Lipide und Zellmembranen. Stryer ed. 6, Kapitel 12

Transkript

1 Lipide und Zellmembranen Stryer ed. 6, Kapitel 12

2 Biologische Membranen Die Grenzen, die eine Zelle kennzeichnen, werden von biologischen i Membranen gebildet: sie definieren eine innere un eine äussere Seite einer Zelle. Diese Barrieren verhindern das Austreten der in der Zelle erzeugten Moleküle und das Eindringen i unerwünschter Moleküle von aussen Transportsysteme selektive Permeabilität

3 Plasmamembran der Erythrocyten

4 Gemeinsamkeiten biologischer Membranen Blattartige Strukturen, zwei Moleküle d.h. ca. 6 bis 10 nm dick 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 Membranen sind assymetrisch (Innen- und Aussenseiten) Mebranen sind flüssige Strukturen Die meisten Membranen sind elektrisch polarisiert, wobei die Innenseite negativ ist (typischerweise 60 mv)

5 Fettsäuren sind Hauptbestandteile von Lipiden C 16 -Säure C 18 -Säure

6 Fettsäurenummerierung

7 Natürlich vorkommende tierische Fettsäuren

8 Drei Haupttypen von Memebranlipiden Phospholipide Glykolipide Cholesterin

9 Phospholipide

10 Diacylglycerin-3-phosphat

11 Alkoholkomponente der Phospholipide

12 Häufige Phosphoglyceride

13 Sphingolipide

14

15 Etherlipide der Archaea

16 Glykolipide, kohlenhydrathaltige Lipide

17 Lipid mit Steroidgerüst

18 Lipide, amphipathische Moleküle

19 Querschnitt Micellen

20 Doppelschichtmembran Vor allem Phospholipide bilden in wässriger Umgebung keine Micellen, sondern Doppelschichten ht

21 Kalottenmodell einer Phospholipid- Doppelschichtmembran

22 Lipiddoppelschichten Werden durch viele sich gegenseitig verstärkende nichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten (kooperative Strukturen) Sind 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

23 Liposomen

24 Experimente zur Ermittelung der Permeabilität

25 Experimentelle Anordnung zur Untersuchung von Doppelschichten

26 Permeabilitätskoeffizienten

27 Membranproteine integral peripher

28 Membrandurchlaufende -Helices Bakteriorhodopsin: lichtgetriebene Protonenpumpe

29 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 auftretende Strukturen in Membranproteinen

30 Kanalprotein (Porin) aus -Strängen Porine kommen in der äusseren Membran von Bakterien vor

31 Aminosäuresequenz eines Porins Wasserstoffbrücken Besteht aus -Strängen, die häufig hydrophobe und hydrophile Besteht aus Strängen, die häufig hydrophobe und hydrophile Reste in benachbarten Positionen haben

32 Teilweise Einbettung in die Membran P t l di H S th 1 Ei b tt d h i R ih Prostaglandin-H 2 -Synthase-1: Einbettung durch eine Reihe von -Helices (orange), Monomer des dimeren Enzyms

33 Bildung von Prostaglandin H 2 Prostaglandinen aus der Arachidonsäure (Serie-2) sind für Schmerz, Blutverklumpung, Entzündungen und vieles andere verantwortlich Arachidonat ist ein hydrophobes Molekül, welches in der Membran durch Hydrolyse von Membranlipiden entsteht

34 Hydrophober Kanal der Synthase A i h d S h d M b A hid i h d Ansicht 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

35 Identifikation von Transmembranhelices Eine Helix aus 20 AS kann eine 3 nm dicke Membran überbrücken. Daher berechnet man für ein Fenster von 20AS jeweils einen Hydropathieindex: G für die Transfer der 20 Reste der Helix aus der Membran in eine wässrige Umgebung

36 Lokalisierung einertransmembranhelix

37 Hydropathiediagramm für Porin Hydropathiediagramm für Porin. Für dieses Membranprotein findet man keine Maxima, da es nicht aus -Helices aufgebaut ist, sondern aus -Strängen, welche die Membran durchlaufen.

38 Lipide und viele Membranproteine diffundieren schnell in der Membranebene

39 Diffusion in der Membran Ein Phospholipidmolekül diffundiert in einer Sekunde 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 immobil

40 Das Flüssigmosaikmodell Erlaubt laterale Bewegung in der Membran, aber keine Wechsel der Membranseite

41 Die Bewegung von Lipiden in Membranen

42 Schmelztemperatur einer Phospholipidmembran

43 Fettsäurezusammensetzung und Cholesteringehalt h lt bestimmen Membranfluidität

44 Packung der Fettsäuren - Einfluss von Doppelbindungen

45 Regulation 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

46 Zellmembran von Prokaryoten

47 Zellmembranen von Prokaryoten

48 Eukaryoten Eukayoten, mit Ausnahme von Pflanzenzellen besitzen 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.

49 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?