Zellbiologie Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie Biologische Membranen Membranverbindungen
Biologische Membranen Wichtige Membranen Eigenschaften der Membran Bausteine der Membran Membranfluidität Rolle des Cholesterins Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten Membranproteine
Wichtige Membranen 1 2 3 3 1. Plasmamembran 2. Kernmembran (innere und äußere) 3. Membranen des ER und des Golgi-Apparates 4. Mitochondrienmembran (innere und äußere) Lysosomen 5 4 5. Peroxisomen- und Lysosomenmembran
Modell der Zellmembran (Fluid-Mosaik-Modell)
Membranpermeabilität Gase Hydrophobe Moleküle kleine polare Moleküle große polare Moleküle geladene Moleküle außen innen
Eigenschaften der Zellmembran grenzt den Zellinnenraum gegenüber der Außenwelt ab über die Membran steht die Zelle in einem kontrollierten Informationsaustausch mit ihrer Umgebung Membranen sind äußerst dynamische Strukturen Membranen sind in vielfältiger Weise mit dem Zellstoffwechsel erknüpft Membranen sind selektive Permeabilitätsschranken Die Membran ist Trägerin von Enzymen. Die Membran ist Empfängerin und Verstärkerin regulatorischer Signale.
Bausteine der biologischen Membranen 1. Lipide (Phospholipide, Glycolipide) 2. Proteine (integrale/periphere) 3. Kohlenhydrate (geringe Mengen) 4. Wasser 5. Divalente Kationen 6. Cholesterin (fehlt bei den meisten Procaryonten)
Zusammensetzung einiger biologischer Membranen Membran % Lipid % Protein % Kohlenhydrat Kernmembran 35 59 2-4 (Ratte) Leberzellen 42 53 5-10 (Ratte) Leberzelle (Maus) 54 46 3 Erythrocyten (Mensch) 43 49 8 Äußere Mitochondrien- 48 52 2-4 membran Innere Mitochondrien- 24 76 1-2 membran Grampositive Bakterien 25 75 10
Fettsäure Fettsäure G L Y C E R I N Phospholipide Phosphoglyceride: Phosphat Alkohol Phosphatidylserin (Cephalin) Phosphatidylcholin (Lecithin) Phosphatidylethanolamin Phosphatidylinositol Diphosphatidylglycerin (Cardiolipin) Sphingosin Phosphat Cholin Fettsäure Sphingomyelin
Strukturformeln CH 2 Phosphatidylserin (Cephalin) Phosphatidylethanolamin Phosphatidylcholin (Lecithin) Phosphatidylinositol
Glycolipide Ceramid Gangliosid G M1 Sphingosin Fettsäure Glucose oder Galactose Cerebroside (Zuckereinheit Glucose oder Galactose) Ganglioside (komplexere Glycolipide, die verzweigte Ketten mit bis zu sieben Zuckerresten aufweisen) Sphingosin: Aminoalkohol mit langer ungesättigter Kohlenwasserstoffkette
Sphingosin Fettsäure Ceramid 0-antigen Gluc Gal GalNAc Gal Fuc Blutgruppenantigene Sphingosin Fettsäure A-antigen Gluc Gal GalNAc Gal GalNAc Fuc Sphingosin Fettsäure B-antigen Gluc Gal GalNAc Gal Gal Fuc
Anordnung der Lipide in wässrigem Milieu Lipiddoppelschicht Wasser Wasser Wasser Phospholipid Liposom Wasser
Polare, hyodrophile Kopfregion Lipiddoppelschicht Unpolarer, hydrophober Teil (=Fettsäureketten) Polare, hydrophile Kopfregion
Äußeres und inneres Membranblatt Außerhalb der Zelle Innerhalb der Zelle (Cytoplasma) Sphingomyelin Phosphatidylcholin Phosphatidylethanolamin Phosphatidylserin
Äußeres und inneres Membranblatt Membranphospholipid Prozentualer Anteil am Gesamtphospholipidgehalt Verteilung innerhalb der Membran
Lipidzusammensetzung der Organellen in der Leber (Ratte) Plasmam. Innere Mitochondrienm. Äußere Mitochondrienm. Lysosomenm. Kernm. Rauhes ER Cholesterin Cardiolipin Phosphatidylcholin Phosphatidylethanolamin kleinere Lipide Sphingolipide Glattes ER Golgi 0 20 40 60 80 100 Membranlipide [%]
Membranfluidität (parakristallin; fest) Lipiddoppelschicht wird stabilisiert durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Fettsäureketten der Membranlipide. Fluidität hängt ab von: Lipidzusammensetzung Cholesterinanteil Temperatur Tiefe Temperaturen: Lipide bewegen sich wenig; Lipiddoppelschicht liegt in einer annähernd kristallinen (parakristallin, gelartiger Zustand) Anordnung vor durch Wärmezufuhr erfolgt Übergang vom parakristallinen zum flüssigen Zustand
Membranfluidität (parakristallin; fest) Gesättigte Fettsäuren: lassen sich gut zu einer parakristallinen Anordnung packen Ungesättigte Fettsäuren: führen zu Knicks in den Acylketten erschweren die Bildung eines parakristallinen Zustandes Je höher der Anteil an gesättigten Fettsäuren in der Lipiddoppelschicht, desto höher liegt die Fest-flüssig-Übergangstemperatur einer Membran.
cis und trans H H -C = C - H - C = C - H
Fettsäuren Palmitinsäure (16 C-Atome) Stearinsäure (18 C-Atome) Ölsäure (18 C-Atome) cis-doppelbindung
Fettsäuren Stearin- Öl- Linol- Arachidonsäursäursäursäure Anzahl der cis- Doppelbindungen: 0 1 2 4 (18:0) (18:1) (18:2) (18:4) gesättigt ungesättigt mehrfach ungesättigt
Gesättigte / Ungesättigte Fettsäuren gesättigte FS-Ketten: kristalline Anordnung möglich Vorliegen einer bzw. mehrerer FS mit cis-doppelbindungen: Störung der dichten Packung führt zu weniger stabilen Verbänden Gesättigte Fettsäuren (FS ohne Doppelbindung) Gemisch von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren (FS mit cis-doppelbindungen)
Cholesterin davon leiten sich ab: Steroidhormone Gallensäuren Vitamin D hydrophil hydrophob Steroidkern Alkyl- Seitenkette polarer Kopf (aus 27 C-Atomen)
Rolle des Cholesterins Einbau von Cholesterin reduziert den Schmelzpunkt schiebt sich zwischen die Phospholipide sein Sterangerüst bildet mit den Fettsäureketten hydrophobe Kontakte aus Bei Temperaturen unterhalb des Phasen-übergangs (flüssig fest) hält Cholesterin die Membran in flüssigem Zustand.
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide laterale Diffusion transversale Diffusion (flip-flop) schnell langsam
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide außerhalb der Zelle * transversale Diffusion (flip-flop) ( 10 5 sec) O * O laterale Diffusion ( 10-6 sec) Cytosol
Demonstration of lateral diffusion Nachweis der Membranfluidität 1. Fluoreszenzmikroskopie mit unterschiedlichen Farbstoffen Fusion zweier Membranen 2. FRAP - Fluorescence Recovery After Photobleaching
Biologische Membranen Wichtige Membranen Eigenschaften der Membran Bausteine der Membran Membranfluidität Rolle des Cholesterins Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten Membranproteine
Transportproteine Porenproteine Enzyme Membranproteine Membranproteine Proteine, die der Zellerkennung dienen Hormonrezeptoren photosensitive Pigmente Strukturproteine
fluid mosaic model
Membranproteine 1. die meisten der Aminosäuren in Transmembransegmenten sind nichtpolar (Ala, Val, Leu, Ile, Phe) 2. die polaren CONH-Gruppen (Peptidbindungen) der Polypeptidkette bilden Wasserstoffbrücken (Alpha-Helix, ß-Faltblatt) 3. die einzelnen Transmembransegmente haben eine Länge von 10 bis 15 Aminosäuren Membranproteine: die beiden Strukturklassen α-helix Bacteriorhodopsin β-faltblatt Porin
-Helix A B C Abstand: 0,15 nm Drehung um 100 0,5 nm 0,5 nm
REM-Aufnahme der Netzhaut Rhodopsin
Topographische Anordnung von Membranproteinen Typ I / Typ II Transmembranproteine Proteine mit mehreren Membranankern (Stop-Transfer-Sequenzen)
Integrale Membranproteine Hydropathie Plots
Glycophorin A
Topographische Anordnung von Membranproteinen Typ I / Typ II Transmembranproteine Proteine mit mehreren Membranankern (Stop-Transfer-Sequenzen)
Topographische Anordnung von Membranproteinen Typ I / Typ II Transmembranproteine Proteine mit mehreren Membranankern (Stop-Transfer-Sequenzen)
Topographische Anordnung von Membranproteinen Typ I / Typ II Transmembranproteine Proteine mit mehreren Membranankern (Stop-Transfer-Sequenzen)
Topographische Anordnung von Membranproteinen
Aquaporine bilden hydrophile Transmembrankanäle für die Passage von Wasser Kanäle für den schnellen Membrantransfer von Wassermolekülen 5 x 10 8 Moleküle pro Sekunde (Katalase turnover: 4 x 10 7 s -1 ) Wasser wird in einem kontinuierlichen Strom entlang des osmotischen Gradienten durch den Kanal transportiert Erythrocyten enthalten 2 x 10 5 Kanäle pro Zelle
Bindung, Oligomerisierung, und Transmembrane Insertion von Hämolysin die monomere Form von Hämolysin ist löslich und bindet über eine Schleife an die Lipidschicht nach Oligomerisierung durchspannen 14 ß-Faltblattstrukturen die Lipiddoppelschicht und bilden eine Pore
Periphere Membranproteine können über kovalent angefügte Lipide verankert werden
Membranmikrodomänen ( rafts ) SM/DOPC-monolayer AFM-Analyse (SM-reiche Region = grau) 33% Cholesterol 10% Cholesterol 20% Cholesterol 50% Cholesterol 50% Cholesterol + 10 mm MßCD 500 nm Lawrence et al., Biophys J. 2003;84:1827-32
Membranmikrodomänen ( rafts )
Biologische Membranen Wichtige Membranen Eigenschaften der Membran Bausteine der Membran Membranfluidität Rolle des Cholesterins Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten Membranproteine
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