Zusammenfassung: Aufgaben der Membranproteine
Beachte: Hier werden einige Funktionen der Membranproteine für die Abiturvorbereitung zusammengefasst. Ihre Aufgabe wird also erst in folgenden Kapiteln verständlich. (Nerven, Synapsen, Hormone, Sehvorgang, Immunreaktion..) 
Die wichtigsten Aufgaben der Proteine in Biomembranen sind:

1) Proteine, die die Membranpassage für bestimmte Stoffe (Ionen, Moleküle) kontrolliert ermöglichen sollen. 

2) Proteine, die als Rezeptoren chemische Signalstoffe erkennen sollen und direkt ( z.B. Durchlässigkeits-Änderung der Membran) oder indirekt (second-messenger-Prinzip) eine Reaktion auslösen sollen. 

3) Proteine, die die Kommunikation zwischen Zellen ermöglichen sollen:
      z.B. Erkennung von eigenen und fremden Zellen . Rezeptoren zur Identifikation von "fremd" und "selbst" 
zu1a) passiver Transport: kontrollierte erleichterte Diffusion entlang eines Konzentrationsgefälles
chemisch gesteuert : z.B. ACh-Rezeptor-gesteuerte Na+-Kanäle in der postsynaptischen Membran, Hormonrezeptoren in der Membran der Zielzellen 
spannungsgesteuert: Na+-Kanäle und K+-Kanäle in der Axonmembran
Erkennungszeichen: Keine ATP-Abhängigkeit , Transport nur Richtung abnehmender Konz., 
Membran-Proteine, die die Diffusion erleichtern: Kanalvermittelte Diffusion z.B.  Ionenkanäle
Sehr kleine Moleküle wie Wasser, O2, CO2  oder unpolare Moleküle können direkt durch den beweglichen Lipidfilm diffundieren. Elektrisch geladene Ionen und größere polare Moleküle (z.B. Glukose) können die unpolare Membran jedoch sehr schlecht passieren. Hier sind Membran"poren" bzw. "Kanäle" aus Protein nötig. Die Aminosäure- Bausteine sind für diesen Zweck ideal: Es gibt "unpolare" Aminosäuren, das sind Aminosäuren mit hydrophobem Seitenrest und "polare" Aminosäuren mit hydrophilen Seitenresten. In der Sekundärstruktur bilden Proteine eine Schraubenform (Helix), in der diese Seitenreste nach außen zeigen und die Wasserlöslichkeit bestimmen. Um als "Tunnel" in der lipophilen Membran verankert zu sein, muss der Mittelteil aus Helices mit ca. 20 hydrophoben Aminosäuren bestehen. (siehe Skizze) Die "Auskleidung" der Pore kann ebenfalls polar oder unpolar gestaltet sein. Eine hydrophile Pore für Ionen muss also zusätzlich innen mit Helices aus polaren Aminosäuren ausgekleidet sein.
Skizze: Membranprotein aus 4 Untereinheiten räumlich gesehen:

Rezeptor gesteuerte = Chemisch gesteuerte Membrankanäle:  z.B. Na+-Kanäle mit Acetylcholin-Rezeptor in der postsynaptischen Membran.
Hier muss zusätzlich ein allosterisches Zentrum vorhanden sein, das ein Botenmolekül nach dem "Schlüssel -Schloss -Prinzip" bindet. Dadurch ändert sich die Raumstruktur des Proteins so, dass der Kanal geöffnet wird. (Siehe Skizze)

Der Acetylcholin-Rezeptor ist mit einem Ionenkanal gekoppelt, der sich nur öffnet, wenn Neurotransmitter-Moleküle (Acetylcholin) angelagert sind.
Spannungsgesteuerte Membrankanäle: z.B. Na+-Kanäle und K+-Kanäle in der Axonmembran
Bei spannungsgesteuerten Kanälen spielen Aminosäuren mit geladenen Seitenresten eine entscheidende Rolle (Aminosäuren mit zusätzlicher Amino- oder Carboxylgruppe). Bei Änderungen der Membranspannung kommt es zu Abstoßungs- bzw. Anziehungskräften. Dies bewirkt eine Änderung der Raumstruktur à Öffnung/Schließung des Kanals.
aktuell: Pressemitteilung der Nobelstiftung, 8.10.2003
Chemienobelpreise für Entdeckungen auf dem Gebiet der Membranproteine
Den diesjährigen Chemie-Nobelpreis teilen sich die Amerikaner Peter Agre und Roderick MacKinnon. Beide wurden für ihre Arbeiten auf dem Gebiet der Membranproteine geehrt. Das sind spezialisierte Eiweiße, die für den Transport von Molekülen durch die Zellmembranen verantwortlich sind. Agre (Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore) erhielt den Preis für die Entdeckung des "Wasserkanals", der den Transport von Wassermolekülen zulässt. MacKinnon (Howard Hughes Medical Institute der Rockefeller University in New York) erhielt den Preis für die Bestimmung der räumlichen Struktur eines "Kaliumkanals". Dank MacKinnons Arbeit kann man die Strömung der Ionen durch Kanäle, die mittels verschiedener Signale in der Zelle geöffnet und geschlossen werden, einzeln messen. Ionenkanäle sind unter anderem für die Signalleitung des Nervensystems und die Funktion der Muskeln von großer Bedeutung.
zu 1b)
aktiver Transport: Energie bedürftiger Transport gegen ein Konzentrationsgefälle
Ionenpumpen z.B.Na+-K+-Pumpe,  H+-Transport aus der Mitochondrien-Matrix, Glukose-Transport in die Darmzellen, H+-Abgabe in den Magen. 
Erkennungzeichen: ATP-Abhängigkeit (Gifte!), Anhäufung gegen ein Konz.gefälle, RGT-Regel
zu 2) Die Mehrzahl der Hormone wirkt als Signalstoffe, die von einem Membranrezeptor gebunden werden und dadurch eine intrazelluläre Signalkaskade auslösen, die als 2nd messenger (zweiter Botenstoff) bezeichnet wird z.B. Adrenalin, Glucagon..      
Als second messenger = zweite Botenstoffe werden Stoffe bezeichnet, die ein extrazelluläres Signal in Stoffwechseländerungen der Zielzelle umsetzen. (Signaltransduktion) Da z.B. ein Hormonmolekül viele hundert Moleküle des zweiten Botenstoffes auslöst, bewirken sie dabei einen Signal-Verstärkungseffekt.
Beispiel: Das Hormon Adrenalin löst in der Zielzelle die Bildung von cAMP aus, das Enzyme zum Abbau von Glykogen zu Glukose aktiviert.
Der bekannteste second messenger ist das cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat). Es bewirkt, dass über Zwischenreaktionen Enzyme aktiviert werden, die wichtige Stoffwechselschritte starten.

Auch beim Riech- und Sehvorgang ist das second-messenger-Prinzip wirksam.
Das Membranprotein Opsin  in den Sehsinneszellen ist eine Besonderheit, da es zusammen mit dem Sehfarbstoff cisRetinal nicht auf ein chemisches Signal reagiert, sondern auf die elektromagnetische Energie eines Lichtstrahls.

 Schema:  Chemoelektrische Auslösung einer Erregung in Riechsinneszellen

 Fragen dazu: siehe unten

Beispiele für das second-messenger-Prinzip:

Neurotransmitter
Hormone
Riechrezeptoren s.o.
Licht

 

zu 3) Membranproteine als Rezeptoren zur Erkennung anderer Zellen
a) Zur Abwehr
Alle kernhaltigen Zellen besitzen in der Membran integrale Proteine (MHC I - Proteine), die der Unterscheidung von "fremd" und "selbst" dienen. Jede Körperzelle präsentiert auf diesen Proteinen ihrer Umgebung einen Satz von selbst synthetisierten Peptiden, durch den sie sich gegenüber der Immunabwehr als "selbst" ausweist. (Selbst-Signatur) Ist die Zelle von Viren befallen oder ist sie zu einer Krebszelle entartet oder ist sie aus einem körperfremden Transplantat, dann unterscheidet sich ihr präsentiertes Peptid-Muster von dem der gesunden Körperzellen und die fremden Zellen können eliminiert werden. Man nennt sie MHC I - Proteine, weil sie im Rahmen der Transplantationsforschung entdeckt wurden (major histocompatibility complex =Hauptgewebeverträglichkeitskomplex).
Bei den Immunzellen gibt es noch zusätzliche Membran-Proteine:
B- und T-Zellrezeptoren: Antikörperähnliche Proteine, die durch genetische Rekombination in riesiger Vielfalt vorkommen und mit fremden Strukturen reagieren. B-und T-Zellrezeptor
Zusätzlich gibt es noch die MHC II -Proteine. Sie sind nur bei  Zellen des Immunsystems zu finden (B-Lymphozyten und Makrophagen) und dienen der Präsentation fremder Antigene.
(siehe Immunsystem)

Beispiel: Reaktion einer T-Killerzelle mit einer Virus infizierten Körperzelle
b) zur Nahrungsaufnahme (oder Viren ect. )àEndocytose (Phagocytose)
    Zur Aufnahme großer Nahrungspartikel genügen Membranporen nicht mehr! Hier muss die Zelle einen völlig anderen Mechanismus anwenden: Sie stülpt ihre Membran samt Partikel nach innen ein und schnürt sich als Vesikel ab. Ergebnis ist ein "Nahrungsbläschen", dessen Inhalt durch Verschmelzung mit Verdauungsvesikeln chemisch zerlegt werden kann. Grippeviren, die den "Schlüssel" zu unseren Rezeptoren auf der Zelloberfläche besitzen, werden so fälschlich in die Wirtszelle geholt.
Schema: Endocytose

Fragen:
1) Von einem unbekannten Membran-Protein  mit 138 Aminosäuren wird die Aminosäuresequenz bestimmt und die ermittelten Aminosäuren werden graphisch nach ihrer Polarität geordnet. Ein solcher "Hydrophobizitäts"-Plot ist in Abb. 1 dargestellt.
Wie ist dieses Protein vermutlich in der Membran verankert. Begründung!

2) Fragen zur Riechzelle:

c-AMP beeinflusst nicht nur Ionenkanäle, sondern es aktiviert auch Proteinkinasen, die auf die Rezeptorproteine hemmend einwirken. Messungen des intrazellulären c-AMP-Spiegels in den Cilien von Riechsinneszellen haben ergeben, dass dieser

- zu Reizbeginn lawinenartig ansteigt;

- bei gleichbleibender Duftstoffkonzentration rasch abnimmt.

a) Entwickeln Sie eine Hypothese, wie es trotz gleichbleibender Duftstoffkonzentration zum Abfall des c-AMP-Spiegels und des Rezeptorpotenzials kommt.   

c-AMP wird im vorliegenden Fall aus ATP gewonnen.

b) Welche Rolle spielt das ATP im Stoffwechsel? Verdeutlichen Sie diese Rolle an Hand eines selbstgewählten Beispiels.  

3) Glukose ist für die Zellen einer er wichtigsten Rohstoffe für die Energiegewinnung. Die Aufnahme dieses Moleküls aus dem Darm in die Dünndarmzellen, die Weitergabe aus den Dünndarmzellen in die Blutbahn und von dort die Aufnahme in die Körperzellen ist deshalb für die medizinische Forschung von großer Bedeutung. Die beiden folgenden Grafiken dienen der Aufklärung des Transportmechanismus in den Dünndarmzellen.
a) Beschriftung der Organellen der Dünndarmzellen.
b) Begründung der Mikrovilli à (Struktur-Funktion)
c) Abb.2 zeigt die Glukoseaufnahme (Resorption) aus dem Darm in Abhängigkeit von der Konzentration eines Mitochondrien-Giftes (Hemmstoff der Zellatmung). 
Abb.3 zeigt die Abhängigkeit des Glukose-Übertrittes ins Blut in Abhängigkeit von der Glukosekonzentration in der Dünndarmzelle.

Welche Erkenntnisse bezüglich des Glukosetransports in die Dünndarmzelle bzw. aus der Zelle heraus erlauben diese beiden Grafiken? Begründen Sie Ihre Schlussfolgerungen. 

4) Die Glukose wird von Körperzellen aus dem Blut aufgenommen und entweder zur Energiegewinnung aerob oder anaerob dissimiliert, oder als Glykogen gespeichert. Bei Bedarf, z.B. in Stress-Situationen oder bei Hunger wird die Glukose dann durch Glykogen-Abbau mobilisiert und in das Blut abgegeben. Dabei spielen Transmitter und hormonelle Signalstoffe eine entscheidende Rolle: Insulin für die Glukose-Aufnahme und Adrenalin (Glucagon) für die Glukose-Mobilisierung. Für eine Leberzelle wurde wie in Aufgabe 3 untersucht, welche Transportmechanismen hier wirksam sind.

a) Abb.1 zeigt ein Schema zur Glukose-Aufnahme, Abb. 2 zur Glukose-Mobilisierung und -Abgabe ins Blut. Welche Schlüsse bezüglich Transportmechanismus bei Glukose-Aufnahme bzw. -Abgabe ziehen Sie aus den beiden vereinfachten Schemata? Welche Rolle spielen die Hormone?

b) Entwerfen Sie für den Weg der Glukose vom Darm bis in die Leberzelle eine schematische Skizze aus der die Art des Transports sichtbar wird. 

Lösungsvorschlag:

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