Welche Modell-Vorstellung dient zur Beschreibung der Membranstruktur?
Das vorherrschende Modell zur Beschreibung der Membranstruktur wurde 1972 von S. J. Singer und G. L. Nicholson vorgestellt und als „Fluid Mosaic“ („flüssiges Mosaik“) bezeichnet. Das Modell beschreibt die Membran als eine zweidimensionale Flüssigkeit aus Lipiden, in denen Proteine ein- bzw. angelagert sind.
Was meint der Begriff „amphipathisch“?
Amphipathisch (oder amphiphil) beschreibt den dualen Charakter der Lipidmoleküle und Detergentien. Amphiphathisch bedeutet, dass in einem Molekül sowohl ein mit Wassermolekülen wechselwirkender (polarer, hydrophiler) Bereich als auch ein wassermeidender (unpolarer, hydrophober) Bereich vorhanden sind. Amphipathische Verbindungen lagern sich in wässrigen Lösungen zu größeren Gebilden, etwa Micellen, Liposomen oder Doppelschichten zusammen.
Welche Hauptklassen der Lipide gibt es?
Die Lipid-Hauptklassen sind: Phospholipide, Glykolipide, Etherlipide, Isoprenoidlipide, Steroide/Hopanoide und Lipopolysaccharide. Eine weitere Unterteilung erfolgt bei den Glykolipiden und Phospholipiden nach den unterschiedlichen Kopfgruppen. Gelegentlich wird bei diesen auch aufgrund der verwendeten Alkoholkomponente unterschieden: Glycerin- bzw. Sphingosin-Lipide.
Welches sind die drei prinzipiellen Funktionen der Lipide?
Lipide sind Grundbestandteil biologischer Membranen; sie stellen somit ein wesentliches Bauelement dar. Das Vorhandensein von Membranen erlaubt eine Kompartimentierung innerhalb der Zellen. Eine solche Unterteilung ist für die Zellen wichtig, da in diesen Kompartimenten jeweils unterschiedliche Bedingungen herrschen und somit unterschiedliche Reaktionen ablaufen können (z.B. saure Kompartimente [Lysosomen] zum Stoffabbau).
Viele Lipide sind am intrazellulären Signaltransport beteiligt. Sie selbst aber auch deren Spaltprodukte (sowohl der hydrophile als auch der hydrophobe Anteil) dienen als Second Messenger (Bsp.: Diacylglycerol, Phosphatidylinositol-4,5-bishosphat, Ceramid).
Lipide besitzen einen hohen Anteil an reduzierten Kohlenstoffen. Durch deren Oxidation kann Energie freigesetzt und für andere Arbeitsleistungen genutzt werden. Lipide besitzen einen hohen Anteil hydrophober Bereiche, welche unter Wasser-Ausschluss gespeichert werden können. Eine Funktion von Lipiden ist die „platzsparende“ Speicherung von Energie.
Wodurch wird eine aus Lipiden bestehende Membran zuammengehalten?
Lipide sind amphiphile Moleüle, d.h. sie bestehen aus einem hydrophoben und einem hydrophilen Anteil. In wässriger Umgebung lagern sich die hydrophoben Bereiche zusammen; die hydrophilen Bereiche sind zum wässrigen Milieu hin orientiert. Dieser Zusammenschluss wird getrieben durch die Entropie-Vergrößerung des Wassers (hydrophobe Wechselwirkungen).
Bestehen alle biologischen Membranen aus einer Lipid-Doppelschicht?
Nein, bei einigen extremophilen Archaea besteht die Zellmembran aus Tetraether-Lipiden, welche Lipid-Monoschichten bilden. Bei diesen Lipiden befinden sich an beiden Seiten des hydrophoben Bereichs hydrophile Kopfgruppen. Der hydrophobe Bereich besteht aus Polyprenyl-Ketten. Diese Lipid-Monoschichten sind den jeweiligen Lebensbedingungen (saure pH-Werte, hohe Temperaturen) besser angepasst. Etherbindungen sind unter diesen Bedingungen stabiler als Esterbindungen. Lipid-Monoschichten sind im Vergleich zu Lipid-Doppelschichten weniger durchlässig. Dies liegt zum einen daran, dass es keine unterschiedlichen Membranblätter gibt, welche gegeneinander verschoben werden können, zum anderen an der Verwendung von Polyprenyl-Ketten. Diese füllen bzw. „dichten“ den hydrophoben Bereich besser ab.
Wie kann die Fluidität einer biologischen Membran verändert bzw. reguliert werden?
Die Fluidität einer Membran hängt von den verwendeten Lipiden ab und wird durch deren Zusammensetzung reguliert. Einbau von Lipiden mit kurzen bzw. ungesättigten Kohlenwasserstoffketten erniedrigen den Schmelzpunkt bzw. erhöhen die Fluidität. Entsprechend kann die Fluidität durch vermehrten Einbau von Lipiden mit langen und gesättigten Kohlenwasserstoffketten verringert werden. Lange, gesättigte Kohlenwasserstoffketten haben eine große van-der-Waals-Oberfläche über die sie miteinander wechselwirken können. Die Anwesenheit einer cis-Doppelbindung bewirkt einen Knick in der Kohlenwassertoffkette, einhergehend mit einer lockeren Packungsdichte. Lipide mit Polyprenyl-Seitenketten können durch Cyclisierung reversibel verkürzt werden. Der Einbau starrer Moleküle (Steroide, Hopanoide) bewirkt zum einen eine „Abdichtung“ der Membran gegenüber kleinen Molekülen, zum anderen bleibt die Membran bei niedrigeren Temperaturen fluide (Verringerung des Schmelzpunktes), da die geordnete Ausrichtung der Kohlenwasserstoffketten verhindert wird. Bei höheren Temperaturen behindern die starren Steroide bzw. Hopanoide die freie Rotation der Kohlenwassrstoffketten und bewirken so eine Verringerung der Fluidität (Erhöhung des Schmelzpunktes).
Warum ist die Fluidität biologischer Membranen lebenswichtig?
Durch die Membranen werden unterschiedliche Kompartimente gegeneinander abgegrenzt. Diese Barrieren dürfen aber nicht unüberwindbar sein. Kleinere Läsionen werden – aufgrund der fluiden Eigenschaften – durch Zusammenfließen der Membran wieder verschlossen. Die Vergrößerung des Zellinhalts (Wachstum) erfordert auch eine Vergrößerung der Cytoplasmamembran. Aufgrund der fluiden Struktur ist eine Formänderung bzw. der weitere Einbau von Lipiden und Proteinen möglich. Membranfusionen und Abschnürungen, etwa bei der Zellteilung oder beim intrazellulären Vesikeltransport, sind nur aufgrund der fluiden Struktur möglich.
Wo erfolgt die Synthese der Lipide bzw. der Membran?
Die Synthese der Lipide erfolgt überwiegend im endoplasmatischen Retikulum, z.T. auch im Golgi-Apparat (z.B. Sphingolipide). Membranen können nicht de novo gebildet werden, das Membranwachstum erfolgt vielmehr durch Erweiterung bereits bestehender Membransysteme. Somit ist der Ort der Lipidsynthese auch der Ort der Membransynthese. Auch der Einbau membranständiger Proteine erfolgt im ER („raues ER“: ER-Membranen mit Ribosomen besetzt).
Wie erfolgt der intrazelluläre Lipid-Transport?
Für den Transport von Lipiden innerhalb der Zelle gibt es zwei unterschiedliche Wege:
Transport innerhalb der Membran in Form von Vesikeln.
Nicht-vesikulärer Transport. Hier werden einzelne Lipidmoleküle von jeweils spezifischen lipidbindenden Proteinen (Lipid-Transfer-Proteine) gebunden und in dieser Form innerhalb der Zelle transportiert.
Was sind Membran-Rafts? Wo erfolgt deren Bildung?
Membran-Rafts sind Mikrodomänen innerhalb einer Membran. Diese Mikrodomänen haben eine andere Zusammensetzung als die restliche Membran. Die Membran-Rafts sind reich an Sphingolipiden (im äußeren Membranblatt), Glycerophospholipide (im inneren, dem Cytosol zugewandten Membranblatt) und Cholesterin. In diesen Bereichen sind bestimmte integrale Membranproteine angreichert bzw. kommen ausschließlich hier vor. Hierzu gehören z.B. Proteine mit einem GPI-Anker (an der Zellaußenseite) oder Proteine, welche über einen Fettsäurerest in der Membran verankert sind (inneres Membranblatt, z.B. einige Rezeptor-Tyrosin-Kinasen). Viele Proteine, welche mit den Membran-Rafts assoziiert sind, sind an der Signaltransduktion beteiligt. Die räumliche Anhäufung an der Signaltransduktion beteiligter Proteine erlaubt ein Zusammenwirken verschiedener Signalwege („Cross-Talk“). Ein weiteres Protein, welches in den Membran-Rafts vorkommt, ist das cholesterinbindende Caveolin (beteiligt an der Bildung sogenannter Caveolae, Invaginationen der Membran, wichtig für Endo- und Excytose). Die Bildung von Cholesterin erfolgt im ER, die der Sphingolipide hingegen im Golgi-Apparat. Die Zusammenlagerung der Membran-Rafts erfolgt daher erst im Golgi-Apparat.
Wie wird die unterschiedliche Lipid-Verteilung zwischen den Membranblättern erzeugt bzw. aufrecht erhalten? Wie erfolgt die Verteilung von Cholesterin zwischen den beiden Membranblättern?
Die unterschiedliche Verteilung der Lipide in den Membranblättern kommt durch die Aktivität der Flippasen und Floppasen zustande. Diese Lipid-Translokatoren bewirken den Übertritt von Lipiden zur cytoplasmatischen bzw. exoplasmatischen Seite. Cholesterin besitzt nur eine kleine hydrophile Kopfgruppe und kann daher zwischen den beiden Membranblättern frei hin- und her-„flippen“. Entsprechend ist Cholesterin in gleichen Mengen in beiden Membranblättern vorhanden. Spezifische Flippasen bzw. Floppasen für Cholesterin sind nicht bekannt.
Wie können Proteine mit der Membran assoziert sein?
Proteine können integraler Bestandteil der Membran sein. Zur Verankerung gibt es folgende Möglichkeiten:
Befestigung über eine hydrophobe Kohlenwasserstoffkette (Fettsäure, Polyprenyl-Rest, GPI-Anker).
Die Polypeptidkette selber durchspannt die Membran. Hierbei kann diese die Membran nur einmal (single-pass) oder mehrmals (multi-pass) durchspannen. Die Sekundärstruktur des membrandurchspannenden Abschnitts kann als α-Helix (Transmembran-Helix) ausgebildet sein (alle Single-pass-Proteine, z.B.Glykoporin und die meisten Multi-pass-Proteine, z.B. Acetylcholin-Rezeptor) oder als β-Faltblatt (β-Barrel, z.B. Porine und andere Proteine der äußeren Bakterienmembran).
Lösliche Proteine (periphere Proteine) können an die Membran durch Bindung an integrale Proteine oder Lipide assoziiert sein. Beispiel: Cytochrom c, F1-Untereinheit der ATPase, Spektrin (Bindung an integrale Proteine); Annexine, Vitamin K-abhängige Proteine, Phospholipase A2 (Bindung an Phospholipide).
Wie können integrale Proteine aus der Membran herausgelöst werden?
Zur Reinigung bzw. Isolierung von integralen Membranproteinen müssen diese aus der Membran herausgelöst werden. Dies wird durch den Zusatz von Detergentien erreicht. Detergentien zerstören die Membranstruktur und lagern sich an die Proteine an. Bei dieser Solubilisierung werden die hydrophoben Bereiche des Proteins (Transmembran-Bereiche) durch den hydrophoben Abschnitt der Detergenz-Moleküle abgedeckt. Die Struktur und somit die Funktionalität der Proteine bleibt hierbei erhalten.
Wie kann die Existenz integraler Membranproteine nachgewiesen werden?
Einen Aufschluss darüber, ob ein Protein integraler Bestandteil der Membran ist oder nicht, ergibt sich daraus, ob ein Protein nach dem Zellaufschluss löslich vorliegt. Membranständige Proteine befinden sich in Lipid-Vesikeln, welche durch Zentrifugation sedimentiert werden können. Können von dieser Präparation Proteine durch Erhöhung der Salzkonzentration, Zugabe von EDTA oder Änderung des pH-Wertes abgelöst werden, handelt es sich um periphere bzw. membranassoziierte Proteine. Die noch in den Vesikeln verbleibenden Proteine sind membranständige Proteine und können mit Detergentien herausgelöst werden.
Einen direkten Nachweis für integrale Membranproteine liefern mikroskopische Methoden, z.B. die Raster-Kraft-Mikroskopie oder auch die Gefrierbruch- oder Gefrierätzelektronenmikroskopie. Bei dieser Technik werden die Objekte (z.B. Zellen) tiefgefroren und dann augeschnitten bzw. aufgebrochen. Die Schnitt- bzw. Bruchlinien liegen oft an Phasengrenzen. Häufig erfolgt eine Trennung zwischen den beiden Membranblättern. Die Objekte werden mit einem Schwermetall bedampft und im Elektronenmikroskop betrachtet. Integrale Membranproteine werden beim Aufbrechen ungleichmäßig verteilt, d.h. sie bleiben in einer Seite hängen. Auf der anderen Seite, d.h. das andere Membranblatt enthält an dieser Stelle eine Lücke.
Was ist der Unterschied zwischen einem Carrier und einem kanalbildenden Protein?
Ein Carrier (Translokator) bindet die zu transportierende Substanz stets in einem stöchiometrischen Verhältnis. Der carriervermittelte Transport gleicht einer enzymkatalysierten Reaktion und kann entsprechend beschrieben werden. Der carriervermittelte Transport kann passiv oder aktiv sein. Kanalbildende Proteine bilden eine wassergefüllte Pore in der Membran aus. Die Öffnung kann durch verschiedene Mechanismen (z.B. durch Ligandenbindung, aufgrund des Membranpotentials oder durch mechanische Kräfte) reguliert werden. Der Durchtritt einer Substanz durch die Pore ist stets ein passiver, dem elektrochemischen Gradienten folgender Vorgang.
Was ist ein Uniport, ein Symport und ein Antiport?
Ein Uniport ist der Transport nur eines Stoffes über die Membran. Bsp.: Aufnahme von Glucose in Erythrocyten durch Glucose-Permease.
Ein Symport ist der gleichzeitige Transport zweier Stoffe in der gleichen Richtung über die Membran. Bsp.: Aufnahme von Laktose gekoppelt mit H+ durch Laktose-Permease bei einigen Bakterien; Aufnahme von Glucose gekoppelt mit Na+ im Darmepithel durch den Na+-Glucose-Symporter.
Ein Antiport ist der gleichzeitige Transport zweier Stoffe in entgegengesetzten Richtungen über die Membran. Bsp: Na+-K+-ATPase, ADP/ATP-Austauscher der inneren Mitochondrien-Membran.
Was ist ein aktiver Transport? Was beinhalten die Begriffe primär aktiver bzw. sekundär aktiver Transport?
Bei einem aktiven Transport hat sich die freie Enthalpie des transportierten Stoffes nach dem Transportvorgang erhöht. Aktive Transporte sind energieverbrauchende Prozesse, bei denen eine Substanz entgegen ihres elektrochemischen Gradienten befördert wird. Bei einem primär aktiven Transport ist der energieliefernde Schritt (z.B. ATP-Hydrolyse, Lichtabsorption) direkt mit dem Transportvorgang verbunden (Bsp.: Na+-K+-ATPase, ABC-Transporter, lichtgetriebene Protonentranslokation durch Bakteriorhodopsin).
Ein sekundär aktiver Transport nutzt den von einem primär aktiven Transporter generierten elektrochemischen Gradienten einer Substanz, um einen anderen Stoff gleichzeitig über die Membran zu transportieren. Er ist deshalb zwingend mit einem primär aktiven Transport verbunden. Der co-transportierte Stoff kann hierbei entgegen dessen elektrochemischen Gradienten transportiert werden (Bsp.: Na+-Glucose-Symporter. Die Aufnahme der Glucose erfolgt im Symport mit Na+. Der elektrochemische Na+-Gradient wird durch die Na+-K+-ATPase aufgebaut).
