Vom Tensid zur Biomembran
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Formale Metadaten
| Titel |
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| Alternativer Titel |
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| Serientitel | ||
| Anzahl der Teile | 163 | |
| Autor | ||
| Lizenz | CC-Namensnennung - keine Bearbeitung 4.0 International: Sie dürfen das Werk in unveränderter Form zu jedem legalen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. | |
| Identifikatoren | 10.5446/50311 (DOI) | |
| Herausgeber | 05jdrrw50 (ROR) | |
| Erscheinungsjahr | ||
| Sprache |
Inhaltliche Metadaten
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| Schlagwörter |
Beilstein TV145 / 163
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TensidBiomembranMembran
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Semipermeable MembranMembranNährstoffChemische KommunikationPermeabilitätBesprechung/Interview
00:27
NährstoffChemische KommunikationBesprechung/Interview
00:38
Chemischer ProzessMembranBiomembranBesprechung/Interview
00:45
MembranComputeranimationBesprechung/Interview
00:52
BiomembranBesprechung/Interview
01:04
MembranproteineBiomembranLipideBesprechung/Interview
01:16
LipideBesprechung/Interview
01:27
MembranChemischer ProzessSiliciumPoreBiomembranBesprechung/Interview
02:03
PoreMembranBesprechung/Interview
02:10
PoreLipideMembranComputeranimation
02:24
Computeranimation
02:38
Mechanische EigenschaftMembranBesprechung/InterviewChemisches Experiment
02:47
MembranTechnische ZeichnungDiagramm
02:56
EnzymsubstratBesprechung/Interview
03:05
Chemisches Experiment
03:11
MembranMembranproteineChromatographieProtonenpumpeBäckerhefeProteineChemisches ExperimentBesprechung/Interview
03:39
MembranProteineChemisches Experiment
03:47
Herd <Pathologie>Präsynaptische MembranVesikelBesprechung/Interview
04:06
Computeranimation
04:13
MembranVesikelPräsynaptische MembranPoreProteineBesprechung/InterviewComputeranimation
04:32
SynaptotagminMembranDiagramm
04:42
PoreVesikelEnergietransfer <Mikrophysik>ExocytoseChemische KommunikationFluoreszenzfarbstoffMembranEndocytoseAnthrachinonfarbstoffBesprechung/Interview
05:08
MembranProteineEndocytoseBesprechung/Interview
05:16
MembranProteineBesprechung/Interview
05:22
MembranComputeranimation
05:33
OsmolaritätMembranMembranproteineBesprechung/Interview
05:41
Computeranimation
05:51
Chemisches ExperimentBesprechung/Interview
05:58
BiomembranStofftransport <Biologie>ZellkernIoneneIonenkanalChemischer ProzessMembranMembranproteineBesprechung/Interview
06:23
IonenkanalArzneimittelPlänerMembranComputeranimation
06:30
IoneneMembranBesprechung/Interview
06:41
IonenkanalArzneimittelBesprechung/Interview
06:49
BiomembranChemischer ProzessMembranZelle
06:59
BiomembranBesprechung/Interview
07:12
KrebsforschungBesprechung/Interview
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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Hallo Leute, der menschliche Körper besteht aus 30 Billionen Zellen. Das ist eine beeindruckende Zahl mit 13 Nullen. Damit unsere Zellen und damit auch wir unsere Form behalten, sind sie in eine dünne Membran eingehüllt. Diese Membranen sind faszinierende Gebilde. Einerseits sorgen sie dafür, dass die Bestandteile der Zellen in den Zellen bleiben,
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gleichzeitig lassen sie aber selektiv bestimmte Stoffe in die Zellen hinein und andere heraus. Hier spricht man von Semipermeabilität. Dadurch ist es überhaupt erst möglich, dass wichtige Nährstoffe in die Zellen transportiert und Abfallprodukte herausgeleitet werden können. Auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen über Botenstoffe wäre andernfalls unmöglich. Ihr seht, wir wissen schon vieles über Membranen. Aber wie die Prozesse im Detail funktionieren, gibt der Wissenschaft immer noch einige Rätsel auf.
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Aber das Team um die Professorin Claudia Steinem an der Universität Göttingen arbeitet daran, den Membran auch ihre letzten Geheimnisse noch zu entlocken. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, in unserem Körper haben wir eine Fläche von etwa 100 Quadratkilometern, die von biologischen Membranen bedeckt sind, obwohl diese nur wenige Nanometer dick sind.
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Vergleichen Sie das mit einer Seifenblase. Auch hier können Sie große Flächen produzieren, obwohl die Dicke dieser Seifenblase nur wenige Nanometer ist. Von einem chemischen und biophysikalischen Standpunkt aus gesehen, ist eine solche biologische Membran nun endlich kompliziert.
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Sie besteht aus Tausenden von Lipiden und Proteinen, die ihr die Funktion geben. Um ein solches System analysieren zu können, bedient man sich sogenannter künstlicher Modellmembrane. Das heißt, in diesem Fall nimmt man sich einzelne Komponenten aus dieser Membran heraus, setzt sie wieder zusammen, um in der Lage zu sein, spezifische Fragestellungen anhand dieser Modellmembran-Systeme zu analysieren.
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Wir in der Arbeitsgruppe haben ein neues System entwickelt, das einige Vorteile hat. Und ich möchte Ihnen jetzt in den nächsten Minuten zeigen, wie wir diese Systeme entwickelt haben und wie wir sie angewendet haben. Die Zellmembran von lebenden Zellen ist ein sehr komplexes Gebilde. Es ist sehr schwierig, einzelne Prozesse an ihr genau zu untersuchen.
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Aus diesem Grund bauen wir Modelle von Membranen. Diese Modellsysteme basieren auf Siliciumchips, in die kleine Poren eingeätzt werden. Die Poren sind einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer groß und können hier in dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme beobachtet werden.
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Es ist nun möglich, eine Membran über diese Struktur zu spannen, indem große Visikel, die aus Lipiden bestehen, so ähnlich eine Seifenblase, auf die Oberfläche aufgebracht werden und im nächsten Schritt spontan zerreißen und einen Teil dieser Oberfläche überspannen. Um die mechanischen Eigenschaften dieses Modellsystems zu messen, können wir ein Rastakraftmikroskop benutzen.
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Das Rastakraftmikroskop nutzt eine hauchfeine Spitze, die nur einige Zehnanometer groß ist und Kräfte auf molekularer Ebene messen kann. Diese hauchfeine Spitze drückt in die Membran und misst dabei die Kraft. Aus diesen Messungen können wir Informationen über die Mechanik und über die Interaktion mit dem Substrat erfahren.
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In künstliche Membransysteme können Membranproteine wie Ionkanäle oder Protonpumpen eingebracht werden.
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Diese müssen zunächst aus Spendeorganismen wie Bakterien und Hefen isoliert und aufgereinigt werden. Wir nutzen hierbei sowohl moderne vollautomatische Chromatographiesysteme als auch klassische Techniken wie die Gel-Elektrophoryse. Hierbei werden Proteine auf ein Gel aufgetragen und durch Anlegen einer Spannung anhand ihrer Größe aufgetrennt, wie man in diesem Gel sehen kann.
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Das Einbringen der Proteine in die Membran ist der letzte Schritt beim Aufbau eines Modellsystems und stellt eine große Herausforderung dar. Im Fokus unserer Forschung steht die Entwicklung eines Modellsystems für die Reizweiterleitung an der Synapse.
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Hierbei wird ein elektrischer Reiz in einen chemischen Reiz umgewandelt. Doch damit es zu dieser Umwandlung kommen kann, müssen neurotransmittergefüllte Visikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. In unserem Modellsystem verwenden wir als Imitation der präsynaptischen Membran eine Porenüberspannende Membran
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und beobachten mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie die Fusion von Visikel. In beiden Membransystemen befinden sich Proteine, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinandergreifen, den Visikel an die Membran heranziehen und die Fusion beginnen. Der Neurotransmitter wird ausgeschüttet und so der Reiz an die nächste Nervenzelle weitergeleitet.
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Um diesen molekularen Prozess zu beobachten, markieren wir Visikel und Porenüberspannende Membran mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen. Kommt der rote Fluoreszenzfarbstoff der Visikel in die Nähe des grünen Farbstoffs in der Membran, findet ein Energietransfer statt. Dieser kann als grünes Aufleuchten beobachtet werden.
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Nachdem wir gerade etwas über die Exozytose erfahren haben, möchte ich nun den entgegengesetzten Prozess vorstellen, die Endozytose. Bei der Endozytose werden Stoffe, zum Beispiel Botenstoffe, in die Zelle hineintransportiert. Das wird über verschiedene Proteine realisiert, welche die Membran einstülpen.
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Das ist hier dargestellt. Es bildet sich erst eine halbkugelförmige Einstülpung, später dann eine Art Visikel, welcher sich von der Membran löst und somit die Stoffe in die Zelle transportieren kann. Ich untersuche diesen Prozess mit künstlichen Membransystemen und Fluoreszenzmikroskopie. Ein typisches Experiment ist hier dargestellt.
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Man sieht halbkugelförmige Strukturen, bestehend aus Membranen, die durch einen Osmolaritätsgradienten hergestellt wurden. Und nach Proteinzugabe kann man sehen, dass diese Membranstrukturen wachsen, was den ersten Schritt in der Bildung eines Visikels darstellt. Für die Zukunft ist es angedacht, weitere Proteine, die an diesem Prozess beteiligt sind, hinzuzufügen,
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sodass man die komplette Bildung und das Ablösen eines Visikels beobachten kann. Die Zellmembran trennt zwei Reaktionsräume voneinander. Da sie einen hydrophoben Kern besitzt, ist sie nicht durchlässig für geladene Teilchen. Für manche Prozesse benötigt die Zelle jedoch den Transport von Ionen durch die Membran.
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Deshalb gibt es Ionenkanäle. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir die Funktion von Ionenkanälen mit der Planar Patch Clamp Technik. Wir legen an eine porenüberspannende Membran eine elektrische Spannung an und messen den Fluss der Ionen durch einen einzelnen Kanal. Aus diesen Messungen können wir dann die Kanaleigenschaften ermitteln.
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Dies ist sehr wichtig für uns, da viele Medikamente darauf abzielen, Ionenkanäle zu beeinträchtigen, so etwa Medikamente gegen Herzrhythmusstörungen. Das war jetzt ein kleiner Einblick in die aktuelle Forschung zu Zellmembranen. Wenn sich das eine oder andere davon für euch etwas kompliziert angehört hat, dann liegt das daran, dass es auch tatsächlich kompliziert ist. Also keine Angst, das liegt nicht an euch.
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Die Prozesse, die sich in Zellmembranen abspielen, sind eben einfach extrem komplex, sodass auch die Wissenschaft sie noch nicht vollständig versteht. Umso wertvoller sind die Erkenntnisse, die Claudia Steinem und ihr Team in Göttingen mit ihrer Forschung liefern. Wenn euch das Video gefallen hat, dürft euch auch ein Einblick in die aktuelle Krebsforschung interessieren. Das Video dazu haben wir euch unten verlinkt. Wir sehen uns in dem nächsten Video. Macht's gut!