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Mindmap-Galerie Zellmembran und Stofftransport durch Membranen

Zellmembran und Stofftransport durch Membranen

Die Zellmembran besteht hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen, wobei es sich bei den Lipiden hauptsächlich um Phospholipide handelt, die das Grundgerüst der Zellmembran bilden. Proteine sind in die Phospholipiddoppelschicht eingebettet oder durchdringen sie und erfüllen eine Vielzahl von Funktionen.

Bearbeitet um 2024-10-31 08:47:18

_OwenPK

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Zellmembran und Stofftransport durch Membranen

Die Zellmembran (Plasmamembran) ist ein dünner Film, der die Oberfläche des Zytoplasmas bedeckt

Plasmamembran- und Biofilmsysteme werden zusammenfassend als Biofilme bezeichnet

Intrazelluläres Membransystem: allgemeiner Begriff für Modellstrukturen innerhalb von Zellen, die über bestimmte Verbindungen verfügen.

Abschnitt 1 Chemische Zusammensetzung und biologische Eigenschaften der Zellmembran

Membranlipide

Phospholipide

Glycerophospholipid

Phosphatidylcholin (Lecithin)

Phosphatidylethanolamin. Cephalin

Phosphatidylserin

Phosphatidylinositol befindet sich in der inneren Schicht der Plasmamembran und kommt in der Membranstruktur weniger häufig vor, spielt jedoch eine wichtige Rolle bei der Zellsignalisierung.

Mit Glycerin als Gerüst bilden die Hydroxylgruppen an den Positionen 1 und 2 des Glycerinmoleküls Esterbindungen mit Fettsäuren und die Hydroxylgruppe an Position 3 bildet Esterbindungen mit der Phosphatgruppe. Phospholipidmoleküle werden amphipathische Moleküle oder amphotere Moleküle genannt, weil sie einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz haben.

Die kleine hydrophile Gruppe und die Phosphatgruppe sind stark polar und werden als Kopfgruppe bezeichnet

Fettsäureketten sind hydrophob und unpolar und werden hydrophobe Schwänze genannt

Sphingomyelin

Das einzige Phospholipid auf der Zellmembran, das kein Glycerin als Rückgrat verwendet, hat einen geringeren Membrangehalt und einen höheren Neuronenzellmembrangehalt.

Anstelle von Glycerin wird Sphingosin verwendet. Die eine Hydroxylgruppe am Ende des Moleküls ist an das Cholinphosphat gebunden, die andere freie Hydroxylgruppe bildet mit dem polaren Kopf des benachbarten Moleküls Wasserstoff Lipidmoleküle, Wassermoleküle und Membranproteine

Cholesterin

amphipathisches Molekül

Der Polkopf ist eine Hydroxylgruppe und die Mitte ist ein Sterolring, der mit einem kurzen hydrophoben Kohlenwasserstoffkettenschwanz verbunden ist.

Die Hydroxylgruppe befindet sich in der Nähe des polaren Kopfes des Phospholipidmoleküls, der Sterolring ist an der Kohlenwasserstoffkette in der Nähe des Kopfes fixiert und der Schwanz der Kohlenwasserstoffkette ist in der Mitte der Lipiddoppelschicht vergraben.

Cholesterin ist tendenziell gleichmäßig zwischen den Lipiddoppelschichten verteilt

Glykolipide

Bakterien- und Pflanzenzellen bestehen aus Lipiden und Oligosacchariden und sind Derivate von Glycerophospholipiden (hauptsächlich Phospholipidcholin), und tierische Zellmembranen bestehen fast ausschließlich aus Derivaten von Sphingosin, den sogenannten Glycosphingolipiden.

鞘糖脂特点：糖基取代了磷脂酰胆碱作为极性的头部。

Cerebrosid, das einfachste und wichtigste Glykolipid im Myelin

Ganglioside kommen am häufigsten in der Plasmamembran von Neuronen vor

Sie befinden sich alle auf der nicht-zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran und die Zuckergruppen liegen auf der Zelloberfläche frei.

Membranlipide

Existenzform im Experiment

1. Kugelförmiger Molekülcluster

2. Doppelschicht

Merkmale als ideale Struktur für Biofilme

1. Bilden Sie eine Barriere, die zwei wasserlösliche Umgebungen trennt

2. Kontinuierlich, mit der Tendenz, mit sich selbst zu verschmelzen und einen geschlossenen Hohlraum zu bilden.

3. Weich und verformbar

Membranprotein

Intrinsisches Membranprotein, auch Transmembranprotein genannt, amphipathisches Molekül

Bei einer einzelnen Membranüberquerung durchquert die Alpha-Helix-Konformation den hydrophoben Bereich der Lipiddoppelschicht. Im Allgemeinen befindet sich das N-Segment der Peptidkette auf der Außenseite der Zellmembran.

mehrere Membranpiercings

Transmembranprotein mit mehreren Untereinheiten

eine Helix-Konformation

Beta-Röhren durchdringen Membranen und kommen hauptsächlich in Mitochondrien, Chloroplasten-Außenmembranen und bakteriellen Plasmamembranen vor.

Die Röhre ist von mindestens 8 und bis zu 22 Betaketten umgeben, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind.

Membranextrinsische Proteine, auch periphere Proteine genannt, sind Proteine, die lose an die Zellmembran gebunden sind und nicht in die doppelte Lipidschicht eindringen. Sie sind auf der zytoplasmatischen Seite oder der extrazellulären Seite der Plasmamembran verteilt.

Einige nutzen nichtkovalente Bindungen (z. B. schwache elektrostatische Wechselwirkungen) im polaren Bereich des Kopfes von Lipidmolekülen oder auf der hydrophilen Seite membrandurchdringender Proteine.

Einige periphere Proteine befinden sich auf der zytoplasmatischen Seite der Membran und werden an die Membran gebunden, indem sie über die hydrophobe Seite der α-Helix, die auf der Proteinoberfläche freiliegt, mit der Monoschicht der zytoplasmatischen Seite der Lipiddoppelschicht interagieren.

Lipidverankerte Proteine, Adiponektine, können sich auf beiden Seiten der Membran befinden und kovalent an Lipidmoleküle in der Lipiddoppelschicht binden.

Es befindet sich auf der zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran und ist durch die Bildung kovalenter Bindungen mit bestimmten Amylketten oder Isoprenylgruppen in der Lipiddoppelschicht direkt verankert.

Proteine, die sich außerhalb der Plasmamembran befinden, werden durch kovalente Bindung an Oligosaccharidketten verankert, die mit Phosphatidylinositol-Molekülen in der äußeren Schicht der Lipiddoppelschicht verbunden sind. Sie werden auch Glycosylphosphatidylinositol-verankerte Proteine genannt.

Waschmittel

SDS-Ionentyp

Der hydrophobe Bereich des Detergensmoleküls ersetzt das Phospholipidmolekül und bindet an den hydrophoben Bereich des membrandurchdringenden Proteins. Er bindet auch an den hydrophoben Schwanz des Phospholipidmoleküls und trennt so das membrandurchdringende Protein vom Phospholipidmolekül.

Nichtionisches Reinigungsmittel TritonX-100

Sein polares Segment ist ungeladen und wirkt ähnlich wie SDS, jedoch milder.

Membranzucker

93 % der Zucker werden mit Membranproteinen in Form von Oligosaccharid- oder Polysaccharidketten verbunden, um Glykoproteine zu bilden, gefolgt von Serin- und Threoninresten und häufig an mehreren Positionen gleichzeitig.

Die meisten Membranproteine tragen mehrere Oligosaccharidketten

7 % der Membranzucker sind als Oligosaccharidketten kovalent an Membranlipide gebunden und bilden Glykolipide.

Jedes Glykolipidmolekül trägt nur eine Oligosaccharidkette

Zellmantel oder Glykokalyx

Eine kohlenhydratreiche periphere Zone auf der Oberfläche der meisten eukaryotischen Zellen

Heutzutage bezieht sich der Begriff „extrazelluläre Hülle“ im Allgemeinen auf die mit der Plasmamembran verbundenen Kohlenhydratsubstanzen, d Teil der Plasmamembran. Die extrazelluläre Hülle, die nicht mit der Plasmamembran verbunden ist, wird als extrazelluläres Material oder extrazelluläre Struktur bezeichnet.

Die grundlegende Funktion besteht darin, Zellen vor verschiedenen physikalischen und chemischen Schäden zu schützen. Außerdem kann es eine ausgeglichene Wasser-Salz-Mikroumgebung um die Zellen herum aufbauen und an der Zellerkennung, -adhäsion und -migration beteiligt sein.

Die biologischen Eigenschaften von Zellmembranen sind Asymmetrie und Fließfähigkeit

(1) Die Membranasymmetrie bestimmt die Richtung der Membranfunktion

Membran-Lipid-Asymmetrie

In der Lipiddoppelschicht verteilt

Äußere Schicht

Sphingomyelin und Phosphatidylcholin

innere Schicht

Phosphatidylethanolamin

Phosphatidylserin

Phosphatidylinositol

Membranproteinasymmetrie

Membranzuckerasymmetrie

Zellmembran-Glykolipide und Glykoprotein-Oligosaccharidketten sind nur auf der Außenfläche der Plasmamembran verteilt. Im inneren Membransystem sind Oligosaccharidketten auf der Innenfläche der Membranhöhle verteilt.

Sie steht in engem Zusammenhang mit der Richtungsabhängigkeit und Asymmetrie der Membranfunktion und gewährleistet deren hohes Maß an Ordnung.

(2) Die Fluidität der Membran ist die Garantie für die funktionellen Aktivitäten der Membran

Die Lipiddoppelschicht ist eine zweidimensionale flüssigkristalline Flüssigkeit

Phasenwechsel

Phasenwechseltemperatur

Wie sich Membranlipidmoleküle bewegen

Seitliche Diffusion, Hauptbewegungsart

Wendebewegung

Rotationsbewegung

Biegebewegung

Faktoren, die die Membranflüssigkeit beeinflussen

Sättigungsgrad der Fettsäurekette

Der ungesättigte Typ wird als linearer Typ bezeichnet, hat die größte Aggregationstendenz und ist dicht in einem Gelzustand angeordnet.

Die Ungesättigtheit biegt sich an der Doppelbindung und ist locker angeordnet, was die Fließfähigkeit erhöht.

Je ungesättigter es ist, desto niedriger ist die Phasenübergangstemperatur.

Die Länge der Fettsäurekette

Je kürzer die Länge, desto größer die Fließfähigkeit und desto niedriger die Phasenübergangstemperatur.

Doppelte regulatorische Wirkung von Cholesterin

Stabilisiert nicht nur die Plasmamembran, sondern verhindert auch einen plötzlichen Flüssigkeitsverlust

Verhältnis von Lecithin zu Sphingomyelin

Ein hoher Sphingomyelingehalt verringert die Fließfähigkeit

Wirkung von Membranproteinen

Schnittstellenfett

Fettreicher Bereich

Motilität von Membranproteinen

seitliche Diffusion

Rotationsbewegung

3. Multimolekulares Strukturmodell der Zellmembran

1) Blattstruktur

Zwei Schichten aus Phospholipidmolekülen, wobei die Innen- und Außenflächen von einer Schicht aus kugelförmigen Proteinmolekülen bedeckt sind und eine Protein-Phospholipid-Protein-Dreifachschichtstruktur bilden.

2) Einheitsmembranmodell

Es wird angenommen, dass die Proteine auf beiden Seiten der molekularen Lipiddoppelschicht nicht kugelförmig sind, sondern einzelne Peptidkettenproteine in Form von B-Faltblättern sind, die durch elektrostatische Wechselwirkungen an die polaren Enden von Phospholipiden binden.

3) Fließmosaikmodell

Die Lipiddoppelschicht in der Membran stellt den zusammenhängenden Hauptkörper der Membran dar, der die Ordnung einer kristallinen Molekülanordnung und die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit aufweist. Proteine in der Membran verbinden sich auf unterschiedliche Weise mit der Lipiddoppelschicht. Es handelt sich um eine dynamische, asymmetrische und fließende Struktur

Gitter-Tessellationsmodell

Das Mosaikprotein und die umgebenden Lipidmoleküle bilden einen kristallinen Teil der Membran, der flüssig ist.

Plattenmosaikmodell

In der fließenden Lipiddoppelschicht gibt es Lipidplatten unterschiedlicher Größe und höherer Steifigkeit, die sich unabhängig voneinander bewegen können.

4) Lipid-Raft-Modell

Die membranöse Doppelschicht enthält Mikrodomänen, die aus speziellen Lipiden und Proteinen bestehen, reich an Cholesterin und Sphingolipiden sind und Lipidflöße genannt werden.

Lipid-Rafts bilden eine effektive Plattform mit zwei Eigenschaften: Viele Proteine sammeln sich in Lipid-Rafts, um Wechselwirkungen zu ermöglichen, und bieten eine Umgebung, die der Proteinallosterie förderlich ist und effektive Konformationen bildet.

Funktionen, die an der Signalübertragung, der rezeptorvermittelten Endozytose und dem Cholesterinstoffwechseltransport beteiligt sind.

Abschnitt 2 Transport kleiner Moleküle und Ionen durch Membranen

1. Die einfache Diffusion von Stoffen hängt von der Permeabilitätsselektivität der Membran ab

Je kleiner das Molekulargewicht, desto stärker ist die Lipidlöslichkeit und desto schneller passiert es die Lipiddoppelschicht.

Unterthema

Ein ungeladenes polares kleines Molekül, das so schnell ist

Es ist äußerst undurchlässig für aufgeladene Stoffe

Unpolare kleine Moleküle wie Sauerstoff und andere Gase. schnell

Größere Moleküle wie Glycerin. Langsam, kaum genug Glukose

Einfache Diffusion, auch passive Diffusion genannt

2. Membrantransportproteine vermitteln den Stofftransport durch Membranen

Membrantransportprotein

Trägerprotein

Kann sowohl passiven als auch aktiven Transport vermitteln

Kanalprotein

Passiver Transport

Entlang des Konzentrationsgradienten

entlang des elektrochemischen Gradienten

1) Erleichterte Diffusion ist ein passiver Transport, der durch Trägerproteine vermittelt wird

Hochspezifisch, Beispiel: Glukose.

Die beiden Konformationen des Trägerproteins ändern sich abwechselnd, um den Prozess der mehrfachen Penetration des Membranproteins abzuschließen.

Die Geschwindigkeit der erleichterten Diffusion ist innerhalb einer bestimmten Grenze proportional zum Konzentrationsunterschied des gelösten Stoffes. Wenn die Diffusionsgeschwindigkeit ein bestimmtes Niveau erreicht, wird sie nicht mehr von der Konzentration beeinflusst. Die Geschwindigkeit der einfachen Diffusion ist immer proportional zum Konzentrationsunterschied.

2) Aktiver Transport ist der energieaufwendige Transport von Trägerproteinen entgegen dem Konzentrationsgradienten.

ATP-gesteuerte Pumpen sind allesamt Transmembranproteine

Ionenpumpe vom P-Typ

Um Kationen zu transportieren, haben sie alle zwei große Untereinheiten (a-Untereinheiten) und die meisten haben zwei kleine b-Untereinheiten. Mindestens eine katalytische Untereinheit durchläuft Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen.

1) Na-K-Pumpe

Das Molekulargewicht der Untereinheit A beträgt 120 kD. Es handelt sich um ein integrales Protein, das die Membran mehrfach durchdringt und ATPase-Aktivität aufweist. Die B-Untereinheit hat ein Molekulargewicht von 50 kDa und ist ein gewebespezifisches Glykoprotein. Sie ist nicht direkt am Transmembrantransport von Ionen beteiligt, kann aber bei der Faltung der beiden Untereinheiten helfen. der Verlust der Enzymaktivität der A-Untereinheit.

Aspartatreste binden kovalent an Phosphorylat

Dabei werden 3 Na freigesetzt und 2 K gewonnen

Na-K-Pumpenhemmer Ouabainin

2) Ca-Pumpe

Hydrolysiere ein ATP und transportiere 2 Ca entgegen der Konzentration hinein

Protonenpumpe vom V-Typ

Saures Membrankompartiment eukaryontischer Zellen

H-Ionen transportieren

Erfordert ATP-Funktion, bildet aber keine Phosphorylierungszwischenprodukte

Protonenpumpe vom F-Typ

Bakterielle Plasmamembran, mitochondriale Innenmembran, Chloroplastenmembran

Erfahren Sie mehr über Protonentransport und ATP-Synthese

ABC-Transporter

Transportprotein

Ausscheidung von Toxinen, Xenobiotika und Metaboliten in Urin, Galle und Darmlumen

2 Transmembrandomänen T und 2 zytoplasmatische ATP-Bindungsdomänen

Flippase-Modell

Mittransport

Gesamttransport

Zwei gelöste Moleküle werden in der gleichen Richtung durch die Membran transportiert

Gegenüber Transport

Ein Prozess, bei dem dasselbe Membranprotein zwei verschiedene Ionen oder Moleküle in entgegengesetzte Richtungen durch die Membran transportiert.

Merkmale: 1. Kleine Molekülsubstanzen werden gegen die Konzentration oder den elektrochemischen Gradienten transportiert. 2. Es muss Energie verbraucht werden, die durch den elektrochemischen Gradienten der Ionen erzeugt wird spezifisches Trägerprotein auf der Membran.

3) Ionenkanäle transportieren effizient verschiedene Ionen

Kanalprotein, auch Ionenkanal genannt

Merkmale: 1. Passiver Transport, der Kanal ist bidirektional, der Nettofluss der Ionen hängt vom elektrochemischen Gradienten ab und wird während des Prozesses nicht mit gelösten Molekülen kombiniert. 2. Er ist hochselektiv für die Größe und Ladung der transportierten Ionen. 3. Hohe Transportrate. 4. Die meisten Ionenkanäle sind nicht ständig geöffnet

Typ

1. Ligandengesteuerte Kanäle

Acetylcholinrezeptor

2. Spannungsgesteuerter Kanal

Änderungen im Membranpotential sind der direkte Faktor, der das Öffnen und Schließen spannungsgesteuerter Kanäle steuert.

1) Struktur des K-Ionenkanals

Ein einzelner Kanal besteht aus vier identischen a-Untereinheiten. Das N-Segment der A-Untereinheit bildet eine kugelförmige Region im Zytoplasma. Das H5-Fragment bleibt in der Mitte des Kanals hängen und bildet eine ausreichend große Schleife aus Resten.

2) Schaltmechanismus des K-Kanals

Kugel- und Kettenmodell

3) Selektivität des K-Kanals

Umgekehrt konische Pore, selektiver Filter

Elektronegative Sauerstoffatome interagieren, um Wassermoleküle in der Hydratationsschicht zu ersetzen und so einen Energieausgleich zu ermöglichen. Mithilfe der elektrostatischen Abstoßung kann K entlang des elektrochemischen Gradienten schnell durch die Pore gelangen.

3 mechanisch gesteuerte Kanäle

Das Kanalprotein erkennt äußere Kräfte, die auf die äußere Zellmembran einwirken, und unterliegt Konformationsänderungen.

Ionentransport durch Membranen und Membranpotential

1) Ruhepotential

Polarisation

Determinanten des Ruhepotentials

Eine davon ist das Diffusionspotential, das durch das Elektroosmose-Phänomen von Ionen entlang des Konzentrationsgradienten verursacht wird.

Der andere ist der Membranpotentialunterschied, der durch die Na-K-Pumpe verursacht wird

2) Vermittlung von Aktionspotentialen

Da die Abnahme des Membranpotentials zu einer Abnahme der Polarität auf beiden Seiten der Membran führt, wird dieses Phänomen Depolarisation genannt.

überschreitet den Schwellenwert

Aktionspotenzial

Hyperpolarisierung

4) Wasserkanal (AQP)

1. Klassifizierung von Wasserkanälen

Kann nur Wasser 1, 2, 4, 5, 6, 8 überqueren

Wasser, Glycerin und Harnstoff usw. – Wasser-Glycerin-Kanal 3, 7, 9, 10

11, 12 Der dritte Typ der AQP-Unterfamilie

2. Struktur von Aquaporin

Ein Tetramer, umgeben von vier symmetrisch angeordneten zylindrischen Untereinheiten. In der Mitte jeder Untereinheit befindet sich eine zentrale Pore, die nur Wassermoleküle durchlässt. 6 lange A-Helices, 2 kurze Helices, NPA-Motiv.

3. Der Abschirmungsmechanismus von Wassermolekülen durch Wasserkanäle

1. Der Durchmesser des zentralen Porenkanals von AQP 1 begrenzt den Durchgang von Molekülen, die größer als Wassermoleküle sind.

2. Kontrolle der Bindungsstellen für gelöste Stoffe in der zentralen Pore von AQP1. Die Energie im Dehydrierungsprozess wird kompensiert.

Es wird allgemein angenommen, dass Wasserkanäle Proteine sind, die sich in einem ständig geöffneten Zustand befinden.

Abschnitt 3 Transport von Makromolekülen und Substanzen durch Membranen

1. Endozytose

1) Phagozytose ist der Prozess der Aufnahme von Partikeln durch Phagozyten

Die durch Phagozytose gebildeten Membranvesikel werden Phagosomen oder Phagosomen genannt

2) Pinozytose ist der Prozess, bei dem Zellen Flüssigkeiten und lösliche Substanzen verschlingen

Der Prozess der unspezifischen Aufnahme extrazellulärer Flüssigkeit durch Zellen. Wenn eine bestimmte lösliche Substanz um die Zellen herum ein bestimmtes Niveau erreicht, kann es zu einer Pinozytose kommen.

Pinozytosom

Flüssige Phase verschluckt sich gegenseitig

unspezifische intrinsische Endozytose

Adsorptionsendozytose

Große Moleküle oder kleine Partikel werden zunächst auf irgendeine Weise an der Zelloberfläche adsorbiert

Nach dem Eintritt in die Zelle fusioniert es mit Endosomen oder Lysosomen und wird abgebaut.

3) Die rezeptorvermittelte Endozytose verbessert die Effizienz der Aufnahme bestimmter Substanzen

Spezifische Aufnahme von Komponenten mit sehr geringem extrazellulärem Gehalt

1. Die Bildung von Hautzellen und Bläschen

Rezeptoren sind in bestimmten Bereichen der Plasmamembran, den sogenannten Vesikeln, konzentriert. Es gibt Follikel, die als selektive Rezeptoren fungieren. Die Innenfläche der Plasmamembran in der Vertiefung ist mit einer stacheligen Schicht aus elektronendichtem Material bedeckt, darunter Clathrin und Adapterproteine.

Extrazelluläre gelöste Stoffe (Liganden) binden an Rezeptoren an beschichteten Grübchen, und Clathrin reichert sich auf der zytoplasmatischen Seite der beschichteten Grübchen an, stülpt sich weiter ein, trennt sich von der Plasmamembran und bildet beschichtete Vesikel, um in die Zelle einzudringen. Die äußere Oberfläche ist mit Vesikeln bedeckt und besteht aus einer käfigartigen Korbstruktur aus Clathrin.

Clathrin besteht aus 3 schweren Ketten und 3 leichten Ketten. ——Trileg-Proteinkomplex.

Die Hauptfunktion besteht darin, die Plasmamembran nach innen zu ziehen und einzudrücken

Adapterprotein

Beteiligen Sie sich an der Gestaltung des Umschlags und dienen Sie als Bindeglied. Kann spezifisch an verschiedene Arten von Rezeptoren binden.

Clathrin hat keine Spezifität und seine Spezifität wird durch Adapterproteine reguliert.

2. Es werden keine Vesikel gebildet und mit Endosomen fusioniert

Clathrin spielt eine Rolle bei der Grübchenbildung

Beteiligung des kleinen Moleküls GTP-bindendes Protein Dynamin.

Fallen ab und bilden keine Bläschen

Bindet an frühe Endosomen

Endosom ist ein von einer Membran umgebenes Organell, das im tierischen Zytoplasma durch Endozytose gebildet wird. Seine Funktion besteht darin, neu aufgenommene Substanzen durch Endozytose zum lysosomalen Abbau zu transportieren.