1. Seminar Biotechnologie Natalia Putkaradze, Master

1. Seminar Biotechnologie
Natalia Putkaradze, Master Biotechnologie (3. Semester)
Matrikel-Nr.: 2529735
Faktoren, die von Bedeutung für eine asymmetrische PhospholipidVerteilung an Membranen roter Blutzellen sind
Eine Erythrozytenmembran des Menschen enthält 49 % Proteine, 43 % Lipide und 8 %
Kohlenhydrate. Es gibt drei Hauptgruppen von Membranlipiden: Phospholipide,
Glycolipide und Cholesterol.
Ein Phospholipid-Molekül ist aus vier Komponenten konstruiert: aus einer
Phosphatgruppe, einer oder mehreren Fettsäuren, einer Plattform, an der die Fettsäuren
gebunden sind und einem Alkohol. Die Plattform kann entweder Glycerin oder
Sphingosin sein. Vom Glycerin abgeleitete Phospholipide heißen Phosphoglyceride. Sie
entstehen aus Phosphatidat durch die Bildung einer Esterbindung zwischen der
Phosphatgruppe des Phosphatidats und der Hydroxylgruppe eines Alkohols. Die
Alkohole der Phosphoglyceride sind: Serin, Ethanolamin, Cholin, Glycerin und Inositol.
Entspechende Phosphoglyceride nennt man Phosphatidylserin, Phosphatidylcholin,
Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylinositol. Sphingomyelin ist auch ein
Membranphospholipid, das als Plattform Sphingosin hat, und somit kein Derivat des
Glycerins.
Membranen
verschiedener
Zellen
haben
unterschiedliche
Phospholipid-
Zusammensetzungen. Eine Ertythrozytenmembran des Menschen enthält beispielsweise
26% Spingomyelin, 30% Phosphatidylcholin, 27% Phosphatidylethanolamin, 13%
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Phosphatidylserin, eine kleine Menge an Phosphatidylinositol, Lyso-Phosphatidylcholin
und Phosphatidsäure.
Erythrozytenmembranen verschiedener Spezies unterscheiden sich auch in ihren
Fettsäuren- und Phospholipid-Zusammensetzungen. Die Erythrozytenmembranen von
Ratten und Mäusen haben einen hohen Gehalt an Phosphatidylcholin (42-45%) und
einen niedrigen Gehalt an Sphingomyelin (12%). Im Gegensatz dazu bestehen die
Erythrozytenmembranen von Schafen und Ochsen zu ca. 50% aus Sphingomyelin und
haben einen sehr niedrigen Gehalt an Phosphatidylcholin (0-4%).
Bei verschiedenen Spezies sind die wichtigsten Phospholipide unterschiedlich zwischen
der äußeren und der inneren Seite der Erythrozytenmembran verteilt. Eine Asymmetrie
der Lipiddoppelschicht entsteht durch diese jeweils typische Verteilung der
Phospholipide in der Membran. Die äußere Membranseite ist geordneter und weniger
flüssig und ihre Lipide sind dichter gepackt als diejenigen an der Membraninnenseite.
Abbildung 1. Verteilung der wichtigsten Phospholipide verschiedener Spezies [1].
Die asymmetrische Verteilung der Phospholipide ist für die Zelle funktionell von
Bedeutung. Phosphatidylserin auf der Innenseite ermöglicht beispielsweise eine
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negative Oberflächenladung, während es auf der Außenseite eine pathologische
Wirkung hat und die Makrophagen aktiviert.
Die asymmetrische Verteilung der Phospholipide in der Erythrozytenmembran wurde in
den letzten 40 Jahren intensiv erforscht. Aus der Literatur ist bekannt, dass Lipide
lateral und transversal (innerhalb des Bilayers) diffundieren können. Die transversale
Diffusion wird als Flip-Flop bezeichnet und ist wesentlich langsamer als die laterale
Diffusion. Außer Diffusion, finden in der Erythrozytenmembran auch aktive und
vermittelte passive Transbilayer-Bewegungen von Lipiden statt. Diese Bewegungen
werden von verschiedenen Proteinen ermöglicht, die in der Mambran vorkommen.
In Abbildung 2 sind Transbilayer-Transporter von Phospholipiden angezeigt, die bei der
Phospholipid-Asymmetrie wichtige Rollen spielen.
Abbildung 2. Transbilayer-Transporter der Phospholipide [4].
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Transbilayer-Transporter: ATP-abhängige Flippase und Floppase und Ca2+-abhängige
Scramblase, die den Lipid-Gradient ausgleicht, sind schematisch in Abbildung 3
dargestellt. Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin akkumulieren sich auf der
zytoplasmatischen Seite der Membran, weil ihr Einwärtstransport viel effektiver als ihr
Auswärtstransport ist. Der Auswärtstransport von Phosphatidylcholin ist höher als der
Einwärtstransport, so dass mehr Phosphatidylcholin auf der Membranaußenseite
vorhanden ist. Die Verteilung von Sphingomyelin ist nicht eindeutig, da bei
Erythrozytenmembranen bis heute kein Einwärtstransort beobachtet werden konnte.
Abbildung 3. Schematische Darstellung der Wirkung von TransbilayerTransportern in einer eukaryotischen Plasmamembran [5].
Zu den aktiven Transbilayer-Bewegungen von Lipiden gehören:
1) Einwärtstransport von Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin über
Aminophospholipid-Translokase,
2) Auswärtstransport von Phospholipiden über ein ABC-Protein (Multidrug
Resistance Protein, MRP1, ABCC1).
Die asymmetrische Verteilung von Phosphatidylserin und eingeschränkt von
Phosphatidylethanolamin wird durch die Aktivität der Aminophospholipid-Translokase
(APLT) aufrechterhalten. Sie ist eine Magnesium- und ATP-abhängige Translokase und
wird auch als P-Typ ATPase bezeichnet. Sie transportiert Phosphatidylserin und
Phosphatidylethanolamin von der Membranaußenseite zur Membraninnenseite. APLT
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verringert die Phosphatidylserin-Konzentration auf der Membranaußenseite, um die
Erkennung von Phospatidylserin und somit eine Phagozytose der Zellen über
Makrophagen zu vermeiden.
MRP (Multidrug Resistance Protein, ABC-Transporter, MRP1, ABCC1) ist möglicherweise
der Außwärtstransporter (Floppase) von Sphingomyelin und Phosphatidylcholin in der
Erythrozytenmembran. Eine eindeutige Rolle der ABC-Proteine in der PhospholipidAsymmetrie ist noch nicht nachgewiesen, da sich in einigen Zellmembranen, die keine
MRP-Proteine enthalten, Phosphatidylcholin und Sphingomyelin nicht auf der inneren
Membranseite sammeln.
Zu den vermittelten passiven Transbilayer-Bewegungen von Lipiden gehören:
1) Ca2+-aktivierbare
bidirektionale
Bewegungen
von
Lipiden
über
eine
Phospholipid-Scramblase (PLSCR1),
2) Bewegungen von anionischen Lipiden über den Anion-Austauscher AE1,
3) Der vermittelte Auswärtstransport des neu-synthetisierten Phosphatidylcholins.
Die Ca2+-aktivierbare Phospholipid-Scramblase spielt eine negative Rolle bei der
Phospholipid-Asymmetrie, da sie Phospholipid-Gradienten durch die Katalyse der
bidirektionalen Transbilayer-Bewegungen von Lipiden abbaut.
Das Glykoprotein AE1 (Capnophorin, Bande-3-Protein) von Erythrozyten des Menschen
gehört zu einer Superfamilie von Anionen-Transportern. Es besitzt eine MembranDomäne und eine zytoplasmatische Domäne. Die Membran-Domäne sorgt durch ihre
Lipophilität für die Verankerung des Proteins und bildet einen Transportweg für
Anionen. AE1 transportiert intramembranär kleine hydrophile und langkettige,
amphiphile Anionen.
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Das neu-synthetisierte Phosphatidylcholin wird in einer Halbwertszeit
von ca. 20
Minuten von der inneren zur äußeren Membranseite transportiert. Die vermittelte
Auswärtsbewegung
des
neu-synthetisierten
Phosphatidylcholins
wird
durch
Phenylglyoxal gehemmt.
Alle bis heute bekannten Transporter in der Erythrozytenmembran sind in Abbildung 4
zusammengefasst.
Abbildung 4. Alle bekannten Transbilayer-Transporte von Phospholipiden in der
Erythrozytenmembran [1].
Zusammenfassend kann man sagen, dass die asymmetrische Verteilung von
Phospholipiden
in
der
Erythrozytenmembran
funktionell
wichtig
ist.
Die
Zusammenarbeit von selektiven und nichtselektiven Transportern fördert die
Phospholipid-Asymmetrie in der Zelle. Der wichtigste Prozess dabei ist der aktive
Einwärtstransport von Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin durch die
Aminophospholipid-Flippase.
Transporter-Proteine
sind
schwierig
zu
isolieren,
aufzureinigen und zu rekonstituiren.
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Literatur
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1. I. Bernhardt, J.C. Ellory (Eds.), Red Cell Membrane Transport in Health and
Disease, Chapter 1: p.1-26, Springer Verlag, Berlin, 2003.
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2. Philippe F. Devaux, A. Herrmann, Transmembrane Dynamics of Lipids. John
Wiley & Sons, Inc. 2012.
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3. Stryer, Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2007.
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4. Devaux, P.F., Proteins involved in lipid translocation in eukaryotic cells.
Chemistry and Physics of Lipids, 141: p. 119-132, 2006.
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5. David L. Daleke, Regulation of transbilayer plasma membrane phospholipid
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6. Sieberg, T.O., Mechanismen des vermittelten und nicht-vermittelten
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(NDP2)
in
der
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7. Mecklenbrauck, A., Lassen sich mit Apoptose-Markern ErythrozytenSubpopulationen identifizieren? Inaugural-Dissertation, Münster, 2003.
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