Kapitel 9: KÜNSTLICHE UND NATÜRLICHE MEMBRANEN. Einführung. Inhalt:

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1 Kapitel 9: KÜNSTLICE UND NATÜRLICE MEMBRANEN Inhalt: EINFÜRUNG KÜNSTLICE MEMBRANEN BILGISCE MEMBRANEN LITERATUR LINKS Einführung Jede lebende Zelle ist von einer Membran umgeben, die sie von der Außenwelt abgrenzt. Auch im Zellinneren sind Membranen vorhanden (s. Abb. 81) die das Zytoplasma in viele kleine Reaktionskompartimente unterteilen und so ein geordnetes Nebeneinander unterschiedlichster Stoffwechselprozesse zulassen. Abb. 81: Membranen sorgen für eine starke Kompartimentierung in einer tierischen Zelle, wie hier in einem Gefrierbruch gezeigt. Biologische Membranen bestehen aus 3 Komponenten: ca. 40% Lipiden 121

2 KÜNSTLICE UND NATÜRLICE MEMBRANEN ca. 50% Proteinen ca. % Polysacchariden Was machen diese Komponenten und wie sind sie angeordnet? Die Frage nach Struktur-Funktionsbeziehungen bei biologischen Systemen ist eine der zentralen Fragestellungen in der modernen Biophysik! Künstliche Membranen Viele Erkenntnisse über den Bau und die Funktionen von Membranen wurden an künstlichen Membranen gewonnen. In diesem klassischen Gebiet der Biophysik wird auch heute noch geforscht. Künstliche Membranen können aus Lipiden hergestellt werden. Phospholipide Natürliche Lipide sind z.b. Lecithin und Phosphatidylcholin. N + - P polar hydrophil unpolar hydrophob Abb. 82: Aufbau eines Phospholipids. Beispiele für Alkoholreste sind: Cholin, Serin, Ethanolamin und Inosit (Zucker). Die Fettsäuren sind immer geradzahlig (C 16 - C 24 ), gesättigt oder ungesättigt. Es gibt aber auch Lipide die anders aufgebaut sind z.b. Cholesterin. Allgemein sind Lipide amphipathische Moleküle, d.h. sie bestehen aus einem polaren hydrophilen und einem unpolaren lipophilen Teil 122

3 BIPYSIK DER ZELLE Self Assembly Aufgrund dieser Struktur bilden Lipide in Wasser spontan Aggregate. Man unterscheidet 3 verschiedene Formen: Monolayer Filme: Lipidfilm an der berfläche Micellen: z.b. in Milch, Nivea-Creme Bilayer, Vesikel: Lipiddoppelschicht formt sich z.b. zu Vesikeln; diese können auch mehrschichtig sein (Liposomen) Lipidfilm monolayer Lipiddoppelschicht bilayer Lipidmicellen Abb. 83: Self-Assembly von Lipiden Lipide lassen sich experimentell als Lipidschicht an berflächen stabilisieren (z.b. im Langmuir Trog zur Bestimmung ihrer oberfächenaktiven Eigenschaften) oder als Doppelschicht zwischen zwei flüssiggefüllten Zellen der so genannten Black Lipid Bilayer- Anordnung. 123

4 KÜNSTLICE UND NATÜRLICE MEMBRANEN Messverstärker (Strommessgerät) Lipid-Bilayer Ableitelektroden Abb. 84: Lipid-Bilayer Messanordnung Mit dieser Anordnung lassen sich u.a. die elektrischen Eigenschaften von (künstlichen) Lipidmembranen untersuchen. Lipiddoppelschichten in Elektrolyten sind z.b. extrem dünne Kondensatoren, da die Fettsäuren gute Isolatoren sind. Damit lässt sich z.b. die Dicke der Lipiddoppelschicht bestimmen: Die spezifische Kapazität einer Black-Lipid Membran ist ca. 0,4 µ F/cm 2 Die spezifische Kapazität berechnet aber sich nach: mit C = ε r ε 0 A d der Dielektrizitätskonstanten von Vakuum ε = As V m die Dielektrizitätskonstante von Öl ist ε r 2 und die Fläche ist definitionsgemäß 2 A = 1cm = - 4 m 2 damit können wir die Dicke d des Dielektrikums (d.h. der Membran) ausrechnen mit: 124

5 BIPYSIK DER ZELLE d = ε ε 0 Öl A C = = A s V m m 5 nm m A s V 1 nm Abb. 85: Aufbau und Dimensionen einer Phospholipidmembran. Biologische Membranen haben eine spezifische Kapazität von ca. 1 µ F/cm 2. Damit lässt sich durch eine Kapazitätsmessung relativ leicht die berfläche der Zellmembran bestimmen. Diffusion innerhalb einer Membran Lipid-Membranen verhalten sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten. Für die einzelnen Lipidmoleküle ergeben sich daraus zwei Möglichkeiten, sich innerhalb dieser Struktur zu bewegen. Laterale Diffusion: sehr schnell ( ~ -7 s) Austausch von Lipiden innerhalb einer Schicht. 125

6 KÜNSTLICE UND NATÜRLICE MEMBRANEN Abb. 86: Laterale Diffusion von Membranlipiden "Flip Flop"/Transverse Diffusion: sehr langsam ( >> 1d) Austausch von Lipiden zwischen den Schichten. Abb. 87: Transversale Diffusion von Membranlipiden Membranen können asymmetrisch sein: inner- und outer leaflet Phasenzustände Wird eine Membran bis unterhalb einer bestimmten Temperatur abgekühlt, so "gefriert" diese zweidimensionale Flüssigkeit und wird gelartig. 126

7 BIPYSIK DER ZELLE Abb. 88: Phasenübergang beim "Schmelzen" der Membran Bei welcher Temperatur dies eintritt ist von den Fettsäurenlängen abhängig: C 14 ~ 24 o C C 16 ~ 41 o C C 18 ~ 55 o C Lipide mit Doppelbindungen existieren bis ca. -22 o C in der fluiden Phase. Der Cholesteringehalt verstärkt die Fluidität einer Membran. Sie bleibt bei tiefen Temperaturen länger flüssig, wenn mehr Cholesterin vorhanden ist. Biologische Membranen Geschichte 1925 Gorter & Grendel Bestimmung der berfläche einer Monolayerschicht von Lipiden aus Erythrozytenmembranen auf einem Langmuir Trog: Bei diesem Experiment stellte man fest, dass der die Fläche des Lipidfilms ungefähr dem Doppelten der Erythrozytenoberfläche entsprach. => Membranen sind Lipidbilayer Danielli & Davson Vergleich der berflächenspannung von Triglyceriden und lebenden Zellen: Bei lebenden Zellen ist die berflächenspannung geringer als bei Triglyceriden. Diese kann allerdings 127

8 KÜNSTLICE UND NATÜRLICE MEMBRANEN durch Zugabe von Proteinen angeglichen werden. => Membranen enthalten Proteine 1959 Robertson Elementarmembran (unit membrane) Dieses Modell erklärt das elektronenmikroskopische Bild Singer & Nicholson Fluid-Mosaik Modell erklärt die Diffusionseigenschaften von Proteinen bzw. Lipiden in einer Membran. Fluid Mosaikmembran Abb. 89: Fluid-Mosaik Modell von biologischen Membranen nach Singer und Nicholson (1972) Proteine "schwimmen" in einer zweidimensionalen Flüssigkeit aus Lipiden (vgl. Abb. 87). Protein- Lipidverhältnis beträgt: 1,5:1 bis 4:1 Membranproteine integrale extrinsisch intrinsisch Proteine die Lipide binden nennt man Lipoproteine. periphere Proteine Glycoproteine, d.h. Proteine die mit Zuckerresten verknüpft sind, finden sich vor allem auf der Zellaußenseite. 128

9 BIPYSIK DER ZELLE Literatur 1. Singer, S.J. and Nicholson, G.L. (1972) The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 175, Physikalische Chemie und Biophysik G. Adam, P. Läuger, G. Stark Springer-Verlag, Berlin - eidelberg - New York, 1995 (3. Auflage) 3. Molecular Biology of the Cell B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson Garland Publishing Inc., New Jork & London, 1994 (3. Auflage) (auch auf deutsch bei VC) 4. Cell Physiology Source Book N. Sperelakis (ed.) Academic Press New York 2001 (3. Auflage) Links 129