Zellen

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Biomembranen und Transportvorgänge

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Biomembranen sind ein flüssiges Mosaik aus Lipiden und Proteinen3.1

Manche integralen Proteine tauchen nur teilweise in die Lipid-doppelschicht ein.

Membranproteine können Zellen miteinander verknüpfen.

Manche Lipide (Glykolipide) tragen Kohlenhydratketten.

Manche Proteine (Glykoproteine) tragen Kohlenhydratketten.

Transmembranproteine überspannen als integrale Proteine mit ihren hydro-phoben Bereichen die gesamte Lipid-doppelschicht und ragen mit ihren hy-drophilen Bereichen auf beiden Seiten der Membran heraus.

Periphere Proteine sind der Membran nur aufgelagert.

Cholesterolmoleküle machen die Lipid-schicht flüssiger.

Zellinnenraum

äußeres Milieu

Zellinnenraum

1

O

CO

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH3

O

CO

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

HC

HC

CH2

HC

CH2CHH2C

R

O

O

PO– O

HC

CH2

CH2

H2C

CH3

H2C

O O

CH2CHH2C

O

wässrigesMilieu

R = polarer Rest

Glycerol

Die hydrophilen Kopf-gruppen der Membran-lipide wechselwirken mit Wassermolekülen und geladenen Molekülen.

Hydrophobe Fettsäure-reste in der Lipiddoppel-schicht wechselwirken untereinander und mit hydrophoben Molekülen.

2

Komparti-mentierung

Struktur und Funktion

Als äußere Begrenzung von Zellen sorgen Bio-membranendafür,dassProteineundandereBiomo-lekülenichteinfachdieZellenverlassenoderStoffeunkontrolliertvonaußenhereinkommenkönnen.AberauchinnerhalbderZelleisteswichtig,verschiedeneReaktionsräume, die Kompartimente, voneinanderzutrennen.•IndenChloroplasten,MitochondrienundLysosomen,dieSieimKapitel2kennengelernthaben,findenjeweilsandereStoffwechselvorgängestattalsinderUmgebung.IhrInhaltdarfsichdahernichtmitder Umgebung vermischen. Deshalb sind alle dieseZellorganellenvonBiomembranenumhüllt.

BiomembranenbestehennichtnurausLipiden.Ein weiterer wichtiger Bestandteil sind Proteine( Abb.1).WirunterscheidennachihrerLageinte­graleProteine vonTransmembranproteinen oderperi­pherenProteinen .Membranproteineübenvielfäl-

tigeFunktionenaus.EinigevonihnensindsozusagenTüreninderMembran,dieMolekülendiePassageer-lauben.Aberzumeistsindes„intelligenteTüren“,dieauswählen, welche Moleküle passieren dürfen, odersie sogar aktiv auf die andere Membranseite beför-dern.DieseFunktionalsKanal-oderTransportproteinewerdenSienochnäherkennenlernen( 3.5).AndereProteinebefördernkeineMoleküle, sondernmeldensiederZelle.DieseProteinesindMembranrezeptoren.Wenn an ein solches Rezeptorprotein auf der einenMembranseite ein Molekül bindet, z.B. ein Hormon,dannändertdasProteinaufderanderenMembran-seiteseineStrukturundlöstdamitStoffwechselreakti-onenaus,zumBeispieleineHormonantwort( 32.1).

Ein dritter Bestandteil von Membranen sindKohlenhydrate.DiesesindentwederanMembranpro-teine gebunden oder an Lipide; wir sprechen dannvon Glykoproteinen bzw. Glykolipiden . DieseKohlenhydratefindensichhäufigaufderAußenseitevonZellmembranen,alsoaufderZelloberfläche,undsindnotwendig fürdieErkennungvonZellenunter-einander( 3.2).SiespielenaucheinewichtigeRol-lebeiderErkennungkörperfremderZellendurchdasImmunsystem( 16.1).

Sie dürfen sich die Anordnung der Membran-lipide mit den eingelagerten Proteinen nicht starrwie eine Ziegelwand vorstellen. Die Lipidmolekülesind seitwärts (lateral) in ihrer Lipidschicht frei be-weglich. Allerdings behält die LipiddoppelschichttrotzderBeweglichkeitdereinzelnenLipidmoleküleihre Dichtigkeit. Auch die Membranproteine könnensichinihrerMembranseitwärtsfreibewegen,sowieSchiffeoderEisbergeimWasserdriften.DieseBeweg-lichkeitbetontauchderNamedesMembranmodells:Flüssig-Mosaik-Modell. „Seitenwechsel“ sind aberausgeschlossen. Dadurch behält die Membran ihreAsymmetrieimAufbaubei.

DiebeschriebeneDynamikvonMembranlipidenhatvieleVorteile.SiemachtBiomembranenelastischund damit widerstandsfähiger. Wenn durch mecha-nischeVerletzungeinkleinesLoch ineineMembrangerissenwird,fließenseitwärtsLipidmoleküleeinundverschließen es sofort wieder. Die frei beweglichenProteinekönnensichbeiihrenverschiedenenAufga-ben in immer wieder neuen Kombinationen zusam-menlagern.BeispielsweisekönnensiesobenachbarteZellenpunktgenauverknüpfen .

BeitiefenTemperaturenkönnenMembranener-starren,womitdieLipidmoleküle ihreBeweglichkeitverlieren.DasistsehrungünstigfürdieZelle,dadannviele Membranproteine ihre verschiedenen Funktio-nennichtmehrausübenkönnen.PflanzenundvieleBakterienreagierenauferniedrigteTemperaturen,in-demsiedieFettsäureninihrenLipidensoverändern,dassdieMembranenauchinderKälteflüssigbleiben.BeiTierensorgtCholesterol alsMembranbestandteildafür,dassdieMembranennichtsoleichterstarren.

Biomembranen sind hauchdünn: 6000 von ihnenmüssten übereinandergelegt werden, um die DickedieserBuchseitezuerreichen!Wieistesmöglich,dassBiomembranentrotzdemsowirkungsvolljedeleben-deZellevonihrerUmgebungabgrenzenkönnen?

Grundbausteine aller Biomembranen sind dieMem b ran lipide,z.B.Phospholipide(Abb.1,S.34).Membranlipide bestehen aus einer hydrophilen,also gut mit Wasser benetzbaren Kopfgruppe undhydrophoben, also wasserabweisenden Fettsäure-resten (Abb. 2). In wässriger Umgebung wechsel-wirken die hydrophoben Fettsäurereste stark mit-einander.Daher lagernsichMembranlipidezueinerLipid doppelschichtzusammen,inderdiehydrophobenBereicheinnenliegenunddurchdieKopfgruppenvomWasserabgeschirmtsind.DerhydrophobeKernbereichder Biomembran stellt eine wirkungsvolle SchrankefürWasserundallehydrophilenMoleküledar.•

Die Biomembran besteht nach dem Flüssig-Mosaik-Modell aus einer Lipiddoppelschicht sowie auf- und eingelagerten Proteinen. Sie ist eine dynamische Struktur, in der sich sowohl die Proteine als auch die Lipide seitwärts bewegen können.

Phospholipide sind Bausteine der Lipiddoppelschicht der Biomembran.