VL2 - Pflanzenmembranen und ihre Transportfunktion

Question 1

Das Flüssig-Mosaik-Membran Modell - Plasmamembran (Plasmalemma)

Answer 1

→ Lipiddoppelschicht (bilayer) zur Trennung wässriger Milieus
→ amphipatische Eigenschaft der Lipide
→ Lipide: hydrophiler und hydrophober Anteil

→ Proteine: innerhalb der Membran hydrophob, polare Anteile nach außen gerichtet

Organisation der amphipathischen Lipidmoleküle in der Membrandoppelschicht:

• Phospholipide (aus Phosphat, Glycerin und 2 Fettsäuren)
• Glykolipide (aus Kohlenhydrate,
  Glycerin und 2 Fettsäuren)

Question 2

Essentielle Prozesse, die von der Funktionsfähigkeit der Membran und der selektiven Permeabilität abhängen:

Answer 2

Kompartimentierung: Schaffung von Reaktionsräumen

• Vereinigung von Reaktionspartnern und Trennung von unerwünschten Substanzen
• Vermeidung nutzloser Zyklen und Möglichkeit von gegenläufigen Prozessen: z.B. Stärkesynthese im Amyloplasten, gleichzeitig Glykolyse im Zytoplasma

Selektive Permeabilität: Aufnahme und Ausschleusen von Substanzen durch die Membran → ergibt sich aus den verfügbaren Transportsystemen (integrale Membranproteinen)

Import/Export von Mineralien und Ausschluss von Abfallprodukten, Transport von Metaboliten und Proteinen - anderer Materialtransport in Vesikeln

Energieerzeugung – Aufbau von Protonengradienten,

→ Umwandlung von Sonnenenergie in biologisch verwertbare Energie

→ ATP Gewinnung durch mitochondriale Respiration

Wahrnehmung und Weiterleitung von Signalen: (Signaltransduktion): [Ca2+] Import/Export in das Zytoplasma, Vermittlung von Signalen für Wachstum und Entwicklung auszubreiten.

Turgor – Positiver Druck auf die Zellwand, der für Struktur und Festigkeit der Pflanze sorgt.

Question 3

Welche Moleküle sind für die Membran ohne zusätzliche Transportsysteme permeabel?

Answer 3

• Gase
• Kleine ungeladene polare Moleküle
• Wasser

Question 4

Passiver Transport

Answer 4

Wenn die Membran für Substanzen durchlässig ist: Diffusion gelöster Substanzen durch Membranen

Question 5

Osmose - Semipermeable Membran

Answer 5

Wenn die Membran nicht für gelöste Substanzen durchlässig ist

Question 6

In welcher Form kann die Energie, die für den Molekültransport gegen ein Konzentrationsgefälle erforderlich ist, kann gespeichert sein?

Answer 6

1. einer Konzentrationsdifferenz des Moleküls auf beiden Seiten der Membran (Chemisches Potential)
2. einer über die Membran verlaufenden Ladungsdifferenz (Elektrisches Potential)

→ Elektrisches + chemisches Potential = elektrochemisches Potential

Ionen diffundieren aufgrund ihrer Konzentrationsverhältnisse und der
elektrischen Potentialdifferenzen zwischen zwei Kompartimenten.
D.h. umgekehrt: Entgegen ihres Konzentrationsgradienten fließen Ionen nur durch Membranen, wenn eine entsprechende Spannung zwischen den Kompartimenten angelegt wird.

Question 7

Membrantransportproteine Struktur, Funktion und Physiologische Rolle

Answer 7

Question 8

Vorteil und Notwendigkeit der Kanalproteine (selektive Pore) Transport ermöglicht erleichterte Diffusion

Answer 8

Unterschiede zwischen passivem Transport durch Diffusion und erleichterter Diffusion:

• 1. Schneller
• 2. Definiert über Vmax: durch die begrenzte Anzahl an Trans- portern in der Membran
• 3. Spezifität
• 4. Öffnung kann kontrolliert werden → “gated channels”. Kanalkonformation wechselt zwischen durchlässig (open gates) and nichtpermeabel (closed)

Question 9

Modell eines spannungsabhängigen (voltage-gated)
K –Kanals in einer Pflanze

Answer 9

Mit „Tormechanismus“ - als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials öffnet und schließt sich das Tor des Kanals

Question 10

Aquaporine

Answer 10

Membranpermeabilität von Wasser Diffusionsgeschwindigkeit ist entscheidend höher als die Permeabilität durch eine reine Lipiddoppelschicht

Wasserkanäle - Aquaporine

• hoch selektiv für Wasser (keine Ionen können passieren)
• In Ergänzung zur einfachen Diffusion des Wassers durch die Membran

Question 11

Carrierproteine

Answer 11

Carrierproteine schleusen Moleküle durch eine Membran nur in Richtung des fallenden Konzentrationsgefälles

Ein Carrierprotein innerhalb der Membran bindet ein Molekül an einer reversiblen Bin-dungsstelle; Dieses Protein transferiert das Molekül und setzt es auf der anderen Seite der Membran wieder frei; der leere Carrier wechselt wieder zur ursprünglichen Seite

WICHTIG:

• 1. Konformationsänderung des Carriers vermittelt den passiven Transport
• 2. Substratspezifität: verschiedene Carrier für verschiedene Moleküle

Question 12

Passiver Transport - Unterschied zwischen Kanal und Carrier

Answer 12

Beide für die erleichterte Diffusion

Question 13

Aktive Transporter / Pumpen

Answer 13

• 1. Der PRIMÄRTRANSPORTER: Ein Protein, das unter Energieverbrauch Moleküle durch eine Membran entgegen des Konzentrationsgradientens transportiert, z.B. für H+, Ca2+, und Na+/K+
• 2. Ein SEKUNDÄRTRANSPORTER, der eine Substanz entgegen des Konzentrationsgefälles transportieren kann.

Aktive Transporter sind bekannt für Ionen, H+, Ca2+, und Na+/K+, Mg2+, K+, K+/H+, Kohlenhydrate, Lipide, Schwermetalle.

Question 14

Primär- und Sekundärtransporter

Answer 14

Schlussfolgerung: Protonen werden aktiv heraustransportiert zum Aufbau eines Protonengradienten. Energie für diesen Transport entgegen des Konzentrationsgradientens wurde bereitgestellt. Bei Rückfluss der Protonen wird Saccharose mitgenommen.

Eine Protonenpumpe sorgt für Transport über die Membran entgegen eines Konzentrationsgradientens: Dazu ist Energie erforderlich: ATPase

Question 15

Beispiele für den sekundären aktiven Transporter (Cotransporter)

Answer 15

Symporter- Transportprotein, das zwei Stoffe gleichzeitig in der selben Richtung durch eine Membran schleust (z.B. Protonenfluß ist mit der Bewegung eines Substrates gekoppelt).

Vorheriger aktiver Transport erfordert Energie für die Etablierung des Konzentationsgradien-ten einer Komponente, z.B. des Protons.

Antiporter- Transportprotein, das zwei Stoffe in entgegengesetzter Richtung durch die Membran schleust.

Vorheriger aktiver Transport erfordert Energie für die Etablierung des Konzentationsgradienten des Protons.

Die Energie wird durch den Rückfluss der Protonen verbraucht. Dieser energie-freisetzende Rücktransport der Protonen erlaubt die Kopplung des aktiven Transport einer zweiten Substanz (Transport entgegen des elektrochemischen Potentials).

Question 16

Zusammenfassung: Membrantransportproteine Struktur, Funktion und Physiologische Rolle

Answer 16

Question 17

Primärer aktiver Transport

Answer 17

Primärer Aktiver Transport - Substanz wird unter Energieverbrauch und ohne chemische Veränderung transportiert. Energie wird in Form von ATP bereit gestellt.

Question 18

Sekundärer Aktiver Transporter:

Answer 18

Sekundärer Aktiver Transporter: erforderliche Energie wird durch den Aufbau eines Protonen- oder Ionengradienten zur Verfügung gestellt.
Wenn der Protonengradient etabliert ist, dann können durch Transporter (Sym-, Antiporter) andere Substanzen zusammen mit den Protonen in transportiert werden.

Question 19

Mechanisms for Crossing Membranes

Answer 19

1. Passive transport

• 1. Diffusion
• 2. Osmosis (water)
• 3. Facilitated diffusion: Channel und Carrier proteins

2. Active transport

• Primärer aktiver Transport
• Sekundärer aktiver Transport

Question 20

Exocytose

Answer 20

•Transport von großen Molekülen oder Partikeln in den extrazellulären Raum
– Ein Vesikel fusioniert mit der Plasmamembran und entlässt den Inhalt

Question 21

Endocytose

Answer 21

Die Außenmembran faltet sich nach innen und fängt Material aus dem extrazellulären Bereich ein

Question 22

ATP-abhängige Transporter für Mineralien befinden sich nur in der Plasmamembran, da sie da gegen den Konzentrationsgradienten Mineralien ausschleusen oder aufnehmen müssen.

Answer 22

Falsch:

ATP-abhängige Transporter für Mineralien befinden sich auch in anderen Membranen (z.B. in Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen) und sind notwendig um Stoffe gezielt in bestimmte Zellkompartimente hinaus oder hinein zu transportieren.

Question 23

ATPasen und Kanal-Proteine können für erleichterte Diffusion sorgen.

Answer 23

Falsch:

ATPasen sind primär aktive Transporter, die unter ATP-Spaltung Substrate gegen den Konzentrationsgradienten befördern. Kanalproteine sorgen passiv für erleichterte Diffusion ohne Energieverbrauch.

Question 24

Die Proteinkanäle dienen der erleichterten und energieunabhängigen Diffusion von Metaboliten oder Mineralien durch die Membran, können aber durch einen Schließmechanismus (“gating“) reguliert werden.

Answer 24

Richtig:

Der Schließmechanismus wird z.B. durch chemische, mechanische oder elektrische Signale gesteuert wodurch die Proteinkanäle aktiv geschlossen werden können, als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials öffnet und schließt sich das Tor des Kanals, um den Ionenfluss zu unterbinden. Erfolgt nicht über ATP Hydrolyse.

Question 25

Biomembranen sind selektiv permeabel. Sie lassen Ionen und Nährstoffe kontrolliert passieren, halten aber das Wasser in der Zelle zurück.

Answer 25

Falsch:

Biomembranen sind für Wasser durchlässig (Aquaporine). Die Selektivität von Biomembranen ergibt sich durch das vorhandensein von Transportproteinen für spezielle Ionen oder auch organische Substanzen.

Question 26

Primäre und sekundäre aktive Membrantransportproteine unterscheiden sich durch die Wahl des Substrates, des beim Transport verbrauchten Energiebedarfs und durch die Proteinstruktur.

Answer 26

Richtig:

Primär und sekundär aktive Transporter unterscheiden sich in ihrerer Struktur, ihrem Bedarf und Einsatz von Energie und der Wahl der Substrate: bei Primärtransportern die Protonentransporter, oder auch die Natrium-Kalium-Transporter, während alle Sekundärtransporter alles andere transportieren müssen was für den Stoffwechselprozess in den Organellen und dem Zytoplasma erforderlich ist.