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.

LipideFettsäuren:

- 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 Fettsäureverbunden;

- 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 FS-Ketten wird durch van-der-Waals-Kräfte 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;

Sie neigen zum Zusammenschluß mit sich selbst;

Lipiddoppelschichten sind selbstreparierend;

2)

3)

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);

Binden an die Oberfläche integraler Membranproteine;

Verankerung in der Lipiddoppelschicht durch eine kovalent gebundene hydrophobe Seitenkette;

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 undabnehmender 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 deren gerade Kohlenstoffketten können sehr

Lange FS-Ketten

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.