Lipide und Zellmembranen

Stryer ed. 6, Kapitel 12y , p

Biologische MembranenBiologische Membranen

• Die Grenzen, die eine Zelle kennzeichnen, d bi l i h M bwerden von biologischen Membranen

gebildet: sie definieren eine innere un eine ä S it i Z ll Di B iäussere Seite einer Zelle. Diese Barrierenverhindern das Austreten der in der Zelle

t M l kül d d Ei d ierzeugten Moleküle und das Eindringen unerwünschter Moleküle von aussen

• Transportsysteme selektive Permeabilität

Plasmamembran der ErythrocytenPlasmamembran der Erythrocyten

Gemeinsamkeiten biologischer Membranen

• Blattartige Strukturen, zwei Moleküle d.h. ca. 6 bis 10 nm dick• Bestehen hautsächlich aus Lipiden und Proteinen• Bestehen hautsächlich aus Lipiden und Proteinen• Membranlipide bestehen aus einem hydrophoben und einem

hydrophilen Teil, bilden geschlossene bimolekulare Schichten; Lipiddoppelschichten sind Barrieren für polare Moleküle

• Spezifische Proteine vermitteln spezielle Mebranfunktionen• Mebranen sind nichtkovalente Molekülanordnungen• Mebranen sind nichtkovalente Molekülanordnungen• Membranen sind assymetrisch (Innen- und Aussenseiten)• Mebranen sind flüssige Strukturen• Die meisten Membranen sind elektrisch polarisiert, wobei die

Innenseite negativ ist (typischerweise –60 mV)

Fettsäuren sind Hauptbestandteile von Lipiden

C SäC16-Säure

C18-Säure

FettsäurenummerierungFettsäurenummerierung

Natürlich vorkommende tierische Fettsäuren

Drei Haupttypen von Memebranlipiden

• Phospholipide• Glykolipide• Cholesterin

PhospholipidePhospholipide

Diacylglycerin-3-phosphatDiacylglycerin-3-phosphat

Alkoholkomponente der Phospholipide

Häufige PhosphoglycerideHäufige Phosphoglyceride

SphingolipideSphingolipide

Etherlipide der ArchaeaEtherlipide der Archaea

Glykolipide, kohlenhydrathaltige Lipide

Lipid mit SteroidgerüstLipid mit Steroidgerüst

Lipide amphipathische MoleküleLipide, amphipathische Moleküle

MicellenMicellen

QuerschnittQuerschnitt

DoppelschichtmembranDoppelschichtmembran

Vor allem Phospholipide bilden in wässrigerbilden in wässriger Umgebung keine Micellen, sondern D l hi htDoppelschichten

Kalottenmodell einer Phospholipid-Doppelschichtmembran

LipiddoppelschichtenLipiddoppelschichten

• Werden durch viele sich gegenseitig verstärkende nichtkovalente Wechselwirkungennichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten (kooperative Strukturen)

• Sind bestrebt sich auszubreiten; neigen zumSind bestrebt sich auszubreiten; neigen zum Zusammenschluss mit sich selbst, so dass keine Ränder mit freien Kohlenwasserstoffketten vorkommen, was zur Bildung von Kompartimenten führt

• Sind selbstreparierend, da ein Loch energetisch ungünstig ist

LiposomenLiposomen

Experimente zurErmittelung derPermeabilitätPermeabilität

Experimentelle Anordnung zur Untersuchung von Doppelschichten

PermeabilitätskoeffizientenPermeabilitätskoeffizienten

MembranproteineMembranproteine

peripherintegral

peripher

Membrandurchlaufende -HelicesMembrandurchlaufende -Helices

Bakteriorhodopsin: lichtgetriebene Protonenpumpe

Aminosäuresequenz des Bakteriorhodopsins

Die sieben helikalen Regionen sind in gelb hervorgehoben, die geladenen Reste sind rot dargestellt. Durch die Membran verlaufende Helices sind die am häufigsten auftretendeverlaufende Helices sind die am häufigsten auftretende Strukturen in Membranproteinen

Kanalprotein (Porin) aus -SträngenKanalprotein (Porin) aus -Strängen

Porine kommen in der äusseren Membran von Bakterien vor

Aminosäuresequenz eines PorinsAminosäuresequenz eines Porins

Wasserstoffbrücken

Besteht aus -Strängen, die häufig hydrophobe und hydrophileBesteht aus Strängen, die häufig hydrophobe und hydrophile Reste in benachbarten Positionen haben

Teilweise Einbettung in die MembranTeilweise Einbettung in die Membran

P t l di H S th 1 Ei b tt d h i R ihProstaglandin-H2-Synthase-1: Einbettung durch eine Reihe von -Helices (orange), Monomer des dimeren Enzyms

Bildung von Prostaglandin HBildung von Prostaglandin H2

Prostaglandinen aus der Arachidonsäure (Serie-2) sind für Schmerz BlutverklumpungSchmerz, Blutverklumpung, Entzündungen und vieles andere verantwortlich

Arachidonat ist ein hydrophobes Molekül, welches in der Membran d h H d l M bdurch Hydrolyse von Membran-lipiden entsteht

Hydrophober Kanal der SynthaseHydrophober Kanal der Synthase

A i h d S h d M b A hid i h dAnsicht der Synthase von der Membran aus: Arachidonat erreicht das aktive Zentrum des Enzyms durch einen hydrophoben Kanal im Protein, ohne dabei in wässrige Umgebung zu kommen. Aspirin blockiert den Kanal durch Uebertragung der Acetylgruppe auf ein Serin, das im Innern des Kanals liegt

Identifikation von TransmembranhelicesIdentifikation von Transmembranhelices

Eine Helix aus 20 AS kann eine 3 nm dicke Membran überbrückenüberbrücken.

Daher berechnet man für i F t 20 ASein Fenster von 20 AS

jeweils einen Hydropathieindex:

G für die Transfer der 20 Reste der Helix aus der Membran in eine wässrige Umgebung

Lokalisierung einerTransmembranhelixLokalisierung einerTransmembranhelix

Hydropathiediagramm für PorinHydropathiediagramm für Porin

Hydropathiediagramm für Porin. Für dieses Membranprotein findet man keine Ma ima da es nicht a s Helices a fgeba t ist sondernman keine Maxima, da es nicht aus -Helices aufgebaut ist, sondern aus -Strängen, welche die Membran durchlaufen.

Lipide und viele Membranproteine p pdiffundieren schnell in der

MembranebeneMembranebene

Diffusion in der MembranDiffusion in der Membran

• Ein Phospholipidmolekül diffundiert in einer S k d üb i St k 2Sekunde über eine Strecke von 2 m

• Dies bedeutet, dass ein Lipidmolekül in einer Sekunde von einem Ende eines Bakteriums zum anderen gelangen kann

• Einige Proteine sind fast so beweglich wie Lipide, andere praktisch immobilp , p

Das FlüssigmosaikmodellDas Flüssigmosaikmodell

Erlaubt laterale Bewegung in der Membran, aber keine Wechsel der Membranseite

Die Bewegung von Lipiden in Membranen

Schmelztemperatur einer Phospholipidmembran

Fettsäurezusammensetzung und Ch l t i h lt b tiCholesteringehalt bestimmen

Membranfluidität

Packung der Fettsäuren - Einfluss von Doppelbindungen

Regulation der MembranfluiditätRegulation der Membranfluidität

• Bakterien regulieren die Fluidität ihrer Membranen durch Variation der Doppelbindungszahl und der Länge der Fettsäureketten

• Bei Tieren ist der Cholesteringehalt der Hauptregulator der Membranfluidität. Cholesterin hat eine andere Gestalt als die Phospholipide und unterbricht daher die normalen Wechselwirkungen zwischen den Fettsäureketten

Zellmembran von ProkaryotenZellmembran von Prokaryoten

Zellmembranen von ProkaryotenZellmembranen von Prokaryoten

EukaryotenEukaryoten

• Eukayoten, mit Ausnahme von Pflanzenzellen b it k i Z ll ä d ih Z ll bbesitzen keine Zellwände, ihre Zellmembran besteht aus einer einzigen Lipiddoppelschicht

• Sie besitzen Membranen innerhalb der Zelle, die interne Kompartimente bilden:Mitochondrien, endoplasmatisches Reticulum, Peroxysomen, Chloroplasten, Kernhülle mit Kernporen etc.

Übung Lipide Zeichnen und vergleichen Sie die Struktur einer Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen in einer gesättigten, einer einfach ungesättigten cis- und einer einfach ungesättigten trans-Konfiguration. Welche Wirkung zeigen diese Konfigurationen als Bestandteil von Phospholipiden in einer Membran? Warum besitzen die meisten ungesättigten Fettsäuren der Phospholipide eine cis-und keine trans-Konfiguration?