Funktionen und allgemeiner Aufbau biologischer Membranen
Biologische Membranen erfüllen mehrere Kernaufgaben: Sie trennen das Zellinnere von der äußeren Umgebung, regulieren den Stofftransport, bilden Zell-Zell-Kontakte und ermöglichen die Wahrnehmung äußerer Signale. Die strukturelle Grundlage der Membran bildet eine doppelte Lipidschicht (Doppellipidmembran), die aus amphiphilen Molekülen aufgebaut ist. Lipide und Proteine werden in der Membran durch nicht-kovalente (schwache) Bindungen zusammengehalten, was der Struktur Fluidität und Plastizität verleiht.
Die Amphiphilie von Phospholipiden wird durch das Vorhandensein eines polaren (hydrophilen) Kopfes und zweier unpolarer (hydrophober) Schwänze bestimmt. Die Schwänze weisen zueinander in das Innere der Doppelschicht, während die Köpfe nach außen und zum Cytoplasma gerichtet sind.
Lipidzusammensetzung von Membranen
Die Hauptklassen von Membranlipiden sind Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin.
- Cholesterin reguliert die Steifigkeit und Fluidität der Membran: Ein Mangel macht die Membran zu flüssig, ein Überschuss zu steif.
- Phospholipide bestehen aus einem Glycerolrest, zwei Fettsäureresten, einer Phosphatgruppe und einer polaren Gruppierung. Nach der Art der polaren Gruppe unterscheidet man Phosphatidylserin, Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylcholin und Phosphatidylinositol. Kardiolipine sind Bestandteil von Mitochondrienmembranen.
- Sphingolipide sind Derivate des Sphingosins. Dazu gehören Ceramide (Sphingosin + Fettsäure), Cerebroside (Ceramid + Monosaccharid, meist Galactose) und Sphingomyeline (Sphingosin, Fettsäure, Phosphat, Cholin). Cerebroside und Sphingomyeline sind typisch für Membranen des Nervengewebes.
Bei der vollständigen Hydrolyse eines Phospholipids werden die Esterbindungen gespalten: Aus Sphingomyelin entstehen beispielsweise Sphingosin, Fettsäure, Phosphorsäure und Cholin; aus Phosphatidylcholin Glycerol, zwei Fettsäuren, Phosphat und Cholin.
Membranproteine und Stofftransport
Proteine werden in integrale (transmembranöse) Proteine, die die Doppelschicht durchspannen, und periphere Proteine unterteilt, die dem Cytoplasma oder dem extrazellulären Milieu zugewandt sind. Membranproteine sind häufig glykosyliert und phosphoryliert, was sie vor Proteasen schützt. Sie fungieren als Rezeptoren, Enzyme und Transporter, sind an Immunreaktionen beteiligt und bilden Zell-Zell-Kontakte.
Der Transport durch die Membran erfolgt passiv und aktiv:
- Einfache Diffusion — für lipophile Substanzen (Steroidhormone), die sich frei entsprechend dem Konzentrationsgradienten durch die Doppelschicht bewegen.
- Erleichterte Diffusion — für hydrophile Substanzen durch ein Carrier-Protein, ebenfalls entlang des Gradienten.
- Primär aktiver Transport — entgegen dem Konzentrationsgradienten unter direktem ATP-Verbrauch (z. B. Na⁺/K⁺-ATPase).
- Sekundär aktiver Transport — Symport oder Antiport, der den durch die ATPase aufgebauten Na⁺-Gradienten nutzt (z. B. Aufnahme von Glucose zusammen mit Natrium).
Adenylylatcyclase- und Inositolphosphatsystem
Signalmoleküle (primäre Botenstoffe) sind Hormonen, Neurotransmitter, Wachstumsfaktoren und Eicosanoide. Rezeptoren werden in Membranrezeptoren (ionotrop und metabotrop) sowie intrazelluläre Rezeptoren unterteilt. Metabotrope Rezeptoren umfassen G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und katalytische Rezeptoren.
Im Adenylylatcyclase-System (Glucagon, Adrenalin über β-Adrenozeptoren) verändert das Hormon die Konformation des Rezeptors, was auf die α-Untereinheit des G-Proteins übertragen wird. GDP wird durch GTP ersetzt, die α-Untereinheit aktiviert die Adenylylatcyclase, die ATP in cAMP umwandelt. cAMP aktiviert die Proteinkinase A, indem es deren regulatorische Untereinheiten abspaltet; katalytische Untereinheiten phosphorylieren regulatorische Enzyme. Abbauenzyme sind im phosphorylierten Zustand aktiv, Syntheseenzyme inaktiv. cAMP wird durch Phosphodiesterase abgebaut. Cholera-Toxin blockiert die GTP-Dephosphorylierung durch die α-Untereinheit, was zu einer dauerhaften Aktivierung der Adenylylatcyclase und Anhäufung von cAMP führt. Über ein Gi-Protein inhibiert die α-Untereinheit das Enzyme hingegen.
Im Inositolphosphatsystem (ADH, Adrenalin über α₁-Rezeptoren) wird die Phospholipase C aktiviert, die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat in Inositol-3-phosphat (IP₃) und Diacylglycerol (DAG) spaltet. IP₃ bindet an Ryanodin-Rezeptoren des ER und setzt Ca²⁺ frei. Calciumionen aktivieren zusammen mit DAG die Proteinkinase C und binden an Calmodulin, wodurch eine zelluläre Antwort ausgelöst wird.
Katalytische und intrazelluläre Rezeptoren
Der Insulinrezeptor ist eine Tyrosin-Proteinkinase aus zwei α- und zwei β-Untereinheiten. Nach der Insulinbindung autophosphorylieren die β-Untereinheiten an Tyrosinresten und phosphorylieren das IRS-Protein (Insulin Receptor Substrate). IRS aktiviert die Phosphoproteinphosphatase, Phosphodiesterase und Transkriptionsfaktoren und fördert den Einbau von GLUT-4 in die Membran von Adipozyten und Myozyten. Das Resultat der Insulinwirkung ist die Dephosphorylierung regulatorischer Enzyme: Syntheseenzyme werden aktiviert, Abbauenzyme inaktiviert.
Der Guanylylatcyclase-Rezeptor (atrialer natriuretischer Faktor, Guanylin) synthetisiert cGMP aus GTP selbst. cGMP aktiviert die Proteinkinase G durch Bindung an deren Untereinheiten ohne Dissoziation; die Proteinkinase G phosphoryliert regulatorische Enzyme.
Intrazelluläre Rezeptoren sind cytoplasmatische (für Steroidhormone) und nukleäre (für Iodthyronine T₃, T₄) Rezeptoren. Hydrophobe Hormone passieren die Membran durch Diffusion und bilden einen Hormon-Rezeptor-Komplex, der an DNA bindet und die Transkription reguliert. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Induktion der Enzymsynthese, wodurch sich die Menge und nicht die Aktivität von Proteinen verändert.
Schlüsselpunkte
- Die Membran ist eine Doppellipidmembran aus amphiphilen Phospholipiden unter Einschluss von Cholesterin und Proteinen.
- Cholesterin erhält die optimale Membranfluidität aufrecht.
- Der Stofftransport wird in passiven (einfache und erleichterte Diffusion) und aktiven (primär und sekundär) Transport unterteilt.
- Das Adenylylatcyclase-System (Glucagon, Adrenalin) erhöht cAMP und aktiviert die Proteinkinase A, wodurch Enzyme phosphoryliert werden.
- Das Inositolphosphatsystem erhöht über IP₃ und DAG den Ca²⁺-Spiegel und aktiviert die Proteinkinase C.
- Cholera-Toxin blockiert die GTPase-Aktivität der αs-Untereinheit und ruft so eine anhaltende Aktivierung der Adenylylatcyclase hervor.
- Der Insulinrezeptor ist eine Tyrosinkinase, deren Wirkung in der Dephosphorylierung regulatorischer Enzyme gipfelt.
- Steroidhormone und Iodthyronine wirken über intrazelluläre Rezeptoren und regulieren die Genexpression.