Virtuelle (Nano) Welten: Molekulare Nanomaschinen: Transport und Kommunikation

Eine wasserundurchlässige Lipid-Doppelschicht trennt das Zellinnere von der Umwelt ab. Auch das Zellinnere ist durch solche Membranen in verschiedene Kompartimente unterteilt. Nur kleine, hydrophobe Moleküle können diese Barriere ungehindert durchdringen, für Wassermoleküle, Ionen und die meisten Nährstoffe stellt diese Membran eine unüberwindliche Barriere dar, genauso wie für biologische Makromoleküle. Damit die Zelle trotzdem Nährstoffe aufnehmen, Abfallstoffe abscheiden und Substanzen zwischen den verschiedenen Kompartimenten in ihrem Innern verschieben kann, sind Proteine in die Membran eingelagert, die als Poren, Kanäle, Pumpen und Transporter spezifisch bestimmte Moleküle durch die Membran schleusen.

Das Protein Aquaporin (A) formt eine solche Pore. Sie lässt Wassermoleküle (H₂O) ungehindert und extrem schnell (10⁹Wassermoleküle pro Sekunde und Kanal) in beiden Richtungen passieren, ist aber so spezifisch, dass Hydroxyl- (OH^-) oder Hydronium-Ionen (H₃O⁺) nicht durchgelassen werden. Eine pH-Differenz zwischen den beiden Seiten der Membran bleibt also erhalten, auch wenn Wassermoleküle die Membran durchqueren.

Ionenpumpen bauen unter ATP-Verbrauch einen Unterschied der Na⁺ und K⁺- Ionenkonzentration auf: Na⁺ wird aus der Zelle hinausbefördert und im Zellinnern durch K⁺-Ionen ersetzt. Das dadurch aufgebaute Membranpotential liefert die Energie für eine Vielzahl von Transportvorgängen. Ionenkanäle sind Ionenspezifisch Durchlasspforten durch die Membran. So lässt der Kaliumkanal (B) im geöffneten Zustand K⁺-Ionen durch, Na⁺ Ionen jedoch nicht (PDB "Molekül des Monats # 38: Der Kalium-Kanal). Kanäle können durch unterschiedliche Signale geöffnet und wieder geschlossen werden. So werden Nervenreize durch das Oeffnen von Neurotransmitter-gesteuerten Ionenkanälen ausgelöst, und die Nervenleitung beruht auf dem durch eine Spannungsdifferenz ausgelöste Oeffnen von Spannungssensitiven Ionenkanälen. Der Mechanosensitive Kanal (C) reagiert auf eine Druckänderung. Ionenpumpen müssen nach dem so bewirkten Zusammenbruch des Membranpotential dieses wieder aufbauen. Die Muskelkontraktion wird durch die Freisetzung von Ca²⁺ aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum ausgelöst, eine ATP-getriebene Ca²⁺-Pumpe schafft die Ionen anschliessend wieder an ihren Ursprungsort zurück (Siehe PDB "Molekül des Monats # 51: Die Kalzium-Pumpe)

Gramicidin (D) ist ein von Bodenbakterien produziertes Antibiotikum, das Gram-positive Bakterien tötet, indem es ihre wahrscheinlich ihre Membran angreift. Porine (E) erlaubt den Transport von Substanzen durch die äussere Membran von Bakterien. Bakterielle Toxine wie zB das Anthrax-Toxin (PDB "Molekül des Monats # 28) formen ihre eigenen Kanäle durch die Zellmembran, um so die wirksame Komponente ins Zellinnere zu bringen

Transmembran-Rezeptoren transportieren keine Substanzen, sondern Informationen durch die Zellmembran. Viele Hormone binden an Rezeptoren auf der Zelloberfläche und aktivieren dadurch Enzyme im Innern der Zelle

Hier am Biochemischen Institut erforscht die Arbeitsgruppe von Prof. Raimund Dutzler die Struktur und Funktion der Chloridkanäle

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...Wikipedia: Ionenkanäle, Kaliumkanal, Natrium-Kalium-Pumpe