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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.