VL2 - Pflanzenmembranen und ihre Transportfunktion Flashcards
Das Flüssig-Mosaik-Membran Modell - Plasmamembran (Plasmalemma)
→ 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)
Essentielle Prozesse, die von der Funktionsfähigkeit der Membran und der selektiven Permeabilität abhängen:
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.
Welche Moleküle sind für die Membran ohne zusätzliche Transportsysteme permeabel?
- Gase
- Kleine ungeladene polare Moleküle
- Wasser
Passiver Transport
Wenn die Membran für Substanzen durchlässig ist: Diffusion gelöster Substanzen durch Membranen
Osmose - Semipermeable Membran
Wenn die Membran nicht für gelöste Substanzen durchlässig ist
In welcher Form kann die Energie, die für den Molekültransport gegen ein Konzentrationsgefälle erforderlich ist, kann gespeichert sein?
- einer Konzentrationsdifferenz des Moleküls auf beiden Seiten der Membran (Chemisches Potential)
- 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.
Membrantransportproteine Struktur, Funktion und Physiologische Rolle
Vorteil und Notwendigkeit der Kanalproteine (selektive Pore) Transport ermöglicht erleichterte Diffusion
Unterschiede zwischen passivem Transport durch Diffusion und erleichterter Diffusion:
- Schneller
- Definiert über Vmax: durch die begrenzte Anzahl an Trans- portern in der Membran
- Spezifität
- Öffnung kann kontrolliert werden → “gated channels”. Kanalkonformation wechselt zwischen durchlässig (open gates) and nichtpermeabel (closed)
Modell eines spannungsabhängigen (voltage-gated)
K –Kanals in einer Pflanze
Mit „Tormechanismus“ - als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials öffnet und schließt sich das Tor des Kanals
Aquaporine
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
Carrierproteine
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:
- Konformationsänderung des Carriers vermittelt den passiven Transport
- Substratspezifität: verschiedene Carrier für verschiedene Moleküle
Passiver Transport - Unterschied zwischen Kanal und Carrier
Beide für die erleichterte Diffusion
Aktive Transporter / Pumpen
- Der PRIMÄRTRANSPORTER: Ein Protein, das unter Energieverbrauch Moleküle durch eine Membran entgegen des Konzentrationsgradientens transportiert, z.B. für H+, Ca2+, und Na+/K+
- 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.
Primär- und Sekundärtransporter
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
Beispiele für den sekundären aktiven Transporter (Cotransporter)
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).
Zusammenfassung: Membrantransportproteine Struktur, Funktion und Physiologische Rolle
Primärer aktiver Transport
Primärer Aktiver Transport - Substanz wird unter Energieverbrauch und ohne chemische Veränderung transportiert. Energie wird in Form von ATP bereit gestellt.
Sekundärer Aktiver Transporter:
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.
Mechanisms for Crossing Membranes
1. Passive transport
- Diffusion
- Osmosis (water)
- Facilitated diffusion: Channel und Carrier proteins
2. Active transport
- Primärer aktiver Transport
- Sekundärer aktiver Transport
Exocytose
•Transport von großen Molekülen oder Partikeln in den extrazellulären Raum
– Ein Vesikel fusioniert mit der Plasmamembran und entlässt den Inhalt
Endocytose
Die Außenmembran faltet sich nach innen und fängt Material aus dem extrazellulären Bereich ein
ATP-abhängige Transporter für Mineralien befinden sich nur in der Plasmamembran, da sie da gegen den Konzentrationsgradienten Mineralien ausschleusen oder aufnehmen müssen.
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.
ATPasen und Kanal-Proteine können für erleichterte Diffusion sorgen.
Falsch:
ATPasen sind primär aktive Transporter, die unter ATP-Spaltung Substrate gegen den Konzentrationsgradienten befördern. Kanalproteine sorgen passiv für erleichterte Diffusion ohne Energieverbrauch.
Die Proteinkanäle dienen der erleichterten und energieunabhängigen Diffusion von Metaboliten oder Mineralien durch die Membran, können aber durch einen Schließmechanismus (“gating“) reguliert werden.
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.
Biomembranen sind selektiv permeabel. Sie lassen Ionen und Nährstoffe kontrolliert passieren, halten aber das Wasser in der Zelle zurück.
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.
Primäre und sekundäre aktive Membrantransportproteine unterscheiden sich durch die Wahl des Substrates, des beim Transport verbrauchten Energiebedarfs und durch die Proteinstruktur.
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.
