Biologische Membranen
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Biologische Membranen Anne Pick und Christina Pöllinger Inhalt: Definition Vorkommen Struktur und Eigenschaften Funktionen Lipide Inhalt: Bimolekulare Schichtbildung Proteine in Membranen Diffusion von Proteinen und Lipiden Eigenschaften Lipoproteine Definition: Biologische Membranen kennzeichnen die Grenzen einer Zelle und definieren somit die innere und äußere Seite einer Zelle. Membranen enthalten Transportsysteme zur selektiven Permeabilität. Vorkommen: - Plasmamembran - Innere/Äußere Kernmembran - Innere/Äußere Mitochondrienmembran - ER - ferner: Lyosome, Peroxysome, Vesikel; - in Pflanzen: Membranen der Plastiden und der Vakuole; Struktur und Eigenschaften: - ca. 6 nm dick; - besteht aus: Lipiden Proteinen ev. Kohlenhydraten - Anteil je nach Membrantyp unterschiedlich; Struktur und Eigenschaften Lipide: - amphipathisch - bilden die Doppelschicht - Permeabilitätsschranke Struktur und Eigenschaften Proteine: - in die Doppelschicht eingebettet; - Transportsystem aus Pumpen, Kanälen, Rezeptoren und Enzymen; - verantwortlich für die selektive Permeabilität; Struktur und Eigenschaften Kohlenhydrate: - an Lipide und Proteine gebunden; - nur auf der vom Cytoplasma abgewandten Seite zu finden; Struktur und Eigenschaften - Asymmetrie: Innen- und Außenseite unterscheiden sich stets; - flüssige Strukturen: Lipidmoleküle und Proteine diffundieren in der Membranebene; - elektrisch polarisiert: Innenseite –60 mV Funktionen: 1) Abgrenzung und Isolierung von Zellen/ Organellen; 2) Kontrollierter Stofftransport; 3) Aufnahme, Weiterleitung, Abgabe extrazellulärer Signale; 4) Enzymatische Katalyse; Lipide Definition: Lipide sind wasserunlösliche Biomoleküle, die in organischen Lösemitteln (z.B. Dichlormethan) gut löslich sind. Es sind amphiphatische Moleküle mit einem polaren, hydrophilen Kopf und einem unpolaren, hydrophoben Schwanz aus Fettsäuren. Lipide Fettsäuren: - mehr oder weniger lange KW-Ketten (14-24 C-Atome); - verzweigt oder unverzweigt; - gesättigt oder ungesättigt; - Carboxylgruppe; - liegen bei physiologischem pH ionisiert vor; - Eigenschaften abhängig von Kettenlänge und Anzahl der DB; Lipide 3 Hauptgruppen von Membranlipiden: 1) Phospholipide: Phosphoglyceride Sphingomyeline 2) Glykolipide: Cerebroside Ganglioside 3) Cholesterin Lipide Phospholipide: Lipide Unterscheidung: Phosphoglyceride: Plattform Glycerin (3wertiger Alkohol); Sphingomyeline: Plattform Sphingosin (komplexer Alkohol); Lipide Phosphoglyceride: - Hydroxylgruppen des Glycerins am C1 und C2 sind mit Fettsäure verbunden; - Hydroxylgruppe am C3 ist mit Phosphorsäure verestert; - Hydroxylgruppe unterschiedlicher Alkohole/ Aminosäuren sind durch Esterbindung an Phosphatgruppe gebunden; - das einfachste ist das Phosphatidat; Lipide Die wichtigsten Alkohole bzw. Aminosäuren sind: - Serin - Ethanolamin - Cholin - Glycerin - Inositol Lipide Sphingomyeline: - Rückrat aus Sphingosin; - Sphingosin ist ein Aminoalkohol mit langer, ungesättigter KW-Kette; - Aminogruppe ist über Amidbindung mit Fettsäure verknüpft; - die Hydroxylgruppe ist mit Phosphorylcholin verestert; Lipide Glycolipide: - Kohlenhydrathaltige Lipide; - leiten sich vom Sphingosin ab: Aminogruppe ist mit Fettsäure acyliert; aber: primäre Hydroxylgruppe ist mit einem oder mehreren Kohlenhydraten verknüpft; - asymmetrische Anordnung in der Membran; Lipide Unterscheidung: Cerebroside: 1 KH-Rest (Glucose o. Galactose) Ganglioside: komplexer bis zu 7 KH-Einheiten Lipide Cholesterin: - Steroid-Grundgerüst - parallel zu den Fettsäureketten der Phospholipide ausgerichtet; - OH-Gruppe geht WW mit Phospholipiden ein; - Gehalt an Cholesterin beeinflußt die Fluidität von Membranen; Lipide Vorkommen von Cholesterin: - nicht in Prokaryonten, sonst in allen Säugern; - fehlt meist in intrazellularen Membranen; (z.B. innere Mitochondrienmembran) - macht ca. 25% der Membranlipide von bestimmten Nervenzellen aus; Lipiddoppelschicht Wie kommt es zur Bildung von Membranen, d.h. zur Bildung von Lipiddoppelschichten? Voraussetzung: Amphipathischer Charakter der Lipide; Hydrophile Kopfgruppen: Orientieren sich zum Wasser hin; Hydrophobe Kohlenstoffschwänze: Meiden den Kontakt zum Wasser; Anordnungsformen der Lipide in wässrigem Medium: 1) Micelle 2) Lipiddoppelschicht (lipid bilayer) Kalottenmodell einer Phospholipiddoppelschichtmembran: Warum ist die bevorzugte Anordnung der Phospho- und Glykolipide die Lipiddoppelschicht und nicht die Micelle? Die beiden Fettsäureketten der Phospho- und Glykolipide sind zu sperrig, als dass sie in das Innere einer Micelle passen würden. In Wasser ist das Wachstum einer Lipiddoppelschicht ein schneller und spontaner Prozess: enge Zusammenlagerung der FSKetten wird durch van-der-WaalsKräfte begünstigt; zwischen polaren Kopfgruppen und Wassermolekülen bilden sich Wasserstoffbrücken und elektrostatische Bindungen aus; Lipiddoppelschichten sind kooperative Strukturen: Lipiddoppelschichten werden durch viele sich gegenseitig verstärkende nichtkovalente Wechselwirkungen (hauptsächlich hydrophobe) zusammengehalten. Konsequenzen: 1) Lipiddoppelschichten haben das Bestreben sich auszubreiten; 2) Sie neigen zum Zusammenschluß mit sich selbst; 3) Lipiddoppelschichten sind selbstreparierend; Proteine in biologischen Membranen Aufgaben der Membranproteine: Membrantransport Zellkontakte Rezeptoren für Signalmoleküle Membranen mit verschiedenen Funktionen enthalten unterschiedliche Proteine und variieren im Proteingehalt. Anordnung von Proteinen in Lipiddoppelschichten: Integrale Membranproteine Periphere Membranproteine Integrale Membranproteine = Transmembranproteine: Durchziehen die Lipiddoppelschicht; Gehen intensive Wechselwirkungen mit den Kohlenstoffketten der Membranlipide ein; Periphere Membranproteine: Treten in Wechselwirkung mit den polaren Kopfgruppen der Membranlipide (z.B. Wasserstoffbrücken); Verankerung in der Lipiddoppelschicht durch eine kovalent gebundene hydrophobe Seitenkette; Binden an die Oberfläche integraler Membranproteine; Diffusion von Lipiden und Proteinen in der Membran Membranen sind keine starren Strukturen, denn die Membranlipide und –proteine bewegen sich permanent in der Membranebene. Membranlipide: allgemein sehr beweglich in der Membran; Membranproteine: Unterscheidung zwischen denen, die fast so beweglich sind wie die Lipide und denen, die kaum in der Membran wandern können; Wanderungsmöglichkeiten in der Membran: Transversale Diffusion (flip-flop) Laterale Diffusion Transversale Diffusion (flip-flop): Ist die Wanderung eines Moleküls von einer Membranoberfläche zu anderen; Membranlipide: Transversale Diffusion sehr langsam; Membranproteine: Keine Transversale Diffusion möglich; Laterale Diffusion: Ist die Wanderung eines Moleküls in der Membranebene; Die Laterale Diffusion von Membranlipiden erfolgt relativ schnell; Auch Membranproteine können lateral ungehindert in der Lipidmatrix wandern; Eigenschaften biologischer Membranen Das flüssige Mosaik Membranfluidität Asymmetrie Permeabilität Das flüssige Mosaik: 1972 Singer/Nicolson Dieses Modell vom Aufbau biologischer Membranen besagt, dass Membranen zweidimensionale Lösungen gerichteter globulärer Proteine und Lipide sind. Membranfluidität: Die Fluidität der Membranlipide hängt von den Eigenschaften der Fettsäureketten ab. Der Schmelzpunkt biologischer Membranen liegt zwischen 10-40 °C; Der Schmelzpunkt steigt mit zunehmender Fettsäurekettenlänge und abnehmender Zahl der Doppelbindungen der Fettsäureanteile; Der Übergang vom starren zum flüssigen Zustand erfolgt abrupt, wenn man die Temperatur über die Schmelztemperatur (Tm) anhebt. Die Übergangstemperatur ist abhängig von der Länger der FS-Ketten und ihrem Sättigungsgrad; Starrer Zustand der Lipiddoppelschicht wird begünstigt durch: Gesättigte FS Lange FS-Ketten deren gerade Kohlenstoffketten können sehr gut miteinander in Wechselwirkung treten; Können stärkere Wechselwirkungen eingehen als kurze FS-Ketten; Flüssiger Zustand der Lipiddoppelschicht wird begünstigt durch: Ungesättigte FS Cis-Doppelbindung verursacht Knick in der Kohlenstoffkette; dies ist nicht mit der hochgeordneten Packung der Kohlenstoffketten vereinbar; Tm Permeabilität: Bei der Durchlässigkeit von Membranen spielen 2 Faktoren eine wichtige Rolle: 1. Größe der Moleküle, die die Membran passieren wollen; 2. Polarität der Moleküle, die die Membran passieren wollen; Kleine Moleküle und unpolare Substanzen können die Membran durch Diffusion leicht durchdringen; Für Ionen und die meisten polaren Moleküle sind Lipiddoppelschichten sehr gering bis gar nicht permeabel; Wichtige Ausnahme: Wasser Wassermoleküle können die Lipiddoppelschicht problemlos überwinden; Gründe: 1. Geringe Größe der Wassermoleküle 2. Hohe Konzentration 3. Fehlende äußere Ladung Wie passiert ein kleines Molekül eine Lipidschranke? 1. Verlust der Hydrathülle; 2. Es wird im Kohlenstoffkern der Doppelschicht gelöst; 3. Diffusion durch diesen Kern auf die andere Membranseite; 4. Erneutes Lösen in Wasser; Um auch Moleküle aufnehmen oder abgeben zu können, die die Membran nicht durch Diffusion passieren können, besitzt die Zelle spezialisierte Transportproteine in der Membran. Asymmetrie: Membranen sind strukturell und funktionell asymmetrisch. Die äußeren und inneren Oberflächen von Membranen haben unterschiedliche Bestandteile und unterschiedliche Enzymaktivitäten. Membranlipide: Asymmetrische Verteilung in der Membran; Asymmetrie der Lipide ist nicht absolut, da sie von einer Membranseite zur anderen wandern können; Membranproteine: Asymmetrische Verteilung in der Membran; Asymmetrie der Proteine ist absolut; ihnen ist keine Transversale Diffusion möglich; Lipoproteine Funktion: Lipidtransport im Blut. Die meisten Lipide sind kaum wasserlöslich und würden im Blut zu Tröpfchen zusammenlaufen. Aufbau: Kugelförmige Aggregate aus Lipiden und Apoproteinen; Kern: - unpolare Lipide (Triacylglyceride, Cholesterolester) Hülle: - amphipathische Lipide (Phospholipide, Cholesterol) - Apoproteine Die polare Eigenschaft der Oberfläche des Lipoproteins verhindert die Aggregation zu größeren Teilchen. Je umfangreicher der Lipidkern des Lipoproteins, desto geringer ist seine Dichte. Unterteilung in 4 Gruppen: - nach abnehmender Größe und zunehmender Dichte: 1) Chylomikronen 2) VLDL (very low density lipoproteins) 3) LDL (low density lipoproteins) 4) HDL (high density lipoproteins) LDL: Transport von Cholesterin und Cholesterinester aus der Leber ins Gewebe; HDL: Führt überschüssiges Cholesterol in die Leber zurück; Dort wird es verstoffwechselt und anschließend ausgeschieden; Apoproteine: Anteil zwischen 1% bei Chylomikronen und über 50% bei HDL; Funktion: Dienen weniger der Löslichkeit sondern fungieren als Erkennungsmoleküle für Membranrezeptoren und für Enzyme, die am Lipidstoffwechsel und Lipidaustausch beteiligt sind.
