytose erlauben eine
hohe Dynamik
der Bestandteile der Zellmembran: Sie sind z.B. Transporteure für
Proteine, die aus der Zelle in die Membran eingelagert oder aus der
Membran wieder in die Zelle befördert werden sollen
(protein trafficking).
Das ist beispielsweise notwendig, wenn die Ausstattung einer
Epithelzelle mit Transportmolekülen an wechselnde Bedingungen angepasst
werden muss (z.B. im Nierentubulus bei sich änderndem Salzangebot).
Fast alle Zellen sind zur
Pinozytose
fähig - ultrakleine Partikel, bis 0,2 µm, werden aufgenommen (Makrophagen tun dies besonders
effizient).
Phagozytose
ermöglicht die Endozytose wesentlich größerer Teilchen (Bakterien,
Zellen, Gewebestücke, mehrere µm); nur wenige Zellen können das:
Leukozyten und Gewebsmakrophagen.
Beim Mechanismus der
Transzytose spielten
Rezeptormoleküle
eine Rolle: Diese können mit ihrem Transportgut durch die Zelle
geschleust werden, über "frühe Endosomen", Transportvesikel,
"Recycling-Endosomen" und schließlich Transportvesikel, die an der
entgegengesetzten Seite der Zelle mit der Membran fusionieren und
ihren "Passagier" wieder an den Extrazellulärraum abgeben
(<Abbildung).
Transzytotisch werden z.B.
Transferrin (Eisentransport),
Lipoproteine,

Hormone
(
Insulin),

Immunglobuline (
IgA), aber auch

Gifte (z.B.
Botulinustoxin)
durch Zellen gebracht.
Transzytose
erfolgt vor allem in Epithelzellen (Nieren, Darm etc.),
Endothelien, aber auch im
Knochen (
Osteoklasten), in
M-Zellen des Darms und in Nervenzellen.
>Abbildung: Formen der Endozytose
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Als P
hagozytose
bezeichnet man die Aufnahme fester Partikel (auch Zellfragmente, Bakterien), als
Pinozytose die Aufnahme gelöster Teilchen.
Endozytose kann mittels Clathrin, Caveolin, oder unabhängig von diesen Hilsfaktoren erfolgen. Aufgenommene
Stoffe oder Partikel können in Lysosomen gelangen und dort abgebaut
werden. Vorher führt die Ansäuerung (pH<6) zur Ablösung
endozytierter Proteine (z.B. LDL) von
ihrem Rezeptor (4), und die freien Rezeptoren werden wieder in die
Zellmembran eingebracht (5), d.h. sie werden wiederverwertet
Endozytose
ist die Internalisierung von Teilen der Zellmembran und an diese
gebundener Stoffe zwecks Verarbeitung in der Zelle. Sie kann ohne
Rezeptoren für das aufzunehmende Partikel erfolgen
(fluid-phase endocytosis) oder über Rezeptoren in der Membran, die das aufzunehmende Molekül binden
(receptor-mediated endocytosis).
Membranstellen, an denen ein Endozytosevesikel entstehen soll, können
an der Zellinnenseite mit Clathrinmolekülen oder Caveolinen
ausgestattet werden, um die Absprossung nach innen zu erleichtern
(>Abbildung).
Endozytose steht im Dienst mehrerer Funktionen:

Aufnahme von Nährstoffen, für welche die Zellmembran keinen einfachen
Permease-Mechanismus verfügbar hat - z.B. Eisen auf
Transferrin

Begrenzung hormoneller Anregung durch Verlagerung der Hormonrezeptoren nach intrazellulär (
Herunterregulierung,
receptor downregulation)

Recycling und Erneuerung von Membranmaterial via
Golgi-Apparat

Extrazelluläre Proteine (und Pathogene), die für den Abbau bestimmt
sind, können durch Endozytose in die Zelle aufgenommen werden
Über Phagozytose s. dort.
Frei bewegliche Teilchen gleichen Konzentrationsunterschiedliche automatisch aus:
Liegt ein (frei beweglicher) Stoff an einer Stelle im Raum in höherer Konzentration vor als in seiner
Umgebung, ist die Wahrscheinlichkeit für die Bewegung seiner Teilchen ("Brown'sche Molekularbewegung") von hier in die
Umgebung größer als für eine Bewegung in die Gegenrichtung (zunehmende Entropie
→ Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).
Diese
Netto-Bewegung in die Richtung abnehmender Konzentration des betreffenden Stoffes heisst
Diffusion:
ein Ergebnis der Wahrscheinlichkeit. (Grenzfall: Konzentration in der Umgebung = 0 ... nur Bewegung in die Umgebung möglich.)

Über die Angabe von
Stoffmengen (Gramm, Mol) und Stoffkonzentrationen s.
dort.

<Abbildung: Diffusion
Liegen mobile Teilchen (rote Kugeln) an einer Stelle konzentriert
vor (links), dann wandern sie im Rahmen der Wärmebewegung aus diesem
Areal heraus (Diffusion), weil die Molekularbewegung in Richtung ihrer
abnehmenden Konzentration wahrscheinlicher ist als in der Gegenrichtung
(Durchmischungseffekt).
Ihre Konzentration ist schließlich - bei Abwesenheit zusätzlicher
"Ordnungskräfte" - in allen Bereichen gleich groß (rechts)
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 Zell
kompartimenten 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
Die Menge eines Stoffes, der in einer bestimmten Zeit über eine Grenzfläche diffundiert (J), ist proportional der Austauschfläche (A) und dem
Konzentrationsgrandienten (Δc) sowie umgekehrt proportional der
Diffusionsstrecke (Membrandicke d). 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:
Es
gibt mehrere Möglichkeiten, diesen Zusammenhang zu beschreiben. Eine
andere - ebenfalls häufig verwendete (Prüfung!) - lautet wie folgt:
Jdiff = A . D . (∆c / ∆x) [mol/s]
|
Hier steht ∆x für die Membrandicke.
Der Diffusionskoeffizient (D) hängt -
abgesehen von der Temperatur (mit der er steigt) - ab vom Radius der
diffundierenden Teilchen (je kleiner desto besser) und den Eigenschaften
(
Viskosität) des Lösungsmittels (die Stokes-Einstein-Gleichung präzisiert diesen Zusammenhang).
Die
Permeabilität (P) einer
Membran (durch die Diffusion stattfindet) kann definiert werden als
diffusionsstreckenabhängiger Diffusionskoeffizient, oder: P = D / d.
Die Permeabilität gibt an, wie rasch ein Stoff durch eine Membran
hindurch gelangen kann; ihre Dimension ist Weg / Zeit.
Lipidlösliche Substanzen gelangen leicht durch Lipid-Doppellamellen,
die Permeabilität ist ihnen gegenüber hoch; umgekehrt ist die
Permeabilität gering für Ionen bzw. große Moleküle. In die Membran
eingelagerte
systeme beeinflussen
die Membranpermeabilität ganz wesentlich; verschiedene Einflüsse wie
Membranpotential oder Bindung von
Signalstoffen können sie verändern (Öffnungswahrscheinlichkeit von "Permeasen").

Osmose
<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), schrumpft sie (rechts unten).
Isoton ist eine Flüssigkeit, wenn sie
die gleiche osmotische Konzentration hat wie Blutplasma (~285 mOsm/l)
Osmose (
s.
dort)
ist die Strömung von Lösungsmittel (im Organismus: Wasser) durch eine
Membran, die für das Lösungsmittel (Wasser), nicht aber für gelöste
(größere)
Moleküle durchgängig ist - und zwar in die Richtung, in der die
Konzentration des Lösungsmittels niedriger (d.h. die Konzentration der
gelösten Stoffe höher) ist.
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).
Membranpassage
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
spezielle Membranproteine. Diese

erleichtern die Diffusion (erleichterte Diffusion:
facilitated diffusion),

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

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).
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.
Viele Zellorganellen bilden mit ihrem Membranen
Kompartimente, in denen biochemische Vorgänge von ihrer Umgebung abgeschirmt ablaufen können - dies unterstützt geordneten
Stoffwechsel und strukturierte Informationsübertragung.
1974 erhielten Albert Claude, Christian de Duve und Georg E. Palade den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "für ihre
Entdeckungen zur strukturellen und funktionellen Organisation der
Zelle". Sie
stellten mittels elektronenmikroskopischer Untersuchungen Details
zellulärer Strukturen dar, was die Aufklärung ihrer Rolle im
Zellstoffwechsel wesentlich erweiterte.
>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 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
ist ein äußerst dynamisches System - sie unterliegt ständigem Auf-, Um- und Abbau (>Abbildung).
Fettlösliche Stoffe können direkt durch die Lipidschichte der Zellmembran gelangen, wasserlösliche benötigen Transportmoleküle.
Verlagerung von
Hormonrezeptoren nach intrazellulär (Endozytose) senkt die extrazellulär verfügbare Rezeptorzahl und damit die Hormonempfindlichkeit der Zelle (receptor
downregulation), der umgekehrte Vorgang (receptor upregulation) erhöht sie (s. weiter unten).
Bei der
Endozytose helfen Clathrin-Proteine, die Membran einzustülpen (Invagination) und die entstehenden Vesikel (coated vesicles) vorübergehend zu stabilisieren. Der Inhalt des Vesikels wird anschließend abgebaut bzw. wiederverwertet.
Die
Zellmembran kann zwischen äußerer und innerer Verortung wechseln. Exozytose ist eine Möglichkeit, Stoffe aus der Zelle zu befördern - durch Verschmelzen eines Vesikels mit der Zellmembran.
Transport durch Membranen
Vor allem wasserlösliche Stoffe brauchen
für ihre Passage durch Biomembranen mehr oder weniger zylinderförmige
Proteinkomplexe ("Permeasen"), die in der Zellmembran stecken und
ihrem Substrat den Wechsel zwischen Intra- und Extrazellulärraum
erlauben. Dabei können diese unterschiedlich funktionieren:

So weisen
Ionenkanäle
tunnelartige Poren (Radius meist <1 nm) auf. Ihre Konfiguration kann
zwischen den Zuständen "geschlossen" oder "offen" (allosterisch)
wechseln, und zwar unter dem Einfluss verschiedener Faktoren, wie
Membranspannung (spannungsgesteuerte Kanäle,
voltage-gated channels), Bindung extrazellulärer (ligandengesteuerte Kanäle,
ligand-gated channels)
oder intrazellulärer Signalstoffe (z.B. Kinasen). Ionenkanäle
unterscheiden sich in ihrer Spezifität, d.h. Durchgängigkeit für
(bestimmte) Kationen und / oder Anionen.

Oder es handelt sich um
Carrier (
Transporter),
hier ist für die Passage des Substrats die "offene" Konformation
notwendig. Solche Carrier erlauben entweder transmembranale
Netto-Strömung entsprechend einer vorhandenen Konzentrationsdifferenz
(erleichterte Diffusion) oder nutzen ein anderes Konzentrationsgefälle
(z.B. von Natriumionen), mit dem zusammen der "eigentlich"
transportierte Stoff bewegt wird - entweder in dieselbe Richtung
(Cotransport) oder in die Gegenrichtung (Austausch).

Oder der
Transport erfolgt direkt energieverbrauchend (ATPase,
Ionenpumpe).
Das heißt: Der Durchtritt des "Passagiers" kann entweder
mit dem chemischen / elektrochemischen Gradienten
für diesen Stoff (bei entsprechendem Membranpotential und
Konzentrationsgefälle) erfolgen,
ohne zusätzlichen
Energieaufwand, also durch
Diffusion -
Passiver (downhill) Transport:
Stoffe wandern entsprechend ihrem chemischen (Konzentrations-), Ionen entsprechend ihrem elektrochemischen Gradienten - oder

unter Energieaufwand:
Aktiver (uphill) Transport -
Stoffe werden gegen ihren Konzentrations-, Ionen gegen ihren elektrochemischen Gradienten befördert.
Der elektrochemische Gradient ΔG ergibt sich aus Konzentrationsverhältnis des betreffenden Ions (extrazellulär: ce, intrazellulär: ci) und Membranpotential - berechnet wie folgt:
ΔG = RT ln (ci/ce) + zFU
wobei
R = Gaskonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions, F =
Faradaykonstante (Ladung eines Mols einwertiger Ionen), U = Spannung.
Bei gegebenen Werten (Körpertemperatur: 310 K etc) und Umrechnung auf
den dekadischen Logarithmus (=Hochzahl auf der Basis 10) lässt sich ein
Membranpotential E (Gleichgewichtspotential) errechnen:
E = (61,5 mV / z) log (ce/ci)
Diese Formulierung entspricht der Nernst'schen Gleichung.
Weicht das Membranpotential von [E] für ein bestimmtes Ion ab, ergibt
sich ein elektrochemischer Gradient, dem entsprechend das Ion durch die
Membran diffundiert.
|
Die meisten biologisch relevanten Ionen (wie Na
+, K
+, Ca
++, Cl
-, HCO
3-)
und gelösten Substanzen (wie Zucker, Aminosäuren etc) lösen sich nicht
in der Lipidphase von Zellmembranen. Daher gelangen sie auch nicht
durch einfache Diffusion durch diese Barrieren (Kompartimentierung) -
zur Passage benötigen sie spezielle Proteine, die von der Zelle je nach
Bedarf
exprimiert und in die betreffenden Membranen integriert werden. Diese Proteine bilden
Poren in Membranen (die
immer offen sind; z.B.
Porine
in der äußeren Mitochondrienmembran, durch welche Moleküle bis 5 kDa
frei diffundieren können. Poren ermöglichen den Durchtritt von bis zu
2.10
9 Teilchen pro Sekunde.
Aquaporine stehen für den Durchtritt von Wasser bereit und werden an verschiedenen Stellen des Körpers bedarfsabhängig exprimiert.
Kernporen
ermöglichen den Durchtritt eher kleiner (bis 45 kDa) Moleküle zwischen
Zellplasma und Zellkern, und sind Bestandteil eines komplexen
Schleusensystems.
Perforine bilden offene "Löcher" in der Membran von Zellen, die durch Wirkung zytotoxischer T-Lymphozyten angegriffen werden;
Kanäle, die offen oder durch
ein "Tor"verschlossen sein können
(gated channels), z.B. für Na
+, Cl
-, K
+, Ca
++ - ihr
Öffnungszustand oszilliert.
Beim Wechsel zwischen geöffnetem und geschlossenem Zustand durchlaufen
Kanäle eine Konformationsänderung; der geöffnete Zustand kann
unterschiedlich lang andauern. Kanäle lassen in geöffnetem Zustand 106 bis 108 Teilchen pro Sekunde hindurchtreten, also um 2-3 Größenordnungen weniger als Poren.
Darüber hinaus verfügen Kanäle über Sensoren, die auf die chemische (extrazelluläre Liganden, intrazelluläre second messenger) oder elektrische Signale (Membranpotential) mit einer Änderung ihrer Öffnungswahrscheinlichkeit reagieren. Schließlich haben Kanäle einen Selektivitätsfilter, der bestimmt, welche Ionen passieren können. Meist sind Kanäle für ein
bestimmtes Ion ziemlich
selektiv durchgängig ("Kaliumkanal", "Natriumkanal" usw). Dabei beeinflusst das
Aminosäuremuster
der Domänen (Helices), aus denen die Pore aufgebaut ist, deren
Transporteigenschaften (hydrophob vs. hydrophil) und -spezifitäten
(welches Ion wird unter welchen Bedinungen wie stark durchgelassen?);
Carrier
(Transporter), die über ein äußeres und ein inneres Tor verfügen, die
alternartiv geöffnet werden - sie durchlaufen jeweils einen definierten
Funktionszyklus. Dadurch ist es möglich, im Rahmen eines
mehrschrittigen Verfahrens Ionen auf einer Seite "einzufangen" und dann
auf der anderen Seite der Membran wieder freizusetzen. Carrier "schaffen" pro Sekunde allerdings nur 200 bis 5.10
4 Teilchen, um Zehnerpotenzen weniger ist als Kanäle.
Carrier sind
nie durchgängig offen,
ein Tor ist immer verschlossen. Einige Carrier ermöglichen Diffusion
kleiner gelöster Stoffe, wie z.B. Glucose (erleichterte Diffusion). Im
Gegensatz zu einfacher Diffusion (deren Intensität linear mit der
Konzentrationsdifferenz des diffundierenden Stoffes ansteigt)
unterliegt der Transport bei erleichterter Diffusion einer
Sättigungskinetik (nichtlinear: Mit zunehmender Konzentrationsdifferenz wird die Zunahme der Diffusion immer geringer).
Poren bestehen aus
ß-Faltblattstrukturen (sie stehen immer offen);
Ionenkanäle (die nur oszillierend öffnen) sind aus
helikalen Strukturen aufgebaut, die parallel
zueinander in die Membran "gesteckt" erscheinen. So kann z.B. ein
Kaliumkanal aus vier Einheiten aufgebaut sein, die ihrerseits aus
jeweils 6 transmembranalen α-Helices bestehen.
<Abbildung: Diffusion, Osmose und passiver Transport
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2010
Links: Einfache passive Diffusion durch eine Zellmembran (z.B. Sauerstoff). Die Transportrate nimmt (bis zu einer Obergrenze) linear mit der Konzentrationsdifferenz zu
Mitte: Erleichterte
Diffusion, d.h. durch ein Kanalprotein - spezifisch oder unspezifisch.
Bei sättigbaren Mechanismen ("Carrier", "Pumpe") nimmt die
Transportrate mit zunehmender Konzentrationsdifferenz immer weniger zu (Michaelis-Menten-Kinetik)
Rechts: Wasser diffundiert einfach (Osmose = Diffusion des Lösungsmittels) und durch Aquaporine erleichtert
Passiver Transport
(downhill) erfolgt
-- via
einfache
passive Diffusion durch die
Lipid-Doppellamelle
der Zellmembran, indem ein Stoff von
der flüssigen Phase in die Lipidphase überwechselt, über die Doppellamelle
diffundiert und schließlich an der Gegenseite wieder in die flüssige
Phase übergeht (Abbildung) - das tun z.B. Gase (Sauerstoff,
Kohlendioxid, Stickstoff...) und kleine polare Moleküle wie Harnstoff
oder Ethanol.
-- Oder durch
Proteinkomplexe in der Membran: Permeasen bzw. Transporter
(erleichterte Diffusion,
facilitated diffusion).
Ionenkanäle erlauben den mehr oder weniger
spezifischen Durchtritt
(Diffusion) von Ionen, der Mechanismus der Selektivität ist nicht
vollständig geklärt (>Abbildung). Ihre Eigenschaften - z.B. die
Beziehung zwischen Spannung und Stromstärke - lassen sich mit der
Patch-clamp-Methode
untersuchen, bei der ein Stück Zellmembran mit einem einzelnen
Ionenkanal an die Spitze einer Mikropipette gebracht und so separiert
studiert werden kann.

>Abbildung: Selektive Ionenpermeabilität der Zellmembran
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)
Links oben: Ionen sind in Lösung von einem
Wassermantel umgeben, z.B. lagern sich an Kationen negativ geladene
Sauerstoffpole von H
2O-Molekülen an. Der
entstehende Hydratmantel macht eine Interaktion der Ionen mit
Phospholipiden in der Zellmembran unwahrscheinlich.
Links unten: Natriumionen sind kleiner als Kaliumionen, haben aber
(wegen höherer Feldstärke) einen größeren Hydratmantel. Die engeren
Kaliumkanäle
(effektiver Poren- Innendurchmesser 0,3 nm) lassen Kalium, nicht aber Natrium passieren. Dabei "hüpfen" Kaliumionen
vermutlich paarweise hintereinander, durch Wassermoleküle getrennt,
jeweils im Abstand einer leerbleibenden Bindungsstelle durch den Kanal
(nicht gezeigt)
Rechts:
Natriumkanäle zeigen
selektives Filterverhalten: Vermutlich lagern aktive Stellen in der
Kanalwand (negativ geladene Partien von Aminosäuren) vorübergehend Na
+
und einzelne Wassermoleküle (am Wasserstoffpol) an, der Hydratmantel
"zerreißt" für kurze Zeit (<1 µs), hinter der Engstelle formiert er
sich wieder um das Na
+. Für K
+ (mit seinem größeren Durchmesser) funktioniert das nicht, es bleibt von der Passage (weitgehend) ausgeschlossen

Ionenkanäle können in zwei Zuständen vorliegen,
"geschlossen" oder "offen" (ein dritter Zustand, "inaktiviert",
entspricht permeabilitätsmäßig dem geschlossenen). Das Kippen zwischen
diesen Zuständen erfolgt typischerweise 10
6 bis 10
8-mal
pro Sekunde, entsprechend ausgiebig (bis zu 10
8 Ionen pro Sekunde) kann der Transport ausfallen. Die (über die Zeit
gemittelte) Wahrscheinlichkeit, mit der die "offene" Form vorliegt,
entscheidet über die Permeabilität des Kanals für seine Passagiere (Natriumionen, Kaliumionen etc).
Die Wahrscheinlichkeit des "Offen"-Zustandes von Ionenkanälen kann
beeinflusst werden durch die Anlagerung von Signalstoffen
(interzellulären Mediatoren, wie Hormonen, Transmittern etc)
(ligand gated), Änderungen des Membranpotentials
(voltage gated), mechanische Kräfte
(stretch activated), Temperatur
(temperature activated), Status intrazellulärer
Speicher (store activated). Obwohl Ionenkanäle relativ hohe Transportwerte ermöglichen, sind sie auch
sättigbar in dem Sinne, dass ihre Zahl und Transportrate begrenzt sind.
Bei spannungsabhängigen Ionenkanälen
(voltage gated ion channels) bilden positiv geladene Aminosäureketten im Ionenkanal Spannungssensoren,
die ihre Position je nach Membranpotential verändern. Diese
Konformationsschwankungen öffnen bzw. schließen den Ionenkanal.
Unabhängig davon kann ein zusätzlicher Abschnitt des Rezeptorkomplexes von die Innenseite aus die Passage durch den Ionenkanal verschließen (wie ein "Stöpsel" - "ball and chain inactivation",
vgl. dort), auch bei ligandenaktivierten Kanälen (ligand gated ion channels); dann
ist der Kanal "inaktiviert" (spannungsabhängige Kanäle) oder
"desensitisiert" (ligandengesteuerte Kanäle) und für Ionen
vorübergehend unpassierbar. Erst die Entfernung des "Stöpsels" aus dem
intrazellulären Kanaleingang macht den Kanal wieder aktivierbar.
Mehrere Isoformen von Ionenkanälen für Natrium, Kalium,
Calcium und
Chlorid finden sich in der Membran
aller Zellen. Kaliumkanäle weisen
eine besonders große Diversität auf.
Spannungsgesteuerte Na
+- und Ca
++-Kanäle
bestehen aus kanalbildenden und regulatorischen Untereinheiten, sie
ermöglichen Aktionspotentiale bzw. deren Verlängerung, und
Calciumeinstrom in Neurone vermittelt deren Transmitterfreigabe.
Ligandengesteuerte
Kanäle sind z.B. (exzitatorisch wirkende) cholinerge und glutamaterge,
oder (inhibitorsich wirkende) glycinerge und GABAerge Kanäle.
Kanalproteine sind auch
Aquaporine ("Wasserkanäle") sowie junktionale Kanäle in interzellulären Verbindungsstrukturen (
gap junctions, wohl auch
tight junctions).
Transporter (Carrier), die das zu transportierende Molekül
vorübergehend anlagern, um über eine
Konformationsänderung seinen Durchtritt
zu ermöglichen, können ~1 bis
10
3
Konformationsänderungen pro Sekunde durchlaufen. Dieser Transport
erfolgt ebenfalls ohne Energieaufwand,
entsprechend dem elektrochemischen bzw. Konzentrationsgradienten des Transportgutes. Der
Mechanismus ist nicht nur
sättigbar, er kann auch durch Substrat-Analoge gehemmt
werden (Transportkinetik).
Beispiel:
Glucosetransporter (GLUT), ein sogenannter
Uniporter-Mechanismus (singulärer Transport eines Substratmoleküls nach seinem Konzentrationsgradienten).
Aktiver Transport
(uphill) kann erfolgen

durch direkten Verbrauch (Hydrolyse) von ATP (ABC-Transporter s.
unten) -
primär aktiver Transport; Beispiel: Die allgegenwärtige Na/K-Pumpe;

unter Nutzung einer vorher (aktiv) schon aufgebauten
Konzentrationsdifferenz eines Stoffes, der für einen Mittransport (
Symport) oder Austausch (
Antiport) des zu transportierenden Stoffes durch die Membran genützt wird (
sekundär aktiver Transport).
Passiver Transport (downhill)
nach (elektro-)chemischen Gradienten
|
|
Aktiver Transport (uphill)
gegen (elektro-)chemischen Gradienten
|
Kanäle
Transporter (Carrier)
erleichterte Diffusion
z.B. Kaliumkanal
Glucosetransporter
|
|
ATPasen
primär aktiv
z.B. Na/K-Pumpe
|
|
Symporter
sekundär aktiv
z.B. Natrium-Glucose-
Cotransporter
|
Antiporter
sekundär aktiv
z.B. Natrium-Calcium-
Austauscher
|
Diese Einteilungist
etwas willkürlich, denn woher kommt beim "passiven" Transport der
elektrochemische Gradient, der diesen antreibt? Er muss ebenfalls
durch "aktive" Prozesse entstanden sein, z.B. durch
die Tätigkeit von Na/K-ATPasen.
Die
Geschwindigkeit des Austausches von Stoffen über Membranen ist von mehreren Faktoren abhängig, wie

von bestehenden
Konzentrationsdifferenzen;

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

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 der Verfügbarkeit des
Energieträgers (wenn der Transport energieverbrauchend ist; meist ATP).

Im folgenden Text werden besprochen:
Transporter, die in anderen Teilen dieser Website besprochen werden:
Aquaporine
Aquaporine sind
Proteine, die Wassermoleküle (und andere ungeladene Moleküle, z.B.
Harnstoff oder Glyzerin - daher die gelegentliche Bezeichnung
"Aquaglyzeroporine") durch Zellmembranen treten lassen. Wahrscheinlich beteiligen sie sich auch an der Durchlässigkeit für weitere Moleküle, z.B. CO2 oder Ammoniak.
Unterschiedliche Gewebe exprimieren unterschiedliche Aquaporine (AQP0,
AQP1 etc - in der Biologie kennt man mittlerweile über 200 verschiedene
Aquaporine, bei Säugetieren 13) mit unterschiedlichen funktionellen
Eigenschaften.
Wasser kann im Gewebe
zwischen (parazellulär, z.B. durch Systeme von
Schlussleisten) oder
durch
Zellen (transzellulär, insbesondere vermittels Aquaporinen) gelangen. Der
Mechanismus, der das Wasser befördert, kann eine Strömung sein -
konvektiv, entsprechend (hydrostatischen)
Druckgradienten, wie bei der kapillären Filtration oder dem Lymphfluss; entsprechend einer
Konzentrationsdifferenz (durch
Diffusion oder
Osmose) auf
die Seite geringerer Wasserkonzentration.
Die Durchlässigkeit einer Grenzfläche - z.B. Zellmembran, Kapillarwand - gegenüber einer Wasserströmung nennt man ihre
hydraulische Leitfähigkeit. Statt der Wasserkonzentration (~56.000 mM)
wird allgemein die
Osmolalität angegeben (in den meisten Körperflüssigkeiten
knapp 300 mOsm), die ersterer umgekehrt proportional ist.
Der Durchtritt von Wasser durch die
Zellmembran wird durch
Aquaporine
ganz wesentlich erleichtert
(H
2O
ist ein polares Molekül). Man findet sie vor allem
dort, wo
reger Wasseraustausch
stattfindet: Nierentubuli, Drüsenzellen, Erythrozyten, Kapillarwände,
Lungenalveolen, Gallenblase. Arbeitende Muskelzellen geben Laktat und
Kalium an ihre Umgebung ab, was hier die Osmolalität steigert und
Wasser (durch Aquaporin-1-Kanäle) aus der Blutbahn in das Interstitium
saugt (der aktive Muskel schwillt an).
Aquaporine finden sich überall im Körper. Meist sind es
Tetramere aus 4 identen Untereinheiten, die aus jeweils 6 miteinander verbundene transmembranalen
α-Helices separate Wasserkanäle formen (der Gesamtkomplex bildet einen gemeinsamen größeren Kanal, wahrscheinlich mit speziellen funktionellen Eigenschaften wie z.B.
CO2-Durchlässigkeit).
Die Regulation ihrer Zahl in der Zellmembran erfolgt (beim Menschen)
zum Großteil durch Verlagerung der Tetramere zwischen intrazellulärer
und externer Membranposition
(trafficking).

<Abbildung: Aquaporin als "Wasserkanal" in der Zellmembran
Nach einer Vorlage bei nobelprize.org
Gezeigt
ist ein Aquaporin1-Kanal. Die positive Ladung in seiner Mitte verhindert den Durchtritt von H3O+ und damit von Wasserstoffionen
(Sauerstoffatome rot, Wasserstoffatome weiß).
Die zentrale Engstelle des ("sanduhrförmigen") Kanals (bei AQP1 ~3 nm) ist so beschaffen, dass sie selektiv H2O-Moleküle
durchtreten lässt, wahrscheinlich über Wasserstoffbrückenbindungen zu
speziellen Aminosäuren in der Kanalenge. Die Durchtrittsquote beträgt
z.B. bei AQP1 etwa 109 Moleküle pro Sekunde

Aquaporine 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,
Aquaglyceroporine (AQP 3, 7, 9) auch u.a. Glycerin und Harnstoff.
Aquaporin 0 in der
Augenlinse (auch AQP1 und AQP5)
Aquaporin 1 (
Erythrozyten sowie die apikale und basale Membran von Zellen im
proximalen Tubulus und im absteigenden Schenkel der
Henle-Schleife sind konstitutiv (von der Anlage her) mit Aquaporin 1 ausgestattet)
Aquaporin 2 (die apikale Membran von
Sammelrohrepithelzellen lagert unter der Wirkung von
Vasopressin Aquaporin ein)
Aquaporin 3 (basolaterale Membran von Sammelrohrepithelzellen)
Aquaporin 4 (basolaterale Membran von Sammelrohrepithelzellen; beteiligt an der
Blut-Hirn-Schranke)
Aquaporin 5 (Azinuszellen der
Speicheldrüsen)
Existenz und Struktur der Aquaporine wurde in den 1980er-Jahren durch Forschungen des Teams um Peter Agre ergründet, wofür er 2003 den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Das Genom
des Menschen enthält zahlreiche Baupläne für Varianten von
Ionenkanälen: 9 Gene für spannungsgesteuerte Natriumkanäle, 10 Gene für Calciumkanäle, mehr als ein Dutzend Chloridkanäle, 70 für
ligandengesteuerte Kanäle, 80 Gene für Kaliumkanäle. Diese Gene kann
man Genfamilien und Gen-Superfamilien zuordnen, mit ähnlichem Aufbau
und analoger Funktion der Kanäle.

Abbildung: Ionentransportsysteme in Zellmembranen
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 1st ed., Saunders 2003
Transportsysteme
finden sich in der Plasmamembran sowie der Membran von Zellorganellen.
Sie sind im folgenden Abschnitt beschrieben.
In
der Abbildung sind typische Kanäle / Austauscher / Pumpen nebeneinander
dargestellt. Zellen exprimieren diese je nach Bedarf an bestimmten
Orten,
unterschiedlich z.B. zwischen apikaler und basolateraler Membran sowie
verschiedenen Organellen
Ionenkanäle (Abbildung) 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
Calciumkanäle (
Voltage dependent calcium channels, VDCC) Einstrom von
Calciumionen in die Zelle.
Freie Calciumionen liegen außerhalb der Zelle (Interstitium, Extrazellulärraum)
um >3 Zehnerpotenzen konzentrierter vor als im Zytoplasma
Dieses hohe extra / intrazelluläre Konzentrationsverhältnis bedingt einen intensiven Ca++-Gradienten in die Zelle (Gleichgewichtspotential ca. +150 mV)
|

Ionenkanäle und damit die Zellfunktion können in vielfacher Weise durch
Medikamente beeinflusst
werden - beispielsweise ligandengesteuerte durch Nikotin (ahmt Acetylcholinwirkung an nikotinergen Rezeptoren nach),
spannungsgesteuerte durch Lidokain (ein Lokalanästhetikum, verhindert
das Entstehen von Aktionspotentialen).
>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
Natriumkanäle funktionieren auf verschiedene Weise:
spannungsabhängig (Nav,
voltage gated sodium channels) - z.B. an Nerven- (Aufstrich des Aktionspotentials), Muskel-, Glia- oder Epithelzellen; Depolarisation öffnet sie (

s. auch
dort).

<Abbildung: Spannungssensitiver Natriumkanal
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman
& Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw
Hill Education 2014
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle reagieren
auf den Betrag des Membranpotentials. Sie sind aus jeweils 4 (fast
identen) Domänen aufgebaut (grün). Ist die Membran aufgeladen bzw.
hyperpolarisiert, sind die Natriumkanäle verschlossen und blockieren
den Na+-Einstrom (links). Depolarisierung führt zu einer
Konformationsänderung, der Kanal öffnet und Natrium strömt in die Zelle
(Mitte).
Sehr rasch (~1 ms) kommt es dann zu einer weiteren
Konformationsänderung, und ein (durch die Kugel symbolisierter) Teil
des Porenkomplexes (das Inaktivierungsmotiv) verschließt den Kanal, der
dadurch in einen dritten, inaktivierten Zustand gerät und den
Natriumeinstrom beendet (rechts).
Erst wenn die Zelle repolarisiert, stellt sich der "geschlossene" - und damit erregbare - Zustand (links) wieder her
Details zum Mechanismus s.
dort

Spannungsgesteuerte Natriumkanäle können in drei Zuständen vorliegen: In Ruhe
geschlossen / aktivierbar; bei Erregung der Zelle
geöffnet (Natriumeinstrom), dann
inaktiviert
(~2 ms, ermöglicht Repolarisierung der Zelle).
Schließlich stellt sich wieder der Zustand "geschlossen / aktivierbar"
ein
ligandengesteuert (ligand gated)
- z.B. an der motorischen
Endplatte; ihre Öffnungswahrscheinlichkeit
hängt von der Bindung eines Transmitters (wie Acetylcholin) an den
Rezeptor ab
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).
>Abbildung: Regulation eines epithelialen Natriumkanals (ENaC)
ENaCs bestehen aus α,
β und γ-Untereinheiten; jeweils mit zwei membrandurchspannenden
Domänen. Sowohl die N- als auch die C-Enden liegen intrazellulär.
Die
Regulation erfolgt über externe (Hormonwirkung, Scherkräfte,
proteolytische Spaltung) und interne Faktoren (Natriumionen,
Ubiquitinierung, Kinasen u.a.).
AMP, Adenosinmonophosphat
Thr: Aminosäuren (Serin, Threonin)
P = Phosphat
Ubiquitine
(Ub) sind kleine Proteine, das an andere Proteine reversibel binden und
deren Eigenschaften (Funktion, Lebenszeit, Verteilung) verändern

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).
Tetrodotoxin
ist ein bakterielles Gift, das von manchen - resistenten - Tierarten
(z.B. Kugelfischen - japanische Delikatesse) in ihrem Körper (beim
Kugelfisch in den Ovarien) konzentriert werden kann. Es
blockiert selektiv den spannungsabhängigen Natriumkanal und wird daher in der Forschung verwendet. Auch das aus Muscheln stammende
Saxitoxin blockiert den spannungsabhängigen Natriumkanal. Umgekehrt wirkt das Froschalkaloid
Batrachotoxin, indem es
selektiv den spannungsabhängigen Natriumkanal offenhält und dadurch ähnlich giftig ist wie die vorher erwähnten Neurotoxine.
mechanosensitiv (stretch gated)
- solche Ionenkanäle erhöhen ihre Permeabilität bei Dehnung der Membran, z.B. in Sensoren der
Oberflächensensitivität, und sind auch für andere Kationen (Kalium, Calcium) permeabel
ASICs (acid-sensing ion channels) sind Natriumkanäle an Nervenzellen, deren Durchlässigkeit durch extrazelluläres H
+ ansteigt
.
Die so bewirkte Depolarisation triggert Sekundäraktivitäten wie
Phosphorylierungen oder Schmerzimpulse und können spannungsabhängige
Calciumkanäle (
Voltage-dependent calcium channels, VDCCs) aktivieren.
Kaliumkanäle - codiert von mindestens 79 verschiedenen Genen - gehören zur größten Familie
der spannungsgesteuerten Ionenkanäle in der Zellmembran. Man
unterscheidet mehrere Gruppen, je nach ihrer funktionellen Charakteristik:
Kaliumkanäle
bestehen aus 4 Proteinen (α-Untereinheiten), die aus transmembranalen
(helikalen) Sequenzen (zylinderförmig dargestellt) und
dazwischenliegenden Aminosäureschleifen bestehen. Der Kaliumkanal Kir (“inwardly rectifying“) hat je α-Untereinheit zwei helikale Sequenzen (links), spannungsgesteuerte Kaliumkanäle Kv (voltage gated) deren
sechs (Mitte). Die Untereinheiten sind jeweils zu Vierergruppen zu
einem Kanalkomplex angeordnet (rechts, Ansicht auf die Membran). Aminosäureschleifen können als Spannungsdetektoren fungieren

Spannungsgesteuerte Kv (voltage gated, >Abbildung), deren Öffnungswahrscheinlichkeit vom Membranpotential abhängt, z.B. am
Herzen,
im
Nervengewebe
(KCNQ-Kanäle 1 bis 5) oder in Nierentubuli. Diese Kanalfamilie hat
mehrere Unterklassen; sie können rasch aktiviert werden und das
Aktionspotential kurz halten (Nervenfasern, Muskelfasern) oder dies
langsam tun und lange Aktionspotentiale bewirken (Herzmuskel). Diese
Gruppe der Kaliumkanäle bezeichnet man als outward-rectifyer K channels.
"
Einwärtsgerichtete" Kaliumkanäle
Kir (inwardly rectifying, anomalous rectifier)
GIRK (G protein-coupled inward-rectifyer potassium channel) lassen Kaliumionen durch die Zellmembran dringen (
Herz, Nephron). Depolarisierung reduziert die Öffnungswahrscheinlichkeit dieser Kanäle (durch Anlagerung von Mg
++ oder Polyaminen an der Kanalinnenseite) und erschwert den Kaliumaustritt - daher der Name (auch wenn der Kaliumstrom meist
aus der Zelle, nicht in sie erfolgt).
ATP-sensitive Kanäle
KATP, vorwiegend in der Zellmembran, aber auch in Sarkolemm (sarcK
ATP), Mitochiondrien- (mitoK
ATP) oder Kernmembran (nucK
ATP),
werden von intrazellulären Nukleotiden (ATP, ADP) reguliert. Man findet
sie in quergestreifter Muskulatur, Neuronen, pankreatischen ß-Zellen,
renalen Tubuluszellen.
Calciumaktivierte Kaliumkanäle KCa öffnen bei Bindung von Ca
++, z.B. im Herzmuskel, an
Gefäßen, Leberzellen oder im
Innenohr. Man unterscheidet SK
Ca (small conductance), IK
Ca (intermediate conductance) und BK
Ca (big conductance) Kaliumkanäle
(calcium-activated potassium channels). Die Subtypen sind pharmakologisch unterschiedlich ansprechbar.
Hypoxieempfindliche Kaliumkanäle in Chemorezeptorzellen zeigen bei sinkendem pO
2 reduzierte Öffnungswahrscheinlichkeit, der Kaliumausstrom nimmt ab, die Zelle depolarisiert.
In der luminalen (apikalen) Membran von
Tubulus- und Sammelrohrzellen der Niere spielen
ROMK (Renal Outer Medullary Potassium channel) für die Ausscheidung von Kalium eine tragende Rolle.
CNG-Kanäle
(CNGC, Cyclic nucleotide-gated ion channels) sind komplex aufgebaute,
nichtselektive Kationenkanäle,
die auf die Bindung
zyklischer Nukleotide (cGMP, cAMP) mit Öffnung
reagieren. Sie
lassen Kationen (rot) durch die
Zellmembran treten und wirken de- oder auch hyperpolarisierend.

>Abbildung: CNG-Kanal
Nach Podda MV, Grassi C: New perspectives in cyclic
nucleotide-mediated functions in the CNS: the emerging role of cyclic
nucleotide-gated (NGC) channels. Eur J Physiol 2014; 466: 1241-57
Adenylylcyclase (Adenylatzyklase - angeregt durch von
GPCRs freigesetzte stimulierende G-Proteine, Gs) macht aus ATP
cAMP, Guanylatzyklase aus GTP
cGMP. Beide second messenger haben Wirkungen auf Ionenkanäle (
HCN,
Kir) und Proteinkinasen (
PKA, PKG) und binden auch an CNG-Kanäle, die Kationen in die Zelle diffundieren lassen.
Epac =
exchange protein, activated by cAMP (ein multifunktionales Protein), NO =
Stickstoffmonoxid, sGC = lösliche Guanylatzyklase

Hauptsächlich dienen CNG-Kanäle der Reiztransduktion in Sinnerorganen - Photorezeptoren in der
Netzhaut, olfaktorischer Rezeptoren (
Geruchssinn)
. Man findet sie auch in Herzmuskel-,
Nierenepithel-, Gonaden- und Nervenzellen; ihre Struktur bestimmt ihre Funktion (z.B. Gonadotropinsekretion, Funktionen in Nierentubuli, Spermien).
HCN-Kanäle (Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channels) sind Ionenkanäle, die je nach Lage des entsprechenden
Gleichgewichtspotentials Kationen (Na
+, K
+)
durch
die Zellmembran strömen lassen. Sie werden durch Hyperpolarisierung
und/oder zyklische Nukleotide geöffnet und schließen bei
Depolarisierung der Membran. Man zählt sie zur Superfamilie
spannungsgesteuerter Kalium- (
Kv) und zyklische-Nukleotid-gesteuerter (
CNG) Kanäle.
HCN-Kanäle haben die unübliche Eigenschaft, durch Hyperpolarisierung
aktiviert zu werden (daher nennt man den Ionenstrom durch diese Kanäle
- Natrium und Kalium -
"funny" current I
f).
Bei einem Membranpotential nahe dem Ruhepotential sind sie geöffnet. Es
gibt sie in verschiedenen Ausführungen: HCN1 (schnellere Aktivierung,
weniger sensitiv gegenüber cAMP) bis HCN4 (langsamere Aktivierung, hohe
Empfindlichkeit gegenüber cAMP). Sie spielen eine Schlüsselrolle
bei der Beeinflussung der Erregbarkeit von
Nerven- und
Herzmuskelzellen ("
Schrittmacherkanäle",
"pacemaker channels").
Im Sinusknoten des
Herzens beteiligen sie sich an dessen rhythmusgenerierenden Funktion
; die führende Isoform ist HCN4. Die Beeinflussung erfolgt (agonistisch) durch cAMP und cCMP (zyklisches Cytidin-Monophosphat).
Neuronen im
Zentralnervensystem
exprimieren alle Isoformen des HCN-Kanals und beteiligen sich an
verschiedenen Funktionen (Hinterhorn, Atemzentrum, Basalganglien,
Hippocampus, Großhirnrinde).
Man kennt spannungsabhängige (voltage-gated) und ligandenaktivierte (ligand-gated) Ca++-Kanäle:
Spannungsgesteuerte Ca++-Kanäle
(Voltage dependent Calcium channels VDCC)
|
Typ
|
erforderliche Spannung
|
Vorkommen
|
L-Typ Ca++-Kanal
(Long-lasting)
|
hoch
(HVA = high voltage activated)
|
Herzmuskel, Skelettmuskel, glatter Muskel, Osteoblasten, Dendriten / Spines
|
P-Typ Ca++-Kanal
(Purkinje)
|
hoch
|
Purkinje-Zellen, Körnerzellen (Kleinhirnrinde)
|
N-Typ Ca++-Kanal
(Neural)
|
hoch
|
gesamtes Nervensystem
|
R-Typ Ca++-Kanal
(Residual)
|
mittel
|
Körnerzellen (Kleinhirnrinde) |
T-Typ Ca++-Kanal
(Transient)
|
niedrig
|
Schrittmacherzellen, Osteozyten, Thalamusneurone
|
Ligandenaktivierte Ca++-Kanäle |
|
aktiviert durch
|
Lage
|
Funktion
|
IP3-Rezeptor
|
IP3
|
endo- / sarkoplasmatisches Retikulum (ER/SR)
|
IP3-induzierte Ca++-Freisetzung aus ER/SR
|
Ryanodin-Rezeptor
|
Dihydropyridin-Rezeptoren in T-Tubuli / intrazellulärer Ca++-Anstieg (CICR)
|
ER/SR |
Ca++-induzierte Ca++-Freisetzung in Muskelzellen (CICR)
|
Zweiporenkanal
|
NADDP Nicotinsäure-adenin-
dinukleotid-phosphat
|
endo- / lysosomale Membran
|
NADDP-induzierter Ca++-Transport über Membran von Endo- / Lysosomen
|
Kationenkanal in Spermien
|
Ca++ (CICR)
|
Spermien (Flagella)
|
Ca++-aktivierte Orientierung von Spermien
|
SOCs
|
Ca++-Entspeicherung |
Plasmamembran
|
Ca++-Signal an Zytoplasma
|
Die
Klassifizierung erfolgt nach elektrophysiologischen (Schwellenspannung)
und pharmakologischen Gesichtspunkten (z.B. Calciumblocker).
Spannungsgesteuerte Ca++-Kanäle sind auch durchgängig für Natriumionen ("Ca/Na-Kanäle"), wenn auch um drei Zehnerpotenzen geringer (der chemische Ca++-Gradient über die Zellmembran ist andererseits um mindestens zwei Zehnerpotenzen größer als der Na+-Gradient).
<Abbildung: Mechanismus des speicherbetriebenen Calciumeinstroms
Nach Prakriya M, Lewis RS, Store-Operated Calcium Channels. Physiol Rev 2015; 95: 1383-436
Kommt
es zu einer Entleerung der Calciumspeicher 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)
Calciumkanäle können unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen haben
, zum Beispiel
Mechanosensible Calciumkanäle bewirken z.B. den
Bayliss-Effekt
Ca++-ATPasen befördern - primär aktiv, also unter Energieverbrauch - Calciumionen aus dem Zytoplasma - Plasmamembran Ca++-ATPase (PMCA) pumpt Calcium aus der Zelle, Sarkoplasmatisches-Retikulum-Ca++-ATPase (SERCA) in das endoplasmatische Retikulum
TRPV6 (ein transient receptor potential cation channel) ist vor allem für die Calciumresorption aus dem Darm erforderlich und wird auch als Epithelialer Calciumkanal ECaC (epithelial calcium channel) bezeichnet.
Über
spannungsgesteuerte L-Typ) Calciumkanäle (zu denen der
Ryanodinrezeptor gehört) s.
dort
Über den
calciumsensitiven Rezeptor (CaSR) s.
dort
Über
TRP-Kanäle s.
dort
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
Calciumsensor des endoplasmatischen Retikulums, können sie aktiviert werden (>Abbildung). Der Mechanismus wird als
speicherbetriebener Calciumeinstrom (SOCE: store-operated calcium entry) bezeichnet
Speicherbetriebene Calciumkanäle (
Store-operated calcium channels,
SOCs - <Abbildung) 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
Calciumkanäle
- die auch nicht spannungsabhängig sind - lang an (Minuten bis
Stunden). Vorgänge wie
Sekretion,
Gentranskription und
Enzymaktivität
können so nachhaltig beeinflusst werden.
Mitochondriale Calcium-Uniporter (MCU) ermöglichen
Mitochondrien die Aufnahme von Ca
++,
abhängig von der zytoplasmatischen
Calciumkonzentration und dem
Potential der inneren Mitochondrienmembran, und im Zusammenwirken mit
dem
Na/Ca-Austauscher. Seine Affinität gegenüber Ca
++ ist gering, die [Ca
++] muss für einen Influx entsprechend hoch sein (5-10 µM), was durch enge Nachbarschaft zum
endoplasmatischen Retikulum (
IP3-getriggerte Kontaktstellen) erleichtert wird.
Chloridkanäle (ClC,
Chloride channels) haben Sie finden sich z.B. im Zusammenhang mit Rezeptoren
inhibitorischer Neurotransmitter (GABA, Glyzin), in der
Lunge, in
Nierentubuli, in
Speicheldrüsen und
Pankreas, in
Gallengängen, im
Magen (Belegzellen), im
Darm. Chloridkanäle stabilisieren auch das Membranpotential in
Skelettmuskelzellen.

>Abbildung: Ca++-gesteuerter Chloridkanal
Nach Whorton M. Structural biology: Calcium-activated proteins visualized. Nature 2014; 516: 176-8
Bestrophin 1, ein Calcium-gesteuerter Chloridkanal in der Netzhaut, der volumenregulatorisch wirken kann: Bindung von Calciumionen öffnet die Pore für Chloridionen unabhängig vom Membranpotential.
Die
Ladungsverteilung innerhalb des Kanals unterstützt dessen Selektivität

Chloridkanäle können
Calcium-gesteuert sein (Ca-ClC: Calcium-Dependent Chloride Channels, CaCCs: Calcium-activated Chloride Channels): Bestrophine (>Abbildung: BEST1), Anoctamine, Accessory-Chloridkanäle. Diese ligandengesteuerten Kanäle finden sich in epithelianen, endothelialen und glatten Muskelzellen.
Mutationen des Bestrophingens führen zu degenerativen Netzhauterkrankungen.
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, CLICs).
Es gibt
volumensensitive Anionenkanäle (VRAC:
Volume-regulated anion channels),
sie regulieren das Zellvolumen, indem sie Chlorid- und andere Anionen
(Glutamat, Taurin) durch die Zellmembran passieren lassen. Ihre
Funktion besteht in der Beeinflussung des Zellvolumens im Rahmen von
Endo- und Exozytose, Wachstum, Fortbewegung und Apoptose.

<Abbildung: CFTR-Chloridkanal
Nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson /
Speakman, Animal physiology - An environmental perspective. Oxford
University Press 2021
Der Kanal bildet aus 12 transmembranalen
Helices zwei transmembranale Domänen (TMD1 und TMD2). Intrazellulär
liegen zwei nukelotidbindende Domänen (NBD1 - diese bindet ATP - und
NBD2). Eine regulatorische Domäne (R) steuert Phosphoryliserungsorte
(P). Der Öffnungszustand des Kanals hängt von der Phosphorylierung der
NBDs ab - die genaue Natur der Konformationsänderungen wird noch
untersucht
Der
Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (
CFTR) an Epithelzellen (<Abbildung) 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). Er
kann neben Chlorid auch andere Anionen transportieren, wie Bicarbonat
(über einen CFTR verlässt Bicarbonat Ausführungsgangs-Epithelzellen von
Speicheldrüsen Richtung Lumen).
Genmutationen am CFTR-Kanal können zum Krankheitsbild der zystischen Fibrose (Mukoviszidose) führen.
Solute Carrier, Organische Ionen-Transporter OAT, OCT
SLC-Transporter (solute carrier) ist ein Sammelbegriff für etwa 50 Familien von
Transportproteinen, die an die 400 SLC-Gene des menschlichen Erbguts
repräsentieren. Transportgut können dabei Ionen (Ionenkanäle) oder
organische Moleküle (organische Kationen-Transporter OCT, organische
Anionen-Transporter OAT) sein.
<Abbildung: SLC-Transporter eines T-Lymphozyten
Nach Chen R, Chen L, Solute carrier transporters:
emerging central players in tumor immunotherapy. Trends Cell Biol 2022;
32: 186-201
Das Beispiel zeigt eine Vielzahl organischer Transportermoleküle (für
Glucose, Lactat, Aminosäuren und deren Derivate, Creatin, GABA)
und ihre Involvierung in Zellstoffwechsel, Transkription / Translation
und Immunantworten eines weißen Blutkörperchens (Lymphozyt).
Ag = Antigen
CPT1 = Carnitin Palmitoyltransferase, ein membranständiges Enzym
FA = Fettsäure
Kyn = Kynurenin (aus dem Tryptophanabbau)
TCR = T-Zell-Rezeptor
OATs, organische Anionentransporter. Diese SLC-Proteine befördern organische Anionen im Austausch gegen eine Dicarbonsäure (z.B. Glutarat) in die Zelle. Das funktioniert, solange die
Zelle über einen entsprechenden "Vorrat" an Dicarbonsäuren verfügt -
daher gibt es Membransysteme, die Dicarbonsäure im Austausch gegen Na+ wieder in die Zelle bringen.
OCTs,
organische
Kationen
transporter (SLC-Unterfamilie 22). Sie transportieren u.a. biogene Amine und Harnsäure.
Organische Ionentransporter finden sich z.B. in den
Nierentubuli. Ihre 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 (

s.
dort).
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).
Energieverbrauchende Transporter (ATPasen)
Eine Reihe von Transportern verbrauchen
direkt Stoffwechselenergie, um einen bestimmten Transportvorgang gegen
ein thermodynamisches bzw. elektrochemisches Gefälle zu ermöglichen.
Prototypisch ist der ATP-betriebene Austausch von Natrium gegen Kalium
(Na/K-Pumpe,
Na+-K+-induzierbare ATPase).
Diese Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten, die einerseits die korrekte
Lokalisierung in der Membran steuern, andererseits ATPase-Aktivität
aufweisen. Sie transportieren Stoffe
durch Membranen aus dem, oder in das, jeweilige zelluläre Kompartiment spezifisch und
energieverbrauchend (
ATP). Kinetik und Gewebeverteilung hängen von den jeweiligen Isoformen der Transporterelemente ab.
Während Ionenkanäle typischerweise 10
7 bis 10
8
Ionen pro Sekunde passieren lassen, ist die Transportrate bei ATPasen
wegen der komplexeren Funktionsweise (Konformationsänderungen,
alternierendes Öffnen und Schließen eines äußeren und eines inneren
"Schleusentors", Bewegung der Ionen in unterschiedliche Richtungen)
mindestens um einen Faktor 10
4 langsamer.
ATPasen teilt man ein in
P-Typ ATPasen: Na/K-Pumpe, Calciumpumpen, Protonenpumpen ("P-Typ" wegen
F-Typ ATPasen: Mitochondrielle ATP-Synthase
V-Typ ATPasen: Vakuoläre ATPase
ABC Transporter
P-Typ ATPasen
Dieser ATPase-Typ ist nach der Fähigkeit zur Autophosphorylierung - Übertragung von Phosphorylgruppen (–PO
32-) aus ATP - bezeichnet worden. Sie werden nach ihren beiden Konformationen auch als
E1-E2-ATPasen bezeichnet (
Zustand "E1" nach innen, Zustand "E2" nach außen geöffnet) und finden sich überall in der Biosphäre. Zu ihnen gehören die Na
+/K
+-ATPase, die H
+/K
+-ATPase und die Ca
++-ATPase.

Die
Natrium-Kalium-Pumpe (Na
+-K
+-induzierbare
ATPase, <Abbildung) fördert unter Energieverbrauch (ATP → ADP +
Phosphat) 3 Natrium- (nach außen) gegen 2 Kaliumionen (nach innen). Das
heißt, die Pumpe arbeitet nicht elektroneutral, sondern es überwiegt
der Transport von
Kationen nach außen.
<Abbildung: Na+-K+-induzierbare ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe)
Nach einer Vorlagebei science.halleyhosting.comt
Diese Permease kann in zwei
Zuständen vorliegen:
Nach innen offen (Zustand "E1": Natrium wird aufgenommen,
Kalium abgegeben - links), Energie für die Konformationsänderung wird aus ATP-Abbau
gewonnen;
nach außen offen (Zustand "E2": Natrium wird abgegeben, Kalium
aufgenommen -rechts)

Die Na/K-Pumpe hat 10 transmembranale Segmente und besteht aus einer
mit einem intrazellulär liegenden Anteil versehenen α- ("Motor" des Moleküls mit einer Nukleotiddomäne zur
ATP-Bindung, einer Phosphorylierungs- und einer dephosphorylierenden
Aktuator-Domäne) und einer separaten, zu einem beträchtlichen Anteil extrazellulär liegenden
β-Untereinheit (kümmert sich um richtige Einlagerung und Faltung der
α-Untereinheit). Die α-Untereinheit erscheint im transmembranalen Abschnitt wie in die ß-Untereinheit "gesteckt".
<Abbildung: Funktionszyklus einer Na/K-ATPase
Nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson /
Speakman, Animal physiology - An environmental perspective. Oxford
University Press 2021
Schematische Darstellung

α- und
β-Untereinheiten kommen in mehreren Isoformen vor, je nach Gewebe
unterschiedlich exprimiert und mit verschiedenen kinetischen
Eigenschaften.
Die Na/K-Pumpe ist das erste Enzym, von dem nachgewiesen wurde, dass es Ionen transportiert (Nobelpreis an Jens Skou
1997).
In den meisten Epithelzellen sind die Na/K-Pumpen auf die
basolaterale Membran
beschränkt - die apikale Membran übt ihre Transport- und
Austauschfunktionen unter Nutzung vorhandener Konzentrationsdifferenzen
aus, ohne dass sie Na/K-Pumpen dazu einlagern müsste.

Genaueres zur
Funktionsweise der Na/K-ATPase s.
dort
Die höhere intrazelluläre Konzentration nicht-permeabler Anionen (Proteine) lockt
Kationen in die Zelle (was die intrazelluläre
Osmolalität
steigern würde); Anionen wandern
hingegen aus der Zelle. Die ungleiche
Ionenverteilung führt zu einem
Gibbs-Donnan-Potential 
, welches das Membranpüotential um 1-2 mV erhöht.
Der
Gibbs-Donnan-Effekt
beruht auf dem Umstand, dass die Zelle eine hohe Konzentration
vorwiegend negativ geladener Proteine aufweist. Diese können die Zelle
wegen ihrer Größe nicht verlassen. Das erzeugt einerseits einen
kolloidosmotischen
Effekt (Wasser strömt in die Zelle), andererseits einen elektrischen,
der den Eintritt von Kationen (+) in die Zelle begünstigt.
Die Aktivität der Na/K-Pumpe wirkt einem Anschwellen der Zelle (das aus
unbalanciertem Einströmen von Wasser und Kationen resultieren würde)
entgegen - sie befördert mehr Kationen aus der Zelle (3 Na
+) als in sie hinein (2 K
+).
Die Na/K-ATPase befördert Kaliumionen in die Zelle
Ausfall ATP-betriebener Transporter wie der Na/K-Pumpe führt zu Anreicherung von Kationen in der Zelle und osmotischen Wassereinstrom
|
Ca++-ATPasen:
Calciumexportpumpen (
plasma membrane calcium ATPases,
PMCAs) finden sich in der
Zellmembran so gut wie aller Zellen. Sie sind ebenfalls ATP-betrieben und bringen
Ca++
aus der Zelle, jeweils ein Ion im Austausch gegen ein oder mehrere Proton(en). Sie haben
hohe Affinität (0.2–0.5 μM) und sind dadurch in der Lage,
Calcium aus
der Zelle über ein Konzentrationsgefälle von mindestens zwei
Zehnerpotenzen (!) in den Extrazellulärraum ([Ca
++] >1mM) zu transportieren.
Die physiologische Bedeutung dieser Pumpen ist aus mehreren Erkrankungen
ersichtlich, die auf PMCA-Defeken beruhen (Ataxie, Taubheit, Autismus,
Bluthochdruck, Präeklampsie, koronare Herzkrankheit, Myokardinfarkt
u.a.).
Zelluläre Speicherung: Calciumpumpen stellen auch innerhalb der Zelle Ca
++-Konzentrationsgradienten her.
Die Aufnahme freier Ca++-Ionen aus dem Zytoplasma in das endoplasmatische Retikulum - speziell das sarkoplasmatische Retikulum verschiedenster Muskelzellen - erfolgt über
SERCA (Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase), eine
energieabhängige Calciumpumpe (ATPase) in der Membran des
sarkoplasmatischen Retikulums. Die Aktivität dieses Systems ermöglicht
die Entspannung des Muskels (vgl. Lusitropie am Herzmuskel)
Die H+-K+-ATPase (
Protonen-Kalium-Pumpe) - ähnlich wie die
Na/K-Pumpe aus mehreren Isoformen von α- und ß-Untereinheiten aufgebaut - findet sich an der basolateralen Membran so gut wie
aller Epithelzellen, wie auch in der Zellmembran nichtpolarer Zellen.
Die
katalytische
Funktion hat die α-Untereinheit, die β-Untereinheit weiß, wo es
hingeht: Sie "steuert" das Enzym in die apikale Membran. Zur vollen
Aktivität bedarf diese ATPase beider Einheiten.
<Abbildung: Protonenpumpe
Nach einer Vorlage bei Addison Wesley Longman 1999
Dieser
Transporter befördert energieabhängig (unter ATP-Verbrauch)
Wasserstoffionen aus der Zelle
. Dadurch steigt der intrazelluläre pH-Wert an (niedriges [H+])

Besonders bedeutsam ist die Protonen-Kalium-Pumpe in den
Belegzellen des Magens, welche Salzsäure produzieren - sie extrudieren Wasserstoffionen durch die apikale Membran
in das Lumen und befördert die Kaliumaufnahme. (Vermutlich werden pro 1 Mol ATP 2 Mol H
+ und 2 Mol K
+ transportiert.)
H+-Transporter: Wasserstoffionenpumpen (
<Abbildung) finden sich u.a. in der
"sealed zone" von
Osteoklasten (sie erzeugen ein saures Milieu, dadurch löst sich der Knochen auf), in präsynaptischen
Vesikeln 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.
F-Typ ATPasen
Die innere Membran von
Mitochondrien
(also deren "eigentliche" Zellmembran) verfügt über F-Typ ATPase (benannt nach bindenden
Fraktionen - Fo, F
1 - des Moleküls),
welche den letzten Schritt der ATP-Synthesekette bewerkstelligt (ATP-Synthase).
F-Typ ATPasen sind ein aus mehreren Teilen aufgebauter Komplex mit einer Gesamtmasse von
~500 kDa, der während seines Arbeitszyklus eine 120°-Rotationsbewegung
vollführt. H
+ wandert dabei wie durch eine sich drehende
Turbine in das Mitochondrion (wo die Atmungskette einen
Elektronengradienten aufgebaut hat) und treibt die ATPase-Funktion an. H
+ reagiert mit Sauerstoff, es entsteht H
2O; der Durchtritt von jeweils 10 Wasserstoffionen ermöglicht die Synthese von jeweils 3 Molekülen ATP.

Genaueres zu
Atmungskette und
mitochondriellen Enzymen s.
dort
V-Typ ATPasen ("V-ATPasen")

<Abbildung: Aufbau einer V-Typ ARPase
Nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson /
Speakman, Animal physiology - An environmental perspective. Oxford
University Press 2021
Der transmembranale Sektor (V
0,
unten) befördert Wasserstoffionen durch Lipidmembranen. Er ist aus
einer a-, einer d- und 6 c-Einheiten aufgebaut und mit der
ATP-spaltenden intrazellulären Komponente (V
1) verbunden. Diese besteht aus den Untereinheiten A bis H. A hydrolysiert ATP
Vakuoläre ATPasen finden sich in der Wand von
Vesikeln - Endosomen, Lysosomen, Speichervesikeln, sekretorischen Vesikeln - und
Golgi-Apparat.
Sie
befördern Wasserstoffionen in diese Hohlräume hinein, der
resultierende niedrige pH-Wert unterstützt zahlreiche Funktionen
(Dissoziation Ligand-Rezeptor, pH-Optimum für saure Hydrolasen,
Anreicherung von Neurotransmittern, Säureausscheidung in
Osteoklasten).
V-Typ ATPasen sind komplex aufgebaut (8 Untereinheiten - A bis H, großteils in der zytoplasmatischen Komponete, genannt V
1, teils in der transmembranalen Komponente, genannt V
0). V
1 kümmert sich um die ATP-Hydrolyse, V
0 um den Protonentransport, der einen Konzentrationsgradienten von 100:1 (oder mehr) aufbauen kann.
Manche Zellen verfügen über V-Typ ATPase in der
Zellmembran (z.B. einige Tubuluszellen in der
Niere in deren apikaler Membran), sie entfernen H
+
aus der Zelle. Anders als die Protonenpumpe im
Magen arbeiten sie
unabhängig von Kalium; sie funktionieren eher analog zu den F-Typ
ATPasen.
ABC-Transporter
ABC (ATP binding cassette) -Transporter gehören zu einer in der Natur weit verbreiteten Superfamilie (von Prokaryoten bis Wirbeltieren). ABC-Transporter
finden sich beim Menschen vor
allem in sezernierenden Geweben
(
Leber, Nieren, Darm, Blut-Hirn-Schranke), sie bringen meist hydrophobe Moleküle aus der Zelle
(Exporter) und dienen dabei typischerweise der Entgiftung.
Ein Beispiel ist die Familie der
MDRs (multidrug resistance transporters), die kationische Stoffwechselprodukte und bestimmte Medikamente aus
Leber-, Nieren- oder
Darmschleimhautzellen befördern.
Sekundär aktiver Transport
Cotransport (auch sekundär-aktiver Transport): Die transmembranale Diffusion eines
"primären" Diffusionspartners kann genutzt werden, um einen
"sekundären" Partner mit durch die Membran zu bewegen.
Die Mehrzahl der Cotransportsysteme verwendet den Natriumgradienten für
den Transport sekundärer "Passagiere" (<Abbildung): Na/K-ATPasen
verbringen Natriumionen fortlaufend in den Extrazellulärraum ([Na+] >140 mM), und diese diffundieren wo immer möglich in die
Zelle ([Na+] ~ 15 mM).

<Abbildung: Sekundär-aktiver Transport
Nach einer Vorlage in studyblue.com
Der Natriumgradient - erzeugt durch die Na-K-Pumpe - ermöglicht energetisch sekundäre Transportvorgänge: Auswärtstransport von Ca++ und H+ (Antiport, links),
Einwärtstransport von Glucose und Aminosäuren (Symport, rechts).
Zellaußenseite oben, Innenseite unten. Natriumgradient (roter Pfeil): außen 145 mM,
innen 8-30 mM, s. Tabelle

Aber auch andere
Konzentrationsgradienten, wie für Kalium oder Wasserstoffionen, können
für einen Mittransport genutzt werden - entweder in derselben Richtung
(Symport) oder in der Gegenrichtung, gewissermaßen im Austausch (Antiport).
Symport
Cotransport (
Symport,
d.h. Mittransport in dieselbe Richtung) - sekundär energieverbrauchend,
ein bestehender elektrochemischer Gradient wird für den Mittransport
einer zweiten Molekülart (in
dieselbe Richtung)
genutzt. Hier teilen sich verschiedenste Kombinationen von
"Passagieren" den Transport - in dieselbe Richtung - durch die
Zellmembran, wie

Natrium, Kalium, Protonen zusammen mit

Chlorid, Bicarbonat, Phosphat, Aminosäuren, Peptiden, zweiwertigen Metallen.
Natrium-abhängig funktionieren:
>Abbildung: Modell eines Na/Glucose-Symporters
Nach Gyimesi G, Pujol-Gimenez J, Kanai Y, Hediger MA.
Sodium-coupled glucose transport, the SLC5 family, and therapeutically
relevant inhibitors: from molecular discovery to clinical application. Eur J Physiol 2020; 472: 1177-206
Im Ruhezustand ist der Kanal geschlossen (1).
Nach Öffnung des Kanals nach außen binden zunächst zwei Natriumionen
(2), gefolgt von einer weiteren Öffnung des äußeren Gate und Anlagerung
des Glucosemoleküls in einer taschenförmigen Mulde (3). Dann öffnet das
innere Gate (4), Glucose und Natriumionen verlassen den Kanal Richtung
Zytoplasma (5)
Natrium-Glucose-Cotransporter (SGLT: Sodium glucose transporter, >Abbildung) - dieser bringt Glucose gegen ihr Konzentrationsgefälle ("bergauf") in die Zelle, angetrieben durch den Natriumgradienten in die Zelle und damit energetisch durch die Na+/K+-ATPase
"befeuert" (sekundär aktiver Transport).
Natrium-Glucose-Cotransport
findet über den Bürstensaum mehrerer epithelialer Zellen statt: SGLT
stellt eine Familie von Glucosetransportern dar: SGLT1 findet sich vor
allem in der Darmmukosa (Resorption der Nahrungsglucose in Duodenum und Jejunum), SGLT2 in Nierentubuli
(Rückresorption von Glucose aus dem Filtrat). Die Funktion von SGLT3
(das weit verbreitet vorkommt) ist unklar (glucoseabhängiger
Ionenkanal, Glucosesensor?)
Natrium-Aminosäure-Cotransporter (z.B.
Glutamat)
Natrium-Cholin-Cotransporter
(z.B. in
cholinergen Varikositäten)
Natrium-Chlorid-Serotonin-Transporter (SERT)
Natrium-Gallensäure-Cotransporter (Ileal sodium / bile acid cotransporter)
Natrium-Taurocholat-Cotransporter (NTCP,
Natrium-taurocholate cotransporting peptide)
Natrium-Phosphat-Cotransporter (
NPT) im
Dünndarm und im
proximalen Nierentubulus (resorbiert 70-80% des angebotenen / filtrierten Phosphats, 3 Na
+ mit 1 Phosphat)
Natrium-Bicarbonat-Cotransporter (
NBC), z.B. im
proximalen Nierentubulus

<Abbildung: Natrium-Kalium-Chlorid-Cotransporter
Nach Garneau AP, Isenring P. The structure of Na+-K+-Cl- cotransporter 1. Nature Rev Nephrol 2019; 15: 732-4
Ein komplex aufgebauter Cotransporter mit 12
membrandurchspannenden sowie zahlreichen intrazellulären
Aminosäuresequenzen. Er befördert mit je einem Natrium- ein Kalium- und
zwei Chloridionen aus dem Extrazellulärraum in die Zelle.
EL = extrazellulärer, IL = intrazellulärer Loop
Natrium-Kalium-Chlorid-Cotransporter (Na+/K+/2Cl-, NKCC, NK2Cl cotransporter,
<Abbildung) findet sich (NKCC1) in verschiedenen nichtepithelialen,
sowie in zahlreichen Epithelzellen, z.B. in den Azinusepithelien der Speicheldrüsen, im Dünn- und Dickdarm, im Pankreas, oder der stria vascularis des Innenohrs. In der Henle'schen Schleife der Niere findet sich NKCC2.
NKCCs sind durch Furosemid hemmbar. NKCC können an der Regulation des Zellvolumens teilnehmen (regulatory volume increase RVI).
Natrium-Chlorid-Cotransporter (
NCC), z.B. in distalen
Nierentubuli. Sie sind
kalium-unabhängig und durch
Thiazid-Diuretika hemmbar
Natrium-Jodid-Cotransporter (
NIS, Natrium-Jodid-Symporter) in den Follikelepithelzellen der
Schilddrüse
Von Protonengradienten angetrieben sind:

Der
Wasserstoffionen-Oligopeptid-Cotransporter (
PepT) resorbiert in Nierentubuli und im Darm kleine (2-4 Aminosäuren) Peptide, angetrieben vom H
+-Gradienten (Lumen zu Zelle)
Wasserstoffionen-Monocarboxylat-Cotransporter (
MCT 1, 2, ...) transportieren H
+-abhängig Monocarboxylate (wie
Laktat - z.B.
aus Erythrozyten, die Laktat produzieren, oder
in das
Gehirn, das Laktat konsumiert -,
Pyruvat,
Acetessigsäure usw. )
Wasserstoffionen-divalente Kationen-Cotransporter (
DCT)
- auch:
Divalent metal transporter (
DMT),
Natural
resistance-associated macrophage protein (
NRAMP) - bindet und
transportiert zweiwertige Kationen wie
Eisen (Fe
++), Zink, Kupfer, Mangan,
Cadmium. DCT werden vor allem von Zellen in Nierentubuli und Darmschleimhaut exprimiert
Weitere Cotransporter (Symporter):
Chlorid-Bicarbonat-Cotransporter bringen z.B. in
Speicheldrüsen-Azini Cl
- und HCO
3-
über die akipale Membran in das Lumen (wodurch dieses negativ
aufgeladen wird, dadurch werden Natriumionen parazellulär in das Lumen
verbracht)
Kalium-Chlorid-Cotransporter (
KCC) bewirken Ausstrom von Cl
- zusammen mit
K
+ , z.B. in
Nervenzellen (zur Aufrechterhaltung niedriger intrazellulärer Chloridkonzentrationen), im proximalen Nierentubulus und
Darmschleimhautzellen (transportieren rückresorbiertes Chlorid über die basolaterale Membran)
Der
K/Cl-Symporter schafft Chlorid- mit Kaliumionen aus der Zelle und wirkt
dadurch einer Zellschwellung (durch Anstieg der intrazellulären
Osmolarität) entgegen
|

>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
Uniport: Diffusion durch Membranporen
Symport: Diffusion eines Stoffes treibt energetisch den Mittransport eines anderen an
Antiport: Diffusion eines Stoffes treibt energetisch den Transport eines anderen in die Gegenrichtung an ("Austausch")

Austausch (
Exchanger,
Antiport) - sekundär energieverbrauchend, ein bestehender elektrochemischer
Gradient wird für den Austausch mit einer zweiten Molekülart (in
die
Gegenrichtung) genutzt. Hier werden verschiedene Kombinationen von "Passagieren" gegeneinander durch die Zellmembran ausgetauscht, wie z.B.

Natrium, Chlorid, Natrium plus Bicarbonat gegen

Calcium, Bicarbonat, Protonen, Formiat, Oxalat, Chlorid
Man kennt z.B.

Der
Natrium-Calcium-Austauscher (
NCX) kommt fast ubiquitär vor, z.B. im Skelettmuskel, im
Herzmuskel, in der
Dünndarmschleimhaut, in distalen Tubulusepithelzellen der
Niere, oder in
Photorezeptoren in der Netzhaut des Auges. Er tauscht üblicherweise Na
+ gegen Ca
++ im Verhältnis 3:1 aus, d.h. er arbeitet elektrogen (pro Austausch eine positive Ladung in Na
+-Richtung, also üblicherweise zum Zellinneren). Dabei werden
Calciumionen aus dem Zytoplasma der Zelle entfernt, wo die [Ca
++] um Zehnerpotenzen
niedriger ist (meist <10
-7 M) als im Extrazellulärraum (2-3 mM, davon die Hälfte freie Ionen)
Natrium-Wasserstoffionen-Austauscher (
NHE) - ein sehr wichtiger Natriumtransporter, der von fast allen Zellen des Körpers exprimiert wird, z.B. in
Nierentubuli (der NHE der proximalen Tubuli ist
Angiotensin-gesteuert),
Darmepithel, Leber oder
Gallenblase (Natriumresorption, Säuresekretion). Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Zellvolumen und pH-Wert
Chlorid-Bicarbonat-Austauscher (Anionenaustauscher,
AE), tauscht an Zellmembranen Cl
- gegen HCO
3- aus, z.B. in den Ausführungsgängen der
Speicheldrüsen, des
Pankreas, in der
basolateralen Membran von
Belegzellen im Magen und von
Epithelzellen der dicken aufsteigenden Tubuli der Henle-Schleife, in der
apikalen Membran von
Dickdarmmukosazellen, oder in der Membran von Erythrozyten (
Hamburger-Effekt)
Pendrin
ist ein Anionenaustauscher (Chlorid, Bicarbonat, Sulfat, Jodid, Formiat), der u.a. in der
Niere (proximaler Teil der Henle´schen Schleife: Austausch Chlorid / Formiat oder Bicarbonat über die luminale Membran) und in der
Schilddrüse vorkommt (Jodidtransport in das Kolloid)

Der
Natriumbetriebener Chlorid-Bicarbonat-Austauscher
tauscht Natrium und Bicarbonat (das auf diese Weise in die Zelle
gelangt und den intrazellulären pH-Wert anhebt) gegen zwei Chloridionen
aus
Sulfat-Austauscher (
SAT, tauscht Sulfat gegen zwei Anionen) kommen in Dünndarm und Nierentubuli vor, wo sie die Resorption von Sulfat unterstützen

Renaler
Organic Anion Transporter (
OAT, z.B. PAH gegen Ketoglutarat)
Chlorid-Formiat-Austauscher (Cl
- gegen COO
-) und
Chlorid-Oxalat-Austauscher (Cl
- gegen C
2O
4--) in der apikalen Membran proximaler Tubuluszellen in der Niere unterstützen die Resorption von Chlorid.
Intrazelluläre und extrazelluläre 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
( mM/l)
Bereiche bzw. gerundete Mittelwerte nach verschiedenen Quellen interpoliert
|
|
Intrazelluläre Flüssigkeit
|
Extrazelluläre Flüssigkeit
|
Interstitium |
Blutplasma * |
Na+
|
15 (8-30) |
144 | 142 |
K+ |
140 (120-150) |
4,5 | 4,4 |
Ca++ |
10-4 - 10-7
|
1,3 (ionisiert)
| 2,5 (gesamt)
1,2 (ionisiert)
|
Mg++ |
18 (gesamt)
1 (ionisiert)
|
0,6 (ionisiert)
| 1
|
Kationen
|
~153
|
|
~150
|
Cl- |
4-20 |
116 | 103
|
HCO3- |
12 (8-15) |
25 | 24 (venös)
|
SO4--
|
?
|
0,5
| 0,5
|
Phosphat
(primär und sekundär)
|
29 (gesamt)
0,7 (frei)
|
2 (gesamt)
0,8 (ionisiert)
|
0,8-1,5 (gesamt)
0,7 (ionisiert)
|
Organisch-
saure Salze
|
54
|
4
|
4 (davon Aminosäuren ~2,4, Urat ~0,3)
|
Glucose
|
sehr niedrig
|
5,9
|
5,5
|
Proteine |
54 ~30 g/dl
|
~5
>1 g/dl
|
14
(Ladungs-
äquivalente)
|
Anionen
|
~153
|
|
~150
|
pH
|
~7,2
|
7,4
|
7,4
|
Osmolalität
(mOsm/kg)
|
290
|
290
|
291
|
* 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
Auffallend ist der Reichtum an Kochsalz
(NaCl) in den extrazellulären Flüssigkeiten sowie die hohe
intrazelluläre
Calciumkonzentration. Die Konzentration an Calciumionen
(Ca
++) ist extrazellulär um Zehnerpotenzen höher als in der Zelle, wo sie entscheidene Signalfunktionen ausüben. Die
osmotische Konzentration
der meisten Körperflüssigkeiten ist so gut wie gleich hoch (um 290
mOsm/kg - "isotone" Flüssigkeiten), Ausnahmen machen insbesondere
Schweiß (hypoton) und
Harn (hypo-, iso- oder hyperton).
Im Blutplasma (und in der extrazellulären Flüssigkeit) ist Natrium das Kation, Chlorid das Anion mit der höchsten Konzentration
Im Zytoplasma ist Kalium das Kation mit der höchsten Konzentration
|
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 Calciumionen vor; extrazellulär ist [Ca++] um etwa drei Zehnerpotenzen höher als intrazellulär. Calciumionen 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 Glucose (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 Acidose stimuliert (durch
interstitielle - extrazelluläre - Acidose 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
Ultramikroskopisch darstellbare, räumlich strukturierte Funktionsträger der Zelle mit hoher molekularer Dynamik

Zellorganellen
(<Abbildung) stellen spezialisierte Reaktionsräume
in der Zelle dar
und werden durch Biomembranen von ihrer Umgebung abgetrennt. Zu solchen
Kompartimenten zählen das Zytoplasma, Mitochondrien, der Zellkern, das
endoplasmatische Retikulum, der Golgi-Apparat, Vesikel, Lysosomen und
Lipidtröpfchen.
Zytoplasma und Zytoskelett
Das Zellplasma enthält in seinem
Zytosol verschiedenste gelöste
Stoffe, Zellorganellen sowie das
Zytoskelett.
Dieses besteht aus mehreren Arten von Filamenten, die alle aus
spezifischen Proteinmolekülen aufgebaut sind. Einzeln (monomer) sind
sie gut beweglich und leicht durch das Zytoplasma transportierbar.
Aktinfilamente
Intermediärfilamente
Mikrotubuli
Auf Triggerreize hin können sich diese Proteine (Monomere) aneinanderlagern und
bilden dann relativ stabile längliche Strukturen (Polymere). Auf Grund ihres
asymmetrischen, polaren Aufbaus tun sie das geordnet - und durch
nicht-kovalente Wechselwirkungen recht reversibel. Im zusammengesetzten
Zustand bilden sie Filamente / Tubuli, die dem intrazellulären Netzwerk
Halt und Struktur verschaffen, verhalten sich dabei aber sehr dynamisch
- bei Bedarf sind sie ab-, um- und neu aufbaubar:
Dünne (Aktin-) Filamente
(~8 nm Durchmesser) sind flexibel, helikal aufgebaut, bilden netzartige
Strukturen (gerade Bündel, Netze oder Gele) und stabilisieren die
Zellmembran (stress fibers),
insbesondere direkt unter ihr ("Zellrinde"), sowie auch in Mikrovilli
(zusammen mit Begleitproteinen, wie Villin, Fimbrin, Myosin). Sie vermitteln
zelluläre Fortbewegung, befestigen membranständige Proteine, beteiligen
sich an der Ausbildung interzellulärer (fokaler Adhäsions-) Kontakte
und am Stofftransport in der Zelle sowie Kontraktionen (zusammen mit
Myosin: → Muskelkontraktion) und Verformungen. Stereozilien im Innenohr erlangen durch sie Festigkeit.
Aktinfilamente (fibrilläres F-Aktin) setzen sich aus Aktinmolekülen (kugelförmiges G-Aktin: globular)
zusammen. Wirbeltiere verfügen über drei Isoformen: α-Aktin findet sich
in Muskelzellen, β- und γ-Aktin in anderen Zellen. Diese können
- unter ATP-Verbrauch - rasch aus G-Aktin zu F-Aktin polymerisieren;
das "Plus-Ende" wächst dabei rascher als das "Minus-Ende",
das sich auch wieder verkürzen kann. So bilden sich funktionsabhängig
verschiedene dynamische Strukturen in der Zelle, teils in paralleler
Anordnung (dichte Filamentbündel in Filopodien - schmalen, länglichen Zellfortsätzen -, kontraktile Stressfasern) oder Netzwerke (gelartig in der aktinreichen Zellrinde, die Zellmembran und darunter liegendes Zytoplasma und Organellen voneinander trennt, oder dendritisch in Lamellipodien, blattförmigen Zellausstülpungen, die bei der Zellwanderung über Oberflächen auftreten).
Gesteuert werden diese Formationen durch bündelnde bzw. gelbildende Proteine. Bündelnde Proteine bestimmen auch den Abstand der Aktinfilamente zueinander und schließen sich gegenseitig aus (Fimbrin führt zu enger paralleler Anordnung der Aktinfilamente, während α-Aktinin
die Filamente - mit gegensätzlicher Polarisierung - auf Abstand hält
und die Einlagerung von Myosin ermöglicht, wodurch die Bündel
kontraktil werden). Gelartige Netze aus Aktinfilamenten entstehen
z.B. unter der Einwirkung des Proteins Filamin (z.B. in Lamellipodien, also flachen "Scheinfüßchen" der Zelle).
Für die Regulierung
der Dynamik von Aktinfilamenten spielen mehrere Faktoren eine Rolle:
Ihr Verhalten in der Zelle hängt ab von der Konzentration energiereicher
Nukleotide (ATP / ADP), der Konzentration (Verfügbarkeit) monomerer
Aktinmoleküle, der Konzentration von Elektrolyten, sowie der
Anwesenheit aktinbindender Hilfsproteine: So bildet Formin einen "Kondensationskern" für die Entstehung neuer Filamente (und verbleibt am Plus-Ende); Thymosin behindert diesen Aufbau, während Profilin das Wachstum fördert (und mit Thymosin um Bindungsstellen konkurriert); kappenbildendes Protein bremst die Dynamik am Plus-Ende, Tropomodulin am Minus-Ende; Tropomyosin stabilisiert das Aktinfilament; usw.
Filamente können sowohl am Plus- als auch am Minus-Ende wachsen, und
Hilfsproteine bestimmen ihre räumliche Anordnung, indem sie entweder seitlich
binden (z.B. Tropomyosin an mehreren Aktinfilamenten gleichzeitig, was
die Filamente versteift und die Bindung anderer Proteine behindert)
oder an den Enden (was Wachstum bzw. Abbau der Filamente beeinflusst). Wieder andere Proteine regulieren die Depolymerisation der Filamente - wie die aktinspaltenden Gelsoline, die durch zytosolisches Ca++ aktiviert werden.
Der Abbau (die Depolymerisation) von Aktinfilamenten kann durch Phalloidin, ein
Gift des grünen Knollenblätterpilzes, gehemmt werden (Phalloidin dringt
allerdings nicht durch die Zellmembran; gefährlich ist der Pilz wegen
eines anderen Giftes, nämlich des lebertoxischen Amanitins)
Im Sarkomer der quergestreiften Muskulatur stecken die Plus-Enden der Aktinfilamente im Z-Streifen (der aus CapZ- und α-Aktinin besteht
und die Depolymerisation der Aktinfilamente verhindert), die zur
Sarkomermitte gerichteten Minus-Enden tragen eine Kappe aus
Tropomodulin. Weiters umhüllt ein riesiges Protein - Nebulin - spiralig das Aktinfilament und bestimmt dessen Länge (die im Sarkomer gleich bleibt).
Intermediärfilamente (~10 nm Durchmesser) bestehen aus unterschiedlichen fibrillären Molekülen aus derselben Genfamilie, sind sehr stabil (zugfest, "seilartig") und fangen größere mechanische
Belastungen auf.
>Abbildung: Elemente des ZytoskelettsNach einer Vorlage bei cnx.org
Über Adhäsionspunkte
bzw. Desmosomen sind Intermediärfilamente mechanisch mit Nachbarzellen verbunden (z.B.
in Epithelien). Im Gegensatz zu Aktinfilamenten oder Mikrotubuli haben
sie kein "Plus"- oder "Minus"-Ende, sie sind symmetrisch und lösen auch
keine Hydrolyse von Nukleotiden aus. Phosphorylierung durch Kinasen
lässt sie aber rasch dissoziieren.
Intermediärfilamente treten gewebespezifisch auf - als Keratin- (Epithelzellen), Vimentin- (Fibroblasten, Endothel, Leukozyten, Muskelzellen, Gliazellen) oder Neurofilamente (Neuronen, vor allem im Axon), nukleäre Lamine (sie umhüllen den Zellkern innerhalb der Kernmembran als "Schutzkäfig" für die DNA, an ihnen ist chromosomale DNA befestigt) oder saures Gliafaserprotein (glial fibrillary acidic protein), das exquisit nur in Gliazellen vorkommt.
Intermediärfilamente
bestehen aus insgesamt 32 spiralig strukturierten Monomeren, die sich
zu Tetrameren zusammenlagern (die Tetramere gruppieren sich dann zum
fertigen Filament), sind also seilähnlich aufgebaut. Sie können bis zum
Dreifachen ihrer Ruhelänge gedehnt werden, bevor sie reißen - das
verleiht der Zelle hohe mechanische Festigkeit (Beispiel Keratine). Mit ihrer Umgebung sind sie über Linkerproteine am übrigen Zytoskelett verankert - bausteinartige, große Eiweißmoleküle, die als Plakine bezeichnet werden (Plektin, Desmoplakin und viele mehr).
Dicke Filamente sind aus Myosin aufgebaut (von dem es verschiedene Varianten gibt) und - wie Aktinfilamente - in fast jeder Zelle vorhanden.
Myosinmoleküle bestehen aus einem ATP-konsumierenden globulären
Kopfteil, dessen Winkel zum gestreckten Körper (Schwanzteil)
scharnierartig veränderbar ist (die Basis für Verformung, Bewegung
und Kontraktion). Wie Dynein und Kinesin an Mikrotubuli, können
Myosinmoleküle sich an Aktinfilamenten entlang bewegen. Diese Filamente
enthalten etwa 300 Myosinköpfe, die ATP hydrolysieren und die gewonnene
Energie dazu nutzen, sich an einem Aktinfilament in Richtung dessen
Plus-Endes (mit jedem Bewegungszyklus - freigeben, verformen, anheften,
Kraft erzeugen - um ca. 5 nm) fortzubewegen - vergleichbar mit einer
Person, die sich an einem Seil entlang hantelt.
Über
Sarkomere und
Kontraktionsmechanismus s.
dort
Mikrotubuli
sind lange, steife Hohlzylinder (mehrere µm lang, 25 nm Durchmesser), sie stützen die
Zelle ebenfalls und transportieren intrazellulär Moleküle
und Zellorganellen. Sie bestehen aus Tubulin, binden GTP (Guanosintriphosphat, ein energiereiches Nukleotid) und können (wie
Aktinfilamente) bedarfsabhängig schnell auf- und abgebaut werden. Eines
ihrer Enden ist oft an einem Zentrosom
(in dem ein Zentriolenpaar eingeschlossen ist - dieses organisiert eine
perizentrioläre Matrix, an der Polymerisationsursprünge für Mikrotubuli
liegen - Spindelpolkörper, s. Mitose) oder Basalkörper fixiert (MTOC: Microtubule organizing center),
an dem sie zu wachsen beginnen und durch laufenden Auf- und Abbau ihre
zelluläre Umgebung "erforschen". Das MTOC dient sozusagen als
Mittelpunkt der Zelle (bei polaren Zellen kann es auch exzentrisch
liegen), die nach allen Richtungen ausstrahlenden Mikrotubuli bilden
eine Art Koordinatensystem für die Positionierung von Zellorganellen.
Mikrotubuli sind dynamisch instabil:
Trägt ihr Endstück eine "Kappe" aus GTP, neigt es zum Polymerisieren,
d.h. es kann wachsen; trägt das Ende GDP (Guanosindiphosphat),
depolymerisiert es um
einen Faktor 102 rascher und neigt zum Schrumpfen. Auf diese Weise
können Mikrotubuli bedarfsabhängig zwischen Phasen raschen Abbaus und
langsamen Wachstums oszillieren. Proteine, die Mikrotubuli binden (MAPs: Microtubule-associated proteins),
können das Verhalten von Mikrotubuli steuern, indem sie diese
stabilisieren oder ihre Beziehung zu anderen zellulären Elementen
beeinflussen.
Über Mikrotubuli, Dynamik und GTP / GDP sowie den Mechanismus des
Zilienschlags in Flimmerepithelien s. auch dort
Mikrotubuli bilden u.a. den Spindelapparat der Zellteilung (hier werden sie von Zentrosomen aus gebildet) und kommen in Zilien
(z.B. des Flimmerepithels in der Lunge, im Ependym des Gehirns, im Eileiter -
extrazelluläre Transportfunktion) vor. Sie sind polarisiert, d.h. sie
haben ein "Plus"- (peripher) und ein "Minus"- (zentral) Ende; ihr
Wachstum (aus Tubulin-Hetero-Dimeren) erfolgt am Plus-Ende. Sie tragen
wesentlich zu Zellform und Zellpolarität bei.
Komponenten des Zytoskeletts
|
|
Untereinheiten
|
Durchmesser
|
Dünne Filamente
|
G-Aktin (5 nm) in Doppelhelix (F-Aktin)
|
~8 nm
|
Intermediärfilamente
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Tetramer / zwei Dimere
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~10 nm
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Dicke Filamente
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Fäden aus Myosinmolekülen
|
~10 nm
|
Mikrotubuli
|
Protofilamente (5 nm Durchmesser) aus α- und ß-Tubulin-Heterodimeren |
~25 nm
|
Die Leitstrukturen des Zytoskeletts werden von Dutzenden verschiedener
Motorproteine
genutzt, um an ihnen entlang zu gleiten und Transportfunktionen zu
übernehmen. Dabei unterscheiden sie sich in der Transportrichtung, der
Art der Bindungspartner (Aktin, Tubulin) und ihrer Fracht - Moleküle,
Vesikel, Mitochondrien u.a. (
s. auch
dort).
Dabei können sich auch Verformungen oder Bewegungen der Zelle auslösen.
Zwei Hauptklassen von Motorproteinen sind auf Mikrotubuli unterwegs:
Kinesine und (die besonders raschen) Dyneine (
s.
dort).
Viele Kinesine beteiligen sich nicht nur an der allgemeinen
Organisation des Zytoskeletts, sondern auch an der Bildung der
Mitosespindel.
Die
Komponenten des Zytoskeletts - Aktin- und Intermediärfilamente,
Mikrotubuli, Myosin und zahlreiche Hilfsproteine - müssen in
koordinierter Weise zusammenwirken, um Struktur, Form und Bewegung von
Zellen zu ermöglichen.
Der
Zellkern, der den Großteil der
genetischgen Information
enthält (Mitochondrien besitzen eigene Restbestände "ihrer" DNA), mißt
zwischen 2 bis 20 µm im Durchmesser - je nach Zelltyp - und nimmt
typischerweise etwa 10% des Zellvolumens ein.

Über
DNA und
RNA s.
dort
>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 und Exportine beim Austritt aus dem Zellkern
Die
Kernmembran ist aus zwei Lipid-Doppelschichten aufgebaut:
Die
Außenmembran ist eine Fortsetzung des rauhen endoplasmatischen
Retikulums (sie enthält Ribosomen), die
Innenmembran ist "glatt" und
kernseitig von einer fibrillären (aus
Laminen
aufgebauten) Proteinhaut überzogen.
Die beiden Membranen gehen an
Kernporen ineinander über, behalten aber ihre Identität (außer während
einer
Mitose). Kernporen
(>Abbildung - 0,1 µm Außendurchmesser) enthalten einige hundert Proteine (mehr als 30 verschiedene Arten), 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.
Durch Kernporen müssen z.B. Proteine, darunter zytoplasmatische
Signalmoleküle, welche die Transkription beeinflussen wollen, in das
Karyoplasma eintreten; umgekehrt verlassen hier z.B. RNS-Moleküle den
Kern auf dem Weg zur Transkription. Durch Kernporen können kleinere
(~50 kD) Moleküle generell leicht, größere Moleküle über Vermittlung
nukleärer Lokalisationssequenzen (
nuclear localization sequences, bestehend aus einigen
Aminosäuren) hindurchtreten. Die Permeabilität unterliegt intensiver
Regulation, die Poren können sich selektiv öffnen und schließen.
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.
Diese gelangen anschließend in das
Zytoplasma, kondensieren zu 80S-Ribosomen und produzieren Eiweiße.
<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 DNA; die DFC bearbeitet frisch transkribierte ribosomale RNS und enthält ribosomales Protein; die GC ist am Aufbau der Ribosomen beteiligt
Zum Chromatin s. dort
Ribosomen
Ribosomen (Durchmesser ~20 nm, typischerweise 105-107 pro eukaryotischer Zelle), 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

Vakuolärer Apparat
Der
vakuloläre Apparat
der Zelle umfasst verschiedene Strukturen, die von einer
Doppellipidlamelle umgrenzt sind. Dazu gehören das endoplasmatische
Retikulum, Vesikel, der Golgi-Apparat, Mitochondrien, Lysosomen,
Peroxisomen. Gemeinsam ist ihnen, dass ihre innere Lipidlamelle mit der
äußeren der Zellmembran korrespondiert (s. Endozytose, Exozytose,
>Abbildung) - topologisch entspricht ihr Lumen dem extrazellulären
Raum - und dementsprechend zusammengesetzt ist.
Endoplasmatisches Retikulum
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 EPR sind Ribosomen
angelagert (Proteinsynthese), das glatte EPR 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
Calciumionen (z.B. in
Muskelzellen), komplettiert die Glukoneogenese, vollführt
Biotransformationsschritte (
Leberzelle), bildet und glucuroniert
Bilirubin (ebenfalls Leberzelle), kann Fettsäuren bilden u.a.
Das endoplasmatische Retikulum speichert
Ca++-Ionen, die es mittels einer
Calciumpumpe
(SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase - einer ATPase vom P-Typ) aus dem Zytoplasma (typische Konzentration ~10
-7 molar) aufnimmt und so eine etwa zehntausendfache Anreicherung (auf ~10
-3 M) ermöglicht. Der
Ausstrom von Ca
++-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum erfolgt durch
ligandenaktivierte Ca++-Kanäle - Ca
++-sensitive Ca
++-Kanäle (Ryanodinrezeptoren) oder IP
3-Rezeptoren.
Ca
++-Ionen
spielen in der Zelle eine vielfach
e Rolle als Signalübeträger, z.B. im Rahmen der
elektromechanischen Koppelung, als
second messsenger, der Regulierung der Transkription (
Genexpression), der Beeinflussung enzymatischer Aktivitäten usw.
Intrazelluläre Vesikel dienen der
Speicherung (z.B. von präformiertem Transmitter an präsynaptischen Nervenendigungen), der
Modifikation ihres Inhalts, oder dem
Transport;
ihre Wand besteht aus einer Lipid-Doppellamelle. Sie entstammen der
Zellmembran (Endozytose) oder dem endoplasmatischen Retikulum
(Abschnürung, anschließende Verschmelzung mit Zisternen des
Golgi-Apparates, Modifikation des Inhalts - z.B. Glykosylierung von
Proteinen; Sortierung, Verteilung auf bestimmte Kompartimente). Der
Inhalt von Vesikeln kann an den Extrazellulärraum abgegeben werden
(Exozytose).

<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. Die Pfeile deuten die Dynamik der
Membranbewegungen an
Kompartimentierung und Kinetik:
Der Transport von Inhaltsstoffen über Vesikel, die von einem
Membranraum abknospen (<Abbildung), ist ein Zeichen des Übergangs von einem
Kompartiment zu einem nächsten (z.B. vom endoplasmatischen Retikulum
zum Golgi-Apparat oder von letzterem zu sekretorischen Vesikeln und zum
Extrazellulärraum). Lösliche Proteine wechseln zum Inhalt des nächsten
Kompartiments, membranständige Proteine gehen den Weg der entsprechenden
Doppellamelle.
Der Inhalt der Vesikelsysteme ist vom Zytoplasma isoliert, auch während
der Wanderung der Vesikel findet kein Austausch mit dem Zytoplasma
statt. Der Transport der Vesikel durch die Zelle wird durch das
Zytoskelett bewerkstelligt. Sekretorische Vesikel können die Strecke
vom rauhen endoplasmatischen
Retikulum zur Zellmembran - wo Membranfusion und Exozytose des Inhalts
erfolgen - in weniger als einer Stunde zurücklegen.
Die Membranen sind in ständigem Fluss und werden zum Teil recycelt; die
Syntheserate ist niedriger als der Umsatz der Membranpartien zwischen
den Kompartimenten (Zellmembran, Endozytosevesikel, endoplasmatisches
Retikulum, Golgi-System, Sekretionsvesikel, Zellmembran). Spezifische
Proteine,
die für bestimmte Membransysteme typisch sind und ihre Funktion
mitbestimmen, nehmen am interkompartimentellen Fluß der Membranlipide
nicht teil, sondern bleiben ihrem Kompartiment (z.B. dem Golgi-Apparat)
erhalten, was z.T. über "retrograde" Transportvesikel bewerkstelligt
wird.
Posttranslationale Modifikation und Reifung:
Einige der neu synthetisierten Proteine werden im rauhen
endoplasmatischen Retikulum glykosyliert, Disulfidbrücken werden
aufgebaut, eine tertiäre Struktur bildet sich aus. Im
Golgi-Apparat
erfolgt dann eine postsynthetische Reifung, wie durch Umbau von
Zuckerketten, Sulfatierung und komplexe Glycosylierung. So entstehen
z.B. sulfatierte Proteoglycane, wie sie in Schleim und extrazellulärer
Matrix, aber auch an Zelloberflächen vorkommen.
Die
Exozytose kann
konstitutiv
sein - das ist der fortwährende Prozess der Verschmelzung von Vesikeln
aus dem Golgi-Apparat mit der Zellmembran, deren Lipide und Proteine
dadurch erneuert werden. Dieser
unregulierte Mechanismus findet sich bei den meisten Zelltypen; oder
reguliert
erfolgen - ein
kontrollierter Vorgang in Zellen, die Hormone, Transmitter, Enzyme oder Mucine an ihre
Umgebung abgeben.
Oft sind die Vesikel dabei von einem Proteinkörbchen
(meist Clathrin) umgeben (vgl.
Endozytose). Die Sekretion kann über Signalstoffe wie Ca
++ oder IP
3 ausgelöst werden (regulierte Exozytose).

Über Exozytose und
SNARE-Mechanismus s.
dort
Der Golgi-Apparat
ist in ein kernnahes
"Cis-Golgi-Netzwerk", einen "Golgi-Stapel" und ein zellmembranseitiges
"Trans-Golgi-Netzwerk" organisiert (>Abbildung). Er verteilt
und modifiziert Membran- und sekretorische Proteine auf verschiedene subzelluläre Destinationen und kann sie glycosylieren (
die
Galactosyl-Transferase gilt als Leitenzym des Golgi-Apparates), sulfatieren oder mit Lipidgruppen anreichern (
posttranslationale Prozessierung).
Er produziert sekretorische Bläschen (für Sekretvesikel) und lysosomales Eiweiß. Wird mehr
Membranmaterial für den Golgi-Apparat benötigt, liefert das
endoplasmatische Retikulum dieses nach.
>Abbildung: Golgi-Komplex
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Aus dem rauhen endoplasmatischen Retikulum
gelangen Proteine zur Modifikation und Sortierung in den Golgi-Apparat,
der sie an Vesikelsysteme weitergibt.
In dieser Abbildung ist beispielhaft die Aufbereitung der
Lysosomhydrolase gezeigt: Mit Mannose verknüpft kommt sie als Vorstufe
aus dem endoplasmatischen Retikulum (1), wird im Cis-.Netzwerk
phosphoryliert (2), im Trans-Netzwerk an einen Mannosephosphat-Rezeptor
gebunden (3), mittels abgesprossener Transportvesikel zu Endosomen
gebracht (4), wo eine Protonenpumpe den pH-Wert senkt (5) und das Enzym
dephosphoryliert wird (6). Der Rezeptor wird recycelt (7,8)

Das Trans-Netzwerk übernimmt die
Sortierung und Weiterleitung verschiedener Eiweiße - auch je nachdem,
ob das Protein in der Membran verbleibt oder sezerniert werden soll.
Dabei bilden sich Gruppen (Cluster) von Vesikeln, die an bestimmte
Zielorganellen "versendet" werden sollen.
Dynamik und Umfang: 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.
Diese Zellorganellen entstammen entwicklungsgeschichtlich der
symbiontischen Fusion früher Zellen und sauerstoffkonsumierender
Archaebakterien. Mitochondrien (

vgl.
dort)
nutzen Sauerstoff zur
Energiegewinnung (Atmungskette),
speichern
Calciumionen (Ca
++-Homöostase),
vermitteln spezielle Stoffwechselschritte (Enzymausstattung) und
können programmierten Zelltod (
Apoptose)
mitverursachen.
Die Anzahl pro Zelle (meist um die 10
3 pro Zelle, entsprechend ~1/5 des Zellvolumens) hängt von deren Funktion ab -
Muskelzellen mit ihrem besonders hohen Energiedurchsatz (mechanische
Arbeit) enthalten viele, Fettzellen (Speicherfunktion) wenig,
Erythrozyten (hohe Verformbarkeit) überhaupt keine Mitochondrien.
Mitochondrien verfügen über eigene zirkuläre -
mi
tochondriale -
mtDNA
(kodiert 13 mitochondriale Enzyme; der Bauplan der restlichen ~85%
aller mitochondrial benötigten Enzyme ist im Zellkern kodiert) und
eigene
mt-Ribosomen
(bestehend aus 70S- unsd 30S-Einheiten, typisch für Prokaryonten) für die Translation der mitochondriell kodierten Proteine.
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, Peroxisomen, Granula
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
sind Abspaltungen aus dem Golgi-Apparat und enthalten saure
Hydrolasen - Glykosidasen, Lipasen, Proteasen, Nukleasen, Phosphatasen
(Leitenzym saure Phosphatase), Sulfatasen, Lysozym. Protonenpumpen in
ihrer Membran stellen ein saures Milieu her (pH~5). Sie können
zelleigene Komponenten (wie denaturierte Proteine) oder auch
endozytierte Fremdstoffe abbauen, z.B. in
Granulozyten. Man kann sie als die "Müllverbrennungsanlage" der Zelle
sehen. Der Abbeu zelleigener Organellen (bzw. derer Komponenten) wird
als
Autophagie bezeichnet (dabei wird auch Stoffwechselenergie gewonnen).
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 (H
2O
2), 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
Acetaldehyd) und Fettsäuren (wobei H
2O
2 entsteht, anders als sonst beim Fettsäureabbau). Aus dem in den Peroxisomen gebildeten H
2O
2 entsteht durch Katalase-Aktivität Sauerstoff und Wasser.
Sekretionsgranula
finden sich in sekretorischen (z.B. endokrin aktiven) Zellen, wo
chemische Modifikationen ("Reifung") der zu sezernierenden Moleküle
stattfindet. Ihr Durchmesser beträgt <1 µm.
Die Membranen der Zellorganellen haben eine große
Oberfläche: So enthält 1 ml Lungengewebe eine
intrazelluläre Membran-Gesamtfläche von 10 m
2.
Rezeptormoleküle ermöglichen die Entschlüsselung extrazellulärer Information

Unter
Rezeptoren im
zellphysiologischen (und pharmakologischen) Sinne versteht man Moleküle
oder Molekülkomplexe, die spezifisch körpereigene (Hormone,
Transmitter, Mediatoren, Zytokine) oder von außen in den Organismus
eingebrachte Signalstoffe (Pharmaka) binden und auf die Bindung mit der
Aktivierung eines intrazellulären Signalweges reagieren.
Rezeptoren (für die Erkennung und Bindung von Signalstoffen)
können jeweils einer von
vier Rezeptor-Superfamilien zugeordnet werden. Sie können in der Zellmembran oder intrazellulär positioniert sein und lösen in Folge
bestimmte Wirkungen in
der Zelle aus (<Abbildung).
<Abbildung: Rezeptortypen
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)
Man unterscheidet nach ihrer grundsätzlichen Funktioneweise vier Rezeptorfamilien:
Ionenkanalgekoppelte (links): Bindung des Signalstoffs öffnet
den Ionenkanal, es kommt zu Ioneneinstrom und Ladungsveränderung der
Membran. Diese triggert innerhalb von Millisekunden die
zellphysiologischen Effekte.
G-Protein-gekoppelte (daneben): Die (heptahelikalen Rezeptoren (mehrere hundert Arten bekannt) aktivieren das G-Protein-System und dieses "zweite Botenstoffe" (second messenger: cAMP, DG, IP3), welche über Ca++, Phosphorylierung von Zielproteinen o.a. innerhalb von Sekunden den Effekt auslösen.
Kinasegekoppelte Rezeptoren: Bindung
des Signalstoffs führt zu Di- oder Tetramerisierung der
Rezeptormoleküle, die selbst (Tyrosin-, Serin-, Threonin-) Kinase-Aktivität haben oder bei Aktivierung Tyrosinkinase anlagern. Sie phosphorylieren zelluläres
Protein (Rezeptor- Proteinkinase, aktivieren Gene und Proteinsynthese. Dieser Vorgang nimmt Stunden in Anspruch.
Nukleäre (intrazelluläre) Rezeptoren:
Signalstoffe (z.B. ein Steroid) diffundieren durch die Zellmembran und binden an
intrazelluläre Rezeptoren, diese aktivieren DNA-Ablesung und
Proteinsynthese

Man unterscheidet am
Rezeptor zwei Domänen: Eine
ligandenbindende (sie erkennt und bindet spezifisch Signalstoffe) und eine
Effektordomäne
(ihre Aktivierung führt zum entsprechenden zellulären Effekt -
>Abbildung). Bei membrangebundenen Rezeptoren befindet sich die
ligandenbindende Domäne auf der
extrazellulären Seite der Zellmembran; die Effektordomäne liegt immer
intrazellulär. (Bei intrazellulären Rezeptoren befiunden sich naturgemäß beide Teile in der Zelle.)

>Abbildung: Generelle Struktur der vier Rezeptorfamilien
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)
Alle Rezeptoren sind Proteine. Die blau gefärbten Zylinder symbolisieren α-helikale (hydrophobe) Aminosäuresequenzen (~20 AS)
, die sich in die Zellmembran einlagern (s. oben) und den Rezeptor hier verankern.
Ionotrope Rezeptoren sind
ligandenaktivierte Ionenkanäle (das gezeigte Beispiel entspricht dem
nikotinischen Acetylcholinrezeptor). Die Rezeptoren können tri-, tetra-
oder pentamer sein (aus 3-5 Proteinmolekülen bestehen), d.h. es liegen
pro Ionenkanal bis zu 20 membranüberspannende Sequenzen vor.
Metabotrope Rezeptoren funktionieren G-Protein-gekoppelt (GPCRs: G protein-coupled receptors).
Die Bindungsdomäne kann eine von zwei verschiedenen Positionen im
Molekül einnehmen (beide gleichzeitig dargestellt): Peptide binden eher
an die extrazelluläre, kleine Signalmoleküle eher an die
intramembranale Domäne. Die Domäne für die
Bindung des G-Proteins liegt auf der intrazellulären Molekülseite.
Kinaseverknüpfte Rezeptoren
beherbergen oft eine Bindungsdomäne (extrazellulär) und eine
katalytische Domäne (intrazellulär) im selben Molekül, z.B. Wachstumsfaktoren. Hingegen haben Zytokinrezeptoren keine eigene Kinasedomäne, sondern aktivieren Enzyme aus dem Zytoplasma.
Nukleäre Rezeptoren aktivieren - soferne sie "ihren" Signalstoff binden - die Ablesung von Genen im Zellkern

Membranständige Rezeptoren verfügen über drei Teile:

Einen
extrazellulären mit der ligandenbindenden Domäne, welche in den Extrazellulärraum vorragt und den Signalstoff (z.B. Peptid, Transmitter) bindet

Einen
transmembranalen
Teil (bei G-Protein-Rezeptoren 7 lipophile Aminosäuresequenzen), der
den Rezeptor in der Zellmembran verankert (bei ionenkanalgekoppelten
Rezeptoren enthält dieser Teil einen zentral gelegenen Kanal)

Einen
intrazellulären Teil mit seiner Effektordomäne, die ein
Second-messenger-System aktivieren kann (Ausnahme Ionenkanal)
Man unterscheidet weiters nach dem Wirkungsmechanismus (
Näheres s.
dort):
Ligandenaktivierte
Ionenkanäle (
ligand-gated ion channel receptors,): Sie verändern den Durchtritt von Ionen durch die Membran (ionenkanalgekoppelte oder ionotrope Rezeptoren)
G-Protein-gekoppelte
Rezeptoren bewirken biochemische Folgemechanismen
(Enzymwirkung, G-Proteine → second messenger): Metabotrope Rezeptoren

Transmembran-regulierte
Tyrosinkinasen
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).
Die regulatorische
Wirkung der Rezeptoraktivierung kann direkt an intrazellulären Zielmolekülen, an Enzymen (Zielproteinen), oder vermittels intrazellulärer Transducer (
second messenger) erfolgen. Die Gesamtheit der involvierten Ionen und Moleküle wird als
Signaltransduktionsweg oder
Rezeptor-Effektor-System bezeichnet. Zahlreiche "Gerüst-" bzw. "Verankerungsproteine" begrenzen den Verbreitungs- bzw. Aktionsradius involvierter
second messenger-Moleküle - z.B. von
Calciumionen - auf einen eng begrenzten Raum in der Zelle (
Kompartmentalisierung).
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).
Eine wichtige Eigenschaft dieser Anordnungen ist die Möglichkeit zur
Signalverstärkung.
Extrazelluläre Liganden (z.B. Hormone) haben oft eine sehr geringe
Konzentration (nano- bis mikromolar), und intrazelluläre Enzymkaskaden
können eine molekulare Verstärkung über mehrere Zehnerpotenzen ergeben.
Die folgende Tabelle gibt Beispiele für Rezeptoren, ihre Zuordnung, Aktivatoren (Bindungspartner, Liganden) und
second-messenger-Mechanismen (Effektoren):
Rezeptoren
Modifiziert
nach Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of
Pharmacology and Therapautics, 2nd ed. McGraw Hill 2014
|
Strukturell
|
Funktionell
|
Ligand(en)
|
Effektoren /
Transducer
|
GPCR
(G-Protein-
gekoppelte
Rezeptoren)
|
ß-Adrenozeptoren
|
Catecholamine
|
Gs, AC
(Adenylylcyclase)
|
Muskarinische
cholinerge
Rezeptoren
|
Acetylcholin
|
Gi, Gq, AC, Ionenkanäle, PLC
|
Eikosanoid-
rezeptoren
|
Prostaglandine,
Leukotriene,
Thromboxane
|
Gs, Gi, Gq
|
Ionenkanäle
|
Ligandengesteuert
|
Acetylcholin (M2)
GABA
Histamin
|
Permeasewirkung für
Na+, Ca++, K+, Cl-
|
Transmembranale
Enzyme
|
Rezeptor-
Tyrosinkinase
|
Insulin
EGF, PDGF, VEGF
|
Proteine mit Bindungsdomänen |
Membrangebundene
Guanylatzyklase
|
Natriuretische
Peptide
|
cGMP
|
Transmembranal,
Nicht-Enzyme
|
Zytokinrezeptoren
|
Interleukine u.a.
|
Jak/STAT
lösliche Tyrosinkinasen
|
Toll-like Rezeptoren
|
Bakterielle Produkte
Lipopolysaccharide
|
z.B. NF-κB
|
Nukleäre
Rezeptoren
|
Steroidrezeptoren
|
z.B. Östrogene
Testosteron
|
Co-Aktivatoren
|
Thyroidhormon-
rezeptoren
|
T3 / T4
|
|
Intrazelluläre
Enzyme
|
Lösliche
Guanylatzyklase
|
NO, Ca++
|
cGMP
|
Regulierung der Rezeptordichte
Zellen enthalten in ihrer Außenmembran durchschnittlich ~10
4
Hormonrezeptoren. Werden diese
Rezeptormoleküle, die den Signalstoff gebunden haben, in das Innere der
Zelle verlagert (
Endozytose), sind sie für den "Empfang" nicht mehr
verfügbar
(Herabregulierung, Desensitivierung, Adaptation, Receptor downregulation) und gelangen erst nach einer
Refraktärzeit (
Refrakterität
/
refractoriness = vorübergehende Unempfindlichkeit
gegenüber einem Reiz) wieder an die Zelloberfläche. Dies kann Minuten
bis Stunden dauern.

Man nennt dieses Phänomen auch
Tachyphylaxie.
Beispiel: Sinkende bronchodilatatorische Wirkung von
ß-Rezeptor-Agonisten infolge wiederholter Applikation bei
Asthmapatienten.
Anschließend 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
(Hinaufregulierung, Supersensitivity, Receptor upregulation).

Erhöhte Sensibilität durch Hinaufregulation der Rezeptorzahl tritt nach
längerer Rezeptorblockade auf, z.B. nach Langzeitbehandlung mit
ß-Blockern wie Metoporolol, das u.a. gegen Herzrhythmusstörungen
eingesetzt wird. Setzt man das Pharmakon ab, ist der physiologische
Effekt der Rezeptorreizung besonders intensiv.
Zeitabhängigkeit. 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.
Apoptose: Die Zelle gibt sich auf
Werden Zellen ungenügend versorgt (z.B. mit Sauerstoff:
Hypoxie, Nährstoffen, Elektrolyten), gelangen sie in zu belastendes Milieu (z.B.
Hämolyse)
oder werden sie anderweitig verletzt, werden sie nekrotisch, schwellen
an, platzen, und der in die Umgebung gelangte Inhalt bewirkt eine
Entzündung,
die Auswirkungen auf die lokale Durchblutung und allenfalls auf den
gesamten Körper hat.
Im Gegensatz dazu steht der durch spezifische Signale ausgelöste, geordnete, wohlkoordinierte Zelltod, die Apoptose

:
Dabei bestimmt das Gleichgewicht
von Faktoren, die für "Überleben" oder "Tod" stehen, das Schicksal der Zelle; es tritt keine Entzündung auf.
Bei zunächst intakter Zellmembran und intakten
Zellorganellen kommt es zu Abrundung der Zelle, Schrumpfung des
Zytoplasmas, Kondensierung des Kernmaterials, das
Zytoskelett verliert seine Struktur, die Kernhülle löst sich auf, das
Chromatin zerbricht und die DNA wird durch
Endonukleasen abgebaut, und es entstehen von Zellmembran
umhüllte Fragmente (
apoptotische Körperchen).
Veränderungen in der
Zellmembran (wie die Verlagerung von Phosphatidylserin-Molekülen an deren Außenseite) werden von
Makrophagen
als Zeichen einer Apoptose erkannt, worauf hin sie die Zelle
phagozytieren. Nachbargewebe bleibt
unbeschädigt.
Apoptose ist in zahlreichen
Zusammenhängen ein normaler Vorgang: Er eliminiert unerwünschte Zellen

Wenn
Zellen nicht mehr benötigt werden (z.B. im Rahmen ontogenetischer
Entwicklungsschritte; im Rahmen der
Gehirnentwicklung sterben ~50%
der ursprünglich angelegten Zellen apoptotisch ab)

Wenn Zellen am Ende ihrer physiologischen Lebensspanne stehen (Erneuerung z.B. von
Blutkörperchen, Gewebsregeneration z.B. in Epithelien)

Bei Zelldefekten
(z.B. nach allzu fehlerhafter mitotischer
DNA-Replikation)
Apoptose läuft im Rahmen einer
proteolytischen Kaskade
ab. Diese wird vermittelt durch Proteasen (mit
Cystein in ihrem aktiven Zentrum), die Zielproteine (an Aspartat)
aufschneiden: Man hat sie daher
Caspasen genannt (
Cystein,
Aspartat).
Normalerweise inaktiv, werden sie durch Schlüsselreize "scharf
gemacht". Man teilt die Caspasen in zwei Hauptklassen ein, Initiator-
und Effektor-Caspasen:
Initiator-Caspasen ("Pro-Caspasen", Caspase 8, 9) finden sich im Zytoplasma in monomerer Form, in der sie inaktiv sind. Taucht ein
apoptotisches Signal
auf - entweder von außen ("Todesrezeptoren") oder von innen
(mitochondrial) ausgelöst -, lagern diese sich über Wirkung von
Adapterproteinen zu Komplexen zusammen, die (durch gegenseitige
enzymatische Wirkung) zu aktiver Caspase werden und Effektor-Caspase
aktivieren.
Effektor-Caspasen
(Caspase 3, 6, 7) liegen normalerweise in dimerer Form vor, die inaktiv
ist. Die Aktivierung erfolgt durch "gezündete" Initiator-Caspasen, und
es kommt zu einer selbstverstärkenden proteolytischen Aktivität. Als
Ziele kommen über 10
3 verschiedene zelluläre Proteine in
Frage - u.a. interzelluläre Adhäsionseiweiße (Ablösung vom
Zellverband), Bestandteile des Zytoskeletts (Formverlust) oder der
Kernmembran.
Caspasen
sind intrazelluläre Proteasen, deren aktives Zentrum Cystein enthält
und die am C-Terminus ihrer Zielproteine an Aspartat schneiden. Die
meisten sind Bestandteile enzymatischer Kaskaden, an deren Ende die
Apoptose der Zelle steht.
Die Apoptose kann (über Initiator-Caspasen) durch
innere (DNA-Schäden, falsch gefaltete Proteine, Fehlen von Wachstumsfaktoren) oder
äußere Signale (wie Binden von TNF-α) ausgelöst werden:

<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.
Caspasen werden aktiviert, die Zelle spaltet sich in Komponenten auf, Ausbuchtungen (blobs) werden zu Apoptosekörperchen und diese von Makrophagen oder anderen Nachbarzellen erkannt und phagozytiert

Von außen ausgelöste (extrinsische,
rezeptormediierte) Apoptose (Todesrezeptor- Signalweg): Bestimmte Liganden können den Zell-Suizid von außen triggern, z.B.
Zytokine wie TNF,
Retinsäure,
Glukokortikoide
u.a.
Solche Liganden binden an die extrazelluläre Domäne von
Todesrezeptoren, die intrazellulär eine
Todesdomäne (
death domain) haben, welche das Apoptoseprogramm starten können. Diese Rezeptoren gehören zur
TNF-Rezeptorfamilie, zu der auch der Todesrezeptor Fas
(CD95) gehört. Letzterer wird durch
Fas-Liganden auf
zytotoxischen T-Zellen aktiviert.
Fas (CD95) ist ein Todesrezeptor. Er vermittelt u.a. die Apoptose von Lymphozyten im Rahmen der
Selbsttoleranz. Der
Fas-Ligand (CD95-Ligand) bindet an Fas und führt zur Apoptose der Fas-tragenden Zelle.
Mutationen des FAS-Gens führen zu systemischen Autoimmunerkrankungen.
Bindet der Fas-Ligand an den Fas-Rezeptor anderer Zellen, führt dies zu deren
Apoptose, was für die T-Zell-Homöostase bedeutsam zu sein scheint (

s.
dort).
Ist die Todesdomäne aktiviert, triggert sie Adapterproteine, die
ihrerseits Initiator-Caspasen "einschalten". Dies lässt aus
Todesrezeptoren
todesinduzierende Signalkomplexe (
death-inducing signaling complex DISC) entstehen, und diese aktivieren Effektor-Caspasen.
Extrinsische Apoptose ist für die Entwicklung / Funktion einiger Gewebe / Organe
erforderlich, wie in der
Embryogenese: So
unterziehen sich Zellen der Handanlage zwischen den Fingern einer
Apoptose, es entstehen die Fingerstrahlen; zahlreiche Neuronen im sich entwickelnden Gehirn "beschließen" zu sterben.
Von innen ausgelöste (endogene)
Apoptose
(intrinsischer /
mitochondrialer Weg,
Stressor-Stimulation):
Dieser Mechanismus unterliegt einer komplexen Kontrolle, z.B. durch
Bcl2-Proteine (s. unten), die sowohl pro- als auch antiapoptotisch
wirken und sich gegenseitig beeinflussen können.
Es ist nicht überraschend, dass die Apoptose mehrfacher
Regulierung unterliegt - ist sie einmal ausgelöst, lasst sie sich nicht mehr stoppen. So verteidigen apoptose-hemmende Proteine (
IAPs:
Inhibitors of apoptosis proteins) die Integrität der Zelle, indem sie Caspasen hemmen, manchmal auch zum Abbau freigeben.
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.
Verschiedene Probleme
in der Zelle können den intrinsischen Weg auslösen, wie

Hitze,

Strahlung (inklusive UV-Licht),

Gifte (z.B. Zytostatika),

Sauerstoffmangel,

Schäden an der DNA (nach der
S-Phase).
So hat z.B.
Zytochrom c -
normalerweise im mitochondriellen Intermembranraum zu Hause - nichts im
Zellplasma zu suchen; seine Freisetzung wird durch einen anderen Faktor
der
Mitochondrienmembran verhindert:
Bcl2-Proteine
(nach
B-cell lymphoma) stabilisieren das Membransystem, beeinflussen
die Freisetzung von Zytochrom c und damit die Apoptose. Vermehrte
Durchlässigkeit beschädigter Mitochondrien führt zur Freisetzung
des Zytochrom c in das Zytoplasma, es wirkt dann als pro-apoptotisches
Molekül
(death inducer).
Ein zentrales
Auslösermolekül ist das Tumorsuppressor-Protein
p53,
das in einer gesunden Zelle nur in geringer Konzentration vorliegt,
aber nach Zellschädigungen (irreparable DNA-Defekte) vermehrt auftritt.
Dadurch werden Zellen eliminiert, die potentiell zu Krebszellen werden
könnten.
Apoptose wird durch extrazelluläre Überlebensfaktoren gehemmt.
Meist binden diese an Rezeptoren an der Zellmembran und aktivieren so
Signalwege, die eine Apoptose zu verhindern helfen. Gesunde Zellen
verhindern auch durch eigene Signalproteine, von
Phagozyten attackiert zu werden, indem sie an inhibierende Rezeptoren
in der Makrophagenmembran binden.
Umgekehrt kann das
Fehlen von Wachstumsfaktoren Apoptose triggern.
Bestimmte hormonsensitive Zellen gehen zugrunde, wenn sie keine anregenden Signale empfangen (Beispiele:
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 der Ontogenese.
Zellen, die einer Apoptose unterlaufen, verlieren den Kontakt zu ihren
Nachbarzellen und stülpen ihre
Membran so um, dass sie die Zellbestandteile in Vesikel einschließen,
die dann von
Makrophagen
(Histiozyten) "entsorgt" werden können - ohne dass es zu einer Entzündungsreaktion kommt. Dabei wird auch das Genom
geordnet abgebaut (Caspase-aktivierte Desoxyribonuklease, CAD).
Channelopathien (Ionenkanalerkrankungen) sind genetisch bedingte Abnormitäten in Form und Funktion von Ionenkanälen. So können Veränderungen an
Natriumkanälen Krämpfe, Muskel- und Herzerkrankungen bedingen; an
Chloridkanälen
Bewegungsstörungen, Nierenfunktionsprobleme und Taubheit. Verschiedene
Ionenkanalerkrankungen können auch Epilepsieneigung zur Folge haben.
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.

Der Körper besteht zur Hälfte seiner Masse aus Zellen - bestehend zu
70% aus Wasser, 15-20% Eiweiß, ~10% Nukleinsäuren, Elektrolyten u.a.
Teilweise sind sie polar
aufgebaut, z.B. Epithelzellen mit einer apikalen und einer
basolateralen Membran, gegeneinander abgedichtet und
funktionsabhängig mit unterschiedlichen Membranproteinen ausgestattet.
Gase gelangen direkt,
Wassermoleküle über Aquaporine, Elektrolyte über Ionenkanäle; Glucose,
Aminosäuren u.a. über Transporter durch Biomembranen. Stoffe
können auch über Endozytose in die, über Exozytose aus der Zelle
gelangen (Transzytose: durch die Zelle hindurch). Extrazellulärer
Stoffaustausch ist zwischen Zellen möglich (parazellulärer Transport),
die keine extrazelluläre Abdichtung (Schlussleisten) aufbauen
Zellmembranen
grenzen ab - gegen andere intrazelluläre Kompartimente oder den
Extrazellulärraum -, lassen aber gezielten Stoffaustausch und
Kommunikation zu - über Rezeptoren, Permeasen, Austauscher, Cotransporter, Pumpen oder andere Strukturen, die zum Großteil aus
Protein bestehen. Gase und lipophile Stoffe können direkt durch die
Membran diffundieren. Grundbaustein von Zellmembranen sind
Phospholipide (>50%), sie wirken
hydrophob und separieren (hydrophile) Funktionsräume. Die Ausstattung
mit Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten ist seiten-, kompartiment-
und zellspezifisch. Das gesamte Membranmaterial wird innerhalb von ~3
Wochen vollständig erneuert
Integrale Proteine sind in Membranen verankert, meist mittels
α-helikaler Sequenzen aus ~20 vorwiegend hydrophoben Aminosäuren.
Permeasen,
Transporter, Pumpen haben Innenporen mit vorwiegend hydrophilen
Aminosäuren.
Der transmembranale Stoffaustausch hängt ab vom Konzentrationsgefälle
für die jeweilige Substanz, vom elektrischem Potential an der Membran
(Ionen), und der Permeabilität der Membran für den
jeweiligen Stoff. Proteine sind in der Membran frei
beweglich (Lateraldiffusion), können aber auch Ansatzpunkt für extra-
und intrazelluläre Gerüststrukturen sein. Sie wirken z.B. als Enzyme,
Rezeptoren, Erkennungsstrukturen (Glykolipide, Glycoproteine,
"Glykokalix-Ausweis")
Diffusion ist die Verteilung von Teilchen nach ihrem
Konzentrationsgefälle (das durch Transportprozesse aufgebaut wurde).
Die Menge eines Stoffes, der über eine Grenzfläche diffundiert, ist
proportional der Austauschfläche und dem Konzentrationsgrandienten
sowie umgekehrt proportional der Diffusionsstrecke (Fick'sches Gesetz).
Der Krogh'sche Diffusionskoeffizient kennzeichnet die spezifische
Beweglichkeit (Permeabilität) der Substanz in der Matrix. Osmose ist
die Strömung von Wasser durch Grenzflächen (Zellmembranen), die für
gelöste Moleküle schwer passierbar ist - in Richtung der höheren
Konzentration der gelösten Teilchen. Die
Osmolarität gibt die Konzentration gelöster Stofe an; isoton nennt man
Flüssigkeiten mit gleicher osmotischer Konzentration wie Blutplasma
(~285 mOsm/l)
Stoffe diffundieren nach ihrem elektrochemischen Gradienten ("passiv"),
werden mit dem Gradienten eines anderen gegen ihren eigenen Gradienten
mitgenommen (Cotransport) oder ausgetauscht (Antiport - sekundär
aktiv), oder unter Energieaufwand (ATP) befördert (primär aktiver
Transport). Permeasen können "geschlossen", "offen" oder "inaktiviert"
sein. Der Zustand wechselt 1-100 mal pro Mikrosekunde (Transporter
wechseln ihre Konformation höchstens einmal pro Millisekunde). Die
Wahrscheinlichkeit des "Offen"-Zustandes bestimmt die Permeabilität,
sie kann durch verschiedene Faktoren (z.B. Transmitter) beeinflusst
werden.
Ist eine Permease für ein Ion selektiv durchgängig, wird sie nach dem
Ion benannt ("Kaliumkanal", "Natriumkanal"). Das
Gleichgewichtspotential für ein Ion ist die Membranspannung, welche
seine Diffusion verhindert
In Blutplasma und anderen extrazellulären Flüssigkeitn ist Natrium das
Kation, Chlorid das Anion mit der höchsten Konzentration. Im Zytoplasma
ist Kalium das Kation mit der höchsten Konzentration. Ausfall
ATP-betriebener Transporter wie der Na-K-Pumpe führt zu Anreicherung
von Kationen in der Zelle sowie zu osmotischem Wassereinstrom
(Schwellung)
Das Zytoskelett
hat
Aktinfilamente, Intermediärfilamente (belastbar,
über Adhäsionspunkte / Desmosomen mit Nachbarzellen verbunden),
Myosinfilamente (Verformung, Bewegung, Kontraktion), Mikrotubuli
(Hohlzylinder aus Tubulin für intrazellulären Transport, als
Spindelapparat der Zellteilung). Koordinierte Aktivität von Aktin- und
Intermediärfilamenten, Mikrotubuli, Myosin und zahlreichen
Hilfsproteinen ermöglicht stabile Struktur, Form und Bewegung von
Zellen. Der Zellkern
hat den Großteil der genetischen Information (typischerweise ~10%
des Zellvolumens), Nucleoli produzieren Ribosomen, Kernporen erlauben
selektiven Moleküldurchtritt. Das glatte endoplasmatische Retikulum speichert Ca++,
nimmt an Biotransformation teil, glukuroniert Biliruin, synthetisiert
Membranmoleküle, Fettsäuren und Steroide; das rauhe bildet Proteine
(Translation). Vesikel separieren, speichern, modifizieren, sortieren und transportieren ihren Inhalt. Der Golgi-Apparat
modifiziert, transportiert und verteilt seinen Inhalt; er besteht aus
einem kernnahen "Cis-Golgi-Netzwerk", einem "Golgi-Stapel" und einem
zellmembranseitigen "Trans-Golgi-Netzwerk". Innerhalb von ~20 Minuten
kann ein Golgi-Apparat vollständig neu gebildet werden, eine Zelle kann
über 200 Golgi-Apparate enthalten. Mitochondrien (meist ~103 pro Zelle, ~1/5 des Zellvolumens, Lebensdauer 10-20 Tage) nutzen Sauerstoff zur Energiegewinnung (Atmungskette), speichern Ca++,
sind enzymatisch aktiv und können Apoptose triggern. Lysosomen und
Peroxisomen bauen zelleigene (Autophagie) oder endozytierte
(Heterophagie) Stoffe ab
Apoptose ist die komplex regulierte "Selbstaufgabe" der Zelle, wenn
diese überflüssig oder nicht funktionstüchtig geworden ist. Sie kann
durch innere (DNA-Schäden, falsch gefaltete Proteine,
Fehlen von Wachstumsfaktoren) oder äußere Signale (z.B.
TNF-α) ausgelöst werden: Endogene (intrinsischer / mitochondrialer Weg
- Sauerstoffmangel, Strahlung, Hitze, Gifte) vs. extrinsische
(rezeptormediierte) Apoptose (Todesrezeptor-Signalweg). Caspase ist
eines der beteiligten Enzyme. Zytoplasma und
Kern schrumpfen und werden abgebaut, die Zelle wird fragmentiert und
verliert den Kontakt zu ihren Nachbarzellen; Nachbargewebe bleibt
unbeschädigt. Manche Zellen gehen zugrunde, wenn sie keine anregenden
Signale empfangen (Wachstumsfaktoren, Zytokine, Antigen). Es gibt
proapoptotische und antiapoptotische Faktoren; wird deren
Gleichgewicht zugunsten des Zelluntergangs verschoben, resultiert
Apoptose
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