Membranbestandteile

Membranbestandteile
• Lipide
• Proteine
• Kohlenhydrate
Membraneigenschaften und -aufbau
• Dicke: ca. 5-10 nm
• Bestandteile:
– Lipide: Phospholipide, Cholesterin, Glykolipide
– Proteine: peripher, integral, Glykoprotein
Phospholipide
• bestehen aus einem hydrophilen Kopf (aus Glycerin-Phosphat-polaren Gruppe zB.
Cholin) und einem hydrophoben Schwanz (aus Fettsäurekette (gesättigt oder
ungesättigt))
• können in wässrigem Milieu eine Doppelschicht bilden, wobei die hydrophoben Ketten in
Kontakt zueinander stehen
Phospholipide
• mit ungesättigten Fettsäureketten (weisen eine oder mehrere Doppelbindungen auf)
bilden einen starren Knick aus (sind daher weniger dicht gepackt) und kürzeren
(gesättigte und ungesättigte) Fettsäureketten (-schwänzen) bilden Plasmamembranen die
eine höhere Beweglichkeit (Fluidität) aufweisen
• mit mehr gesättigte Fettsäuren (mit keiner Doppelbindung) sind dichter gepackt und dies
reduziert die Fluidität
Glykolipide
• Bei Glykolipiden ist statt der Phopsphatsowie der polaren Gruppe (zB. Cholin) am
Glycerin eine polare Zuckergruppe gebunden
Beispiel für Krankheiten durch Störung im Metabolismus von langkettigen
Fettsäuren
• kann unter anderem zu geistiger Behinderung führen
• unter Umständen ist mit bestimmter Diät bei einigen Formen dieser seltenen
Erbkrankheiten eine Besserung zu erzielen
Anordnung von Lipiden
Lipidmoleküle = amphipathisch:
- hydrophiler Kopf
- hydrophober Schwanz
Cholesterol
• bei angeborenen oder erworbenen Störungen im Fettstoffwechsel unter anderem
Ablagerungen in Gefäßwänden und Haut möglich
• bei seltenem Erbleiden (zB. Smith-Lemli-Opitz-Syndrom, AR-EG) schwere
Fehlbildungen durch Störung im Cholesterinstoffwechsel
Cholesterol in Lipidschicht
• verringert die Fluidität und Permeabilität von Biomembranen
• insbesondere bei niedrigerer Temperatur
Der Zellkern und die Mitochondrien weisen eine Doppelmembran auf!
Asymmetrie in biologischen Membranen
• ist eine wichtige Eigenschaft von Zellmembranen ergibt sich vor allem aus einer
unterschiedlichen Phospholipid- und Glykolipidverteilung (letztere ausschließlich in der
äußeren Lipidlamelle)
• kommt durch Austauschvorgänge und chemische Modifikationen (ua. Glykolipidbildung)
im Golgi-Apparat zustande
Plasmamembranen
• sind durch den hydrophoben Bereich in der Lipid-Doppelschicht undurchlässig für
wasserlösliche Stoffe und Ionen
Glykokalix
wird an der Zelloberfläche von Oligosaccharidketten gebildet und besteht aus
Oligosaccharidketten der
• Membranproteine
• Membranglykolipide
• Membranproteoglykane
Funktionen der Membranproteine
• Enzymatische Funktion
• Transporter und Kanäle
• Rezeptoren
• Zell-Zell Verbindungen
• Zell-Zell Erkennung
• Anheftung der extrazellulären Matrix
Diffusionseinschränkung von Membranproteinen
• Bindung an Zellcortex (Proteinnetzwerk an cytoplasmatischer Seite der Membran)
• Bindung an extrazelluläre Matrix
• Bindung an Membranproteine einer anderen Zelle enge Zellverbindungen als
Diffusionsbarrieren
Membranproteine (nach Lokalisation)
• Periphere Proteine sind an innere oder äussere Lipidlamelle angelagert
• Integrale Proteine = Transmembran Proteine reichen durch die Lipiddoppelschicht
hindurch
Transmembranproteine
• haben meist eine Alpha-Helixstruktur aber mitunter auch eine Beta-Faltblattstruktur
• im Cytoplasma liegen reduzierende Bedingungen vor, wodurch sich in diesem Bereich
Disulfidbrücken bei Proteinen nicht ausbilden
Plasmamembran - Zellcortex
• Da die Plasmamembran sehr dünn und empfindlich gegen mechanische Belastung ist,
wird sie durch ein Proteingerüst, den Zellkortex, welches mit der Membran über
Transmembranproteine verknüpft ist, verstärkt
• besteht z.B. aus einem Spectrin-Actin Netzwerk
Stoffaustausch durch Membranen
⇒ Passiver Transport
⇒ Aktiver Transport
Passiver Transport
• Diffusion
• erleichterte Diffusion (Transporter: molekülspezifisch)
• Osmose
Osmose
• Durch semipermeable Membranen können kleine Lösungsmittelmoleküle, wie Wasser,
leicht diffundieren
• Gelöste Stoffe, also Moleküle, wie Zucker, Salze und Proteine können nicht durch die
semipermeable Membran diffundieren, weshalb Konzentrationsdifferenzen davon zur
verstärkten Diffusion der Lösungsmittelmoleküle in Richtung zur höheren Konzentration
führen
• Je mehr gelöste Stoffe, desto höher der osmotische Druck
Osmose
• In tierischen Zellen wird der osmotische Druck hauptsächlich durch die Na+ - K+ Pumpe
ausgeglichen
• in Organismen mit Zellwand (Pflanzen, Bakterien) ist dies nicht erforderlich
• bestimmte Protozoen (z.B. Amöben) geben Wasser über Vakuolen ab
• Tierische Zellen in einer hypotonen Lösung (wenig gelöste Stoffe) werden Wasser
aufnehmen und ev. platzen
Osmotische Druckmessung
kann durch eine Pfeffer‘sche Zelle oder auch durch Bestimmung der
Gefrierpunktserniedrigung erfolgen
Aktiver Transport
• Pumpen: (zB. Na+/K+ Pumpe)
– Uniport
– Symport
– Antiport
• Cytosen:
– Exocytose
– Endocytose
Carrier-Transport
• ist wesentlich langsamer als Transport durch Ionenkanäle
• kann aktiv (gegen Gradienten) oder passiv sein
Beispiele für Krankheit durch Störung im Ionentransport
• Chlorid-Ionentransport bei Mukoviszidose (Cystischer Fibrose, AR-EG) gestört
• weitere Krankheiten wie ua. bestimmte Epilepsieformen usw.
+ - K+ Pumpe
Na
• Pumpt aktiv pro ATP-Molekül 3 Na-Ionen aus der Zelle und 2 K-Ionen in die Zelle
• verbraucht etwa 30% des zellulären ATP
• ist für Kontrolle des osmotischen Gleichgewichts erforderlich
Elektrochemischer Gradient
• Abhängig von der Konzentration positiv und negativ geladener Ionen an der Innen- und
Aussenseite der Zellmembran entsteht ein positives, neutrales oder negatives
Membranpotential
• Ein entsprechendes Membranpotential kann einen elektrochemischen Gradienten
verstärken oder verringern
Membran-Polarisierung und Transmembrantransport
Membranpolarisierung und –depolarisierung (rasche Umkehrung der Membranladung an
der Innen- bzw Aussenseite von positiv zu negativ und umgekehrt) kann die Öffnung und
damit Durchlässigkeit von regulierten Ionenkanälen beeinflussen
Intrazelluläre Membransysteme
• Endoplasmatisches Retikulum
• Golgi Apparat
• Mitochondrien
• Chloroplasten
• Lysosomen
• Peroxisomen
• Zellkern
Zytosen
• Endozytose - Aufnahme von Substanzen in die Zelle und Umhüllung durch die
Oberflächenmembran
• Exozytose - Abgabe von Sekreten unter der Einbeziehung der Vesikelmembran in der
Oberflächenmembran der Zelle
• Transzytose - Transport von membranumschlossenen Substanzen durch die Zelle
(Kombination von Endo- und Exozytose)
Endozytose
• Aufnahme
–Phagozytose
–Pinozytose
Rezeptorvermittelte Endozytose
Nach der Bindung eines Substrats an extrazelluläre Rezeptoren lagern sich diese in der
Zellmembran eng zusammen und es wird über ein Adaptermolekül an der
Membraninnenseite Clathrin angelagert und die Vesikelbildung wird durch die Clathrinund Dynaminwirkung begonnen und abgeschlossen
Vesikeltransport
• Über vSNAREs (an Vesikeln) und tSNAREs (an den Zielorganellen) wird ein gerichteter
Transport von coated vesicles gewährleistet
• durch Coatomer-bedeckte Vesikel wird ein nicht-selektiver Vesikeltransport vermittelt
• Die Membranverschmelzung (Fusion) mit der Zielstruktur beim Vesikeltransport kann
durch Fusionsproteine unterstützt werden
Mögliche Wege von endozytierten Transmembranrezeptorproteinen
Nach Endozytose werden die Rezeptoren über frühe Endosomen durch Exozytose wieder
an die Zelloberfläche transportiert (recycling)
sie kommen über frühe und späte Endosomen in Lysosomen und werden abgebaut
sie werden durch Transzytose in polaren Zellen zB. von der apikalen zur basalen
Zellmembran transportiert