IZ: 3.2 Die integralen Membranproteine

Die Oliven unseres Sandwichs sind der wirklich geniale Teil der Membran. Ihre Protei­ne erlauben nämlich, daß Nährstoffe, Abfallprodukte und andere Arten von »Informati­onen« durch die Membran transportiert werden können. Die Protein-»Oliven« lassen auch nicht wahllos alle Moleküle durch, sondern nur solche, die für die Funktion des Zytoplasmas wichtig sind. In meiner Sandwich-Analogie entsprechen die Oliven denin­tegralen Membranproteinen (IMPs). Diese Proteine sind wie die Oliven in der Abbil­dung in die »Butter«-Schicht der Membran eingebettet.

Aber wie halten sich die IMPs in der Butter? Wir erinnern uns, daß Proteine aus einem linearen »Rückgrat« miteinander verbundener Aminosäu­ren bestehen. Von den zwanzig verschiedenen Aminosäuren sind einige hydrophil (wasserlie­bend) und polar und andere hydrophob (wasserab­stoßend) und unpolar. Wenn ein Bereich des Prote­in-Rückgrats aus aneinander gebundenen hydro­phoben Aminosäuren besteht, findet dieser Ab­schnitt des Proteins eine stabile Bindung in einer fettigen Umgebung wie dem Lipidkern der Membran (siehe Pfeil). So kann sich der hydrophobe Teil des Proteins in die Mitte der Membran einbetten. Weil manche Bereiche des Protein-Rückgrats aus polaren Ami­nosäuren bestehen und andere Bereiche unpolar sind, webt sich der Protein-Strang in die Sandwichschichten ein.

Es gibt viele IMPs mit vielen verschiedenen Namen, die sich jedoch in zwei Funktions­gruppen einteilen lassen: in Rezeptorproteine und Effektorproteine. Rezeptor-IMPs sind die Sinnesorgane der Zellen, das Äquivalent unserer Augen, Nasen, Ohren, Ge­schmacksknospen etc. Die Rezeptoren funktionieren wie molekulare »Nano-Antennen«, die auf bestimmte Umweltsignale ausgerichtet sind. Manche Rezeptoren sind nach in­nen gerichtet, um das innere Milieu der Zelle zu überwachen, und andere nach außen, um auf externe Signale zu achten.

Wie bei anderen, bereits besprochenen Proteinen haben die Rezeptoren eine inaktive und eine aktive Form, und sie wechseln, ihrer Ladung entsprechend, zwischen diesen Konformationen hin und her. Wenn sich ein Rezeptorprotein an ein Umweltsignal bin­det, bewirkt die daraus hervorgegangene Veränderung der elektrischen Ladung, daß das Rückgrat seine Form verändert und in eine »aktive« Konformation wechselt. Für jedes Umweltsignal, das sie ablesen müssen, haben die Zellen besonders ausgebildete Rezep­toren.

Manche Rezeptoren reagieren auf physische Signale. Ein Beispiel dafür ist der

Östro­genrezeptor, der genau darauf eingerichtet ist, der Form und Ladungsverteilung eines Östrogenmoleküls zu entsprechen. Wenn sich das Östrogen in der Nähe des Rezeptors befindet, dockt der Rezeptor daran an, so wie ein Magnet Stecknadeln einsammelt. So­bald sich der Östrogenrezeptor und das Östrogenmolekül so perfekt wie Schloß und Schlüssel miteinander verbunden haben, verändert sich die elektromagnetische Ladung des Rezeptors und das Protein wechselt in seine aktive Konformation. Auf die gleiche Weise entsprechen die Histaminrezeptoren genau der Form der Histaminmoleküle und die Insulinrezeptoren genau der Form der Insulinmoleküle und so weiter.Die »Antennen« der Rezeptoren können auch Schwingungsenergiefelder wie Licht, Klang und Radiowellen empfangen. Die Antennen dieser »Energie«-Rezeptoren vibrie­ren wie Stimmgabeln. Wenn in der energetischen Umgebung der Zelle eine Schwingung auftritt, die mit der Antenne des Rezeptors in Resonanz ist, so verändert sich die Ladung des Proteins und der Rezeptor verändert seine Form [Tsong 1989]. Darauf werde ich im nächsten Kapitel näher eingehen und will hier nur darauf hinweisen, daß die Annahme, nur physische Moleküle könnten auf die Zelle einwirken, hinfällig geworden ist.

Das biologische Verhalten kann durch unsichtbare Kräfte (unter anderem z.B. auch durch Gedanken) ebenso gesteuert werden wie durch physische Moleküle, beispielsweise Pe­nicillin. Das ist der wissenschaftliche Hintergrund für die medikamentenfreie energeti­sche Medizin.

Die Fähigkeiten der Rezeptormoleküle sind bemerkenswert, für sich allein aber

haben sie noch keine Auswirkungen auf das Verhalten der Zelle. Der Rezeptor ermöglicht der Zelle eine Wahrnehmung der Umweltsignale, doch muß die Zelle auf angemessene Weise reagieren. Das ist die Aufgabe der Effektorproteine. Gemeinsam bilden die Re­zeptor- und Effektorproteine einen Wahrnehmungs- und Reaktionsmechanismus, der sich mit den körpereigenen Reflexen vergleichen läßt, die von Ärzten gerne geprüft werden. Wenn der Doktor mit dem Hämmerchen auf Ihr Knie klopft, nimmt ein sensori­scher Nerv diesen Reiz auf und gibt die Information sofort an einen motorischen Nerv weiter, der das Bein in Bewegung versetzt. Die Rezeptoren der Membran entsprechen den sensorischen Nerven und die Effektorproteine entsprechen den handlungserzeugen­den motorischen Nerven. Zusammen wirkt der Rezeptor-Effektor-Komplex wie ein Schalter, der Umweltsignale in Zellverhalten übersetzt. Erst in den letzten Jahren haben die Wissenschaftler die Bedeutung der IMPs in der Membran entdeckt. Sie ist so groß, daß sich daraus ein eigenes Forschungsgebiet entwi­ckelte, die »Signaltransduktion« oder Signalübertragung. Die damit befaßten Wissen­schaftler sind eifrig damit beschäftigt, Hunderte von Informationspfaden zu klassifizie­ren, die in der Membran zwischen der Wahrnehmung eines Umweltsignals und der Ak­tivierung der Verhaltensproteine liegen. Die Erforschung der Signaltransduktion kata­pultierte die Membran ins Rampenlicht der Forschung, so wie der Forschungsbereich der Epigenetik plötzlich die Chromosomenproteine ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt hat.

Es gibt verschiedene Arten verhaltenssteuernder Effektorproteine, denn für einen rei­bungslosen Ablauf der Zellfunktionen müssen viele verschiedene Aufgaben erledigt werden. So gehört beispielsweise zu den Transportproteinen eine weitläufige Familie von Kanalproteinen, die Moleküle und Informationen von einer Seite der Membran auf die andere schaffen. Das bringt uns zu den paprikagefüllten Oliven in unserem Sand­wich zurück. Viele Kanalproteine ähneln einem eng gewickelten Knäuel und entspre­chen daher unseren paprikagefüllten Oliven (siehe Abbildung Seite 45 unten). Wenn die elektrische Ladung eines Proteins verändert wird, wechselt das Protein seine Form, wo­durch mitten in dem Protein eine Öffnung entsteht. In gewissem Sinne können die Kan­alproteine je nach ihrer elektrischen Ladung beide Arten von Oliven verkörpern. In ihrer aktiven Form entsprechen sie einer ungefüllten Olive und in ihrer inaktiven Form einer gefüllten Olive, welche die Zelle vor der äußeren Welt abschirmt.

Die Aktivität einer bestimmten Art von Kanalprotein, der Natrium-Kalium-ATPase, verdient besondere Aufmerksamkeit. Jede Zelle hat in ihrer Membran Hunderte dieser Kanäle. Gemeinsam benötigen sie für ihre Aktivität ungefähr die Hälfte des täglichen Energieverbrauchs unseres Körpers. Diese Kanäle öffnen und schließen sich so häufig, daß sie der Drehtür eines Kaufhauses im Schlußverkauf ähneln. Jedes Mal, wenn sich der Kanal »dreht«, befördert er drei positiv geladene Natriumatome aus dem Zytoplas­ma heraus und bringt dafür zwei positiv geladene Kaliumatome von draußen in das Zy­toplasma hinein.

Die Natrium-Kalium-ATPase verbraucht nicht nur viel Energie, sie erzeugt auch selbst Energie, so wie gekaufte Batterien die Gameboys Ihrer Kinder antreiben – bis sie ver­braucht sind. Eigentlich ist die energieproduzierende Aktivität der Natrium-Kalium-AT­Pase sogar sehr viel effektiver als die Batterien, denn sie macht aus der Zelle eine stän­dig sich wieder aufladende biologische Batterie.

Und hier ist ihr Trick: Bei jeder Drehung der Natrium-Kalium ATPase werden mehr po­sitive Ladungen nach außen getragen als hereingebracht, und dies geschieht gleichzeitig in jeder Zelle bei Tausenden von Proteinen. Während diese Proteine jede Sekunde Hun­derte von solchen Zyklen durchlaufen, lädt sich das Innere der Zelle negativ auf, wäh­rend das Äußere positiv geladen ist. Die negative Ladung wird als Membranpotential bezeichnet. Natürlich läßt die Lipidschicht der Membran keine geladenen Atome durch, weshalb die Ladung im Zellinneren negativ bleibt. Die positive Ladung außerhalb und die negative Ladung innerhalb der Zelle machen aus ihr eine Art sich immer wieder selbst aufladender Batterie, deren Energie dann für biologische Prozesse zur Verfügung steht.

Eine andere Variante der Effektorproteine, die Zytoskeletalproteine, regulieren die

Ge­stalt und Beweglichkeit der Zellen. Eine dritte Variante namens Enzyme verbindet oder trennt Moleküle, weshalb sie von uns Menschen auch als Verdauungshilfen eingesetzt werden. In ihrer aktivierten Form können alle Effektorproteine, auch die Kanalproteine, die Enzyme und die Zytoskeletalproteine, mitsamt ihrer Nebenprodukte als Signale zur Aktivierung der Gene dienen. Die IMPs und ihre Nebenprodukte produzieren Signale, die auf die Verbindungen der Regulatorproteine in dem »Ärmel« um die DNS wirken. Im Gegensatz zur konventionellen Ansicht steuern die Gene also ihre Aktivität nicht selbst. Vielmehr sind es die Effektorproteine der Membran, die das »Ablesen« der Gene steuern, damit verbrauchte Proteine ersetzt oder neue erzeugt werden können.