Lipide und Zellmembranen

Lipide und Zellmembranen
Die Grenzen von Zellen werden von biologischen Membranen bewerkstelligt, damit mühsam synthetisierte
Moleküle nicht aus der Zelle heraus diffundieren. Diese Membran ist:
- selektiv permeabel, was durch spezielle Transportsysteme bewerkstelligt wird.
- dynamisch, man sollte sie sich eher als eine visköse Flüssigkeit vorstellen
Es gilt zu beachten, dass es außer der Zellmembran noch weiter interne Membranen (um die inneren
Organelle) gibt, jedoch haben sie alle die gleichen Grundfunktionen:
Energiespeicherung und (Chemischen) Informationsaustausch via Proteine. Die Membran grenzt zwei
hydrophile Umgebungen mit einer hydrophoben ab.
Übliche Eigenschaften verschiedener Membranen
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Flächenähnlich, zwei Moleküle dick, 6 – 10 nm
Bestehen aus Lipiden, Proteinen (vom Verhältnis 4:1 bis 1:4) und Kohlenwasserstoffen
Bilden spontan lipide Doppelschicht -> Grenze
Proteine haben spezifische Funktionen
Membranen sind nicht-kovalente Strukturen
Membranen sind asymmetrisch
Flüssige Strukturen (üblicherweise in der Fläche der Membran)
Elektronisch polarisiert
Fettsäuren sind die Grundbausteine von Lipiden
Nomenklatur
Benennung nach den ursprünglichen Kohlenwasserstoffen mit –anoische Säure am Ende
eine Doppelbindung: -enoische Säure, geschrieben X:1 (X steht für die Anzahl C-Atome in der Kette
zwei Doppelbindungen: -dienoische Säure, geschrieben X:2
etc...
Nummerierung der C-Atome beginnt mit dem –COOH Ende
C-Atome Nr. 2 & 3 sind Alpha/ Beta, das letzte ist das Omega
Position der Doppelbindung wir durch  angegeben -> cis-9 bedeutet, dass es am 9ten C-Atom eine cis
Doppelbindung hat
Fettsäuren unterscheiden sich durch ihre Länge und ihrem Maß an Unsättigung
Fettsäuren generell:
- Die Anzahl C-Atome ist gerade
- in Tierischen Zellen sind sie normalerweise nicht verzweigt
- nie zwei aufeinander folgende Doppelbindungen
kurze Ketten -> tiefer Schmelzpunkt -> hohe Liquidität
wenige Doppelbindungen -> tiefer Schmelzpunkt - > hohe Liquidität
Drei übliche Typen von Membran Lipiden
Lipide sind in höchstem Maße Wasserunlöslich, dafür löslich in organischen Lösungsmitteln
Drei Typen: Phospholipide, Glycolipide und Cholesterol
Phospholipide
in allen biologischen Membranen vorhanden
M. Meyer
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vier Bestandteile: fettsäuren (hydrophob), eine Plattform zwischen einem Phosphat und Fettsäuren und
einen Alkohol, der an das Phosphat gebunden ist (hydrophil)
Wenn die Plattform ein Glycerol ist, ist der enstandene Phospholipid ein Phosphoglycerid (üblicher Aufbau
C1 & C2 des Glycerols mit den Fettsäuren verestert, C3 mit dem Phosphat verestert)
der angefügte Alkohol ist üblicherweise von Serin, Ethanolamin, Glycerol oder Inositol abgeleitet
Lipide mit verzweigten Fettsäureketten (Archeale Membrane)
Fettsäuren werden mit Ether und nicht Ester Bindungen an die Plattform gebunden
Fettsäuren sind regelmäßig verzweigt
Diese Eigenschaften ermöglichen es für Archae in extremen Umgebungen zu überleben (hohe
Salzkonzentrationen, hohe Temperaturen, extreme pHs, etc...)
Glycolipide
sind Zuckerhaltige Lipide, von Sphingosin abgeleitet mit amino Gruppen von den Fettsäuren acyliert.
Anstatt eines Phosphory Cholines sind ein oder mehrere Zucker and die primäre Hydroxylgruppe des
Sphingosins gebunden. Die Zucker sind dabei immer auf der Extrazellulären Seite.
Cholesterol
Von einem Steroid aufgebaut mit einem angehängten Kohlenwasserstoff Schwanz und einer
Hydroxylgruppe am entgegengesetzten Ende.
Kommt in allen tierischen Membranen vor, nicht aber in Prokaryoten
Membranlipide sind amphiphatisch (=hydrophil und hydrophob)
Der hydrophile Teil wird auch als polarer Kopf bezeichnet und wird als Kreis dargestellt gegenüber vom
hydrophoben apolaren Schwänzen
Phospholipide bilden bimolekulare Flächen in wässriger Lösung...
...Obwohl Phospholipide in wässriger Lösung zwei Möglichkeiten haben:
a) eine Mizelle bilden, die ein Kreis ist, mit den hydrophoben Schwänzen im Zentrum und den
polaren Köpfen am Umkreis
b) eine Doppelschicht bilden, in der die Schwänze zweier Lipide sich gegenüber sind und eine
symmetrische Doppelgrenze bilden
Die Doppelschicht wird bevorzugt, da die Fettsäure Ketten zu viel Platz brauchen um eine Mizelle zu
bilden. Jedoch Salze von Fettsäuren welche nur einen Fettsäurerest haben bilden Mizellen.
Die ganze Palette nichtkovalenter Wechselwirkungen werden in der Bildung dieser Doppelschicht
eingesetzt: Hydrophobische Wechselwirkungen bilden die Grundstruktur. Van der Waals Kräfte packen die
Fettsäuren möglichst nahe zusammen. Zwischen den Polaren Köpfen und dem umgebenden Wasser spielen
elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbildung eine zentrale Rolle.
Konsequenzen: lipide Doppelschichten sind extensiv, schließen und versiegeln sich selbst, da Löcher in der
Doppelschicht energetisch ungünstig sind.
Lipide Doppelschichten sind impermeabel für Ionen und polare Moleküle
Die Ausnahme ist natürlich Wasser, welches als Standard Diffusionskoeffizient genommen wird relativ zu
welchem alle anderen Stoffe gemessen werden.
Proteine
Membran Lipide sind Permeabilitätsgrenzen, während die Proteine bestimmen, welche Stoffe
durchgelassen werden können. Mit SDS-PAGE kann man sich die ganze Palette an Proteinen in einer
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Membran veranschaulichen. Generell unterscheiden sich Membrane mit verschiedenen Funktionen durch
ihre Proteine.
Proteinanordnung in der Membran Doppelschicht
Es gibt periphere und integrale Proteine
Integrale Proteine treten in Wechselwirkung mit den apolaren Kohlenwasserstoff Ketten und durchdringen
üblicherweise die ganze Doppelschicht.
Periphere Proteine verbinden sich mit der die Membran durch elektrostatische Wechselwirkungen und
Wasserstoffbrücken mit den Kopfgruppen der Lipide. Sie sind oft an Integrale Proteine im Inneren und
Äußern der Zelle verbunden.
Alpha Helices
sind die verbreitetste Struktur integraler Membranproteine
Betablätter
jedes Blatt ist mit dem nächsten antiparallel mit Wasserstoffbindungen verbunden, was in einem einzigen
Betablatt resultiert. Es dreht sich zu einem hohlen Zylinder, einer zylindrischen Pore. Der zylinder ist nach
Außen apolar (damit es mit den apolaren Kohlenwasserstoff Schwänzen in Wechselwirkung treten kann)
und nach Innen polar (gefüllt mit Wasser)
Diese Struktur wird erzielt, indem auf jede polare, eine apolare Aminosäure folgt und umgekehrt.
Verankerung von Proteinen in der Doppelschicht
Das Protein liegt auf der Ässeren Seite der Membran mit ein paar apolaren alpha-helices in der Membran
eingebettet. Diese sind so fest verankert, dass man sie nur mittels Detergenzien aus der Membran entfernen
kann. Sie gehören in dei Klasse der Integralen Proteine, obwohl sie nicht die ganze Membran
durchspannen.
Transmembrane Helices kann man durch ihre Aminosäurenabfolge voraussagen (Hydropathie-Kurve).
Lipide und viele Proteine diffundieren in der Ebene der Membran
Membrane sind dynamisch, vergleichbar mit Flüssigkeiten. Dieses kann man sich leicht veranschaulichen:
eine Region der Membran wird mit einem flureszierenden Chromophor markiert. Ein sichtbarer Teil wird
mit einem starken Laser Lichtpuls gebleicht. Unter einem Fluoreszenz –Mikroskop lässt sich beobachten,
dass die scheinbar zerstörten Lipide ersetzt werden. Dieser Prozess kann mit folgender Formel beschrieben
werden:
s = (4Dt)1/2
in welcher s die zurückgelegte Strecke, t die benötigte Zeit und D den Diffusionskoeffizient darstellen.
Durchschnittlich beträgt dieser 1m2s-1, was heißt, dass ein Phospholipid eine Strecke von 2m in 1s
zurücklegt, was bedeutet, dass es in einer Sekunde von einem Ende des Bakteriums zur anderen
diffundieren kann. Das impliziert, dass eine Membran eine 100 mal größere Viskosität als Wasser hat. Die
meisten Proteine sind fast so beweglich wie Lipide, während manche verankert sind.
Nicht-laterale Diffusion
Dieser Prozess ist sehr langsam und kommt nur äußerst selten vor (wird flip-flopping genannt), etwa ein
mal in mehreren Stunden. Energetisch gesehen ist es ungünstig. Für Proteine ist es Engergetisch fast
unmöglich und wurde auch noch nie beobachtet.
Innere Membrane
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Wie kommen die richtigen Proteine an ihrem richtigen Zielort innerhalb der Zelle an, wenn dieser von einer
Membran umgeben ist? Sie haben spezifische Aminosäuresequenzen an ihren Enden. Viele dieser
Sequenzen sind schon bekannt (z.B. die Sequenzen für den Zellkern oder Mitochondrien, etc...). Dieses
sind jedoch nur „Schlüssel“ der Proteine damit sie in das richtige Zellenbestandteil kommen können, die
Mechanismen, wie sie dahin kommen, sind anders (Kapitel 11.3.2).
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