ZELLBIOLOGIE UND BIOCHEMIE: ZELLMEMBRAN, GESÄTTIGTE UND UNGESÄTTIGTE FETTSÄUREN, PHOSPHOLIPIDE
Prof. João Marcos Brandet12345
¹Sektion Atome, Moleküle, Quantenoptik und Plasmen der DPG (SAMOP)
²Nuklearchemie, Analytische Chemie, Makromolekulare Chemie, Umweltchemie und Ökotoxikologie, Festkörperchemie und Materialforschung und der Wöhler-Vereinigung für Anorganische Chemie der Gesellschaft
Deutscher Chemiker (GDCh)
³Deutsche Mathematiker-Vereinigung (DMV)
4Astrophysical Chemistry Group. Royal Society of Chemistry (RSC)
5Hrvatsko Fizikalno Društvo (HFD)
Zellmembran
Zellmembran wird die jeder lebenden Zelle eigene Biomembran genannt, die das Zellinnere umschließend und abgrenzend ihr inneres Milieu aufrechterhält. Die Zellmembran von eukaryoten Zellen und Bakterien besteht aus einer zweilagigen Schicht von Lipiden (Lipiddoppelschicht) und verschiedenen Membranproteinen, die peripher, integral oder transmembranal darin eingelassen sind. Die hydrophilen, wasserlöslichen Pole der Lipiddoppelschicht bilden die innere und äußere Zellmembranoberfläche, wohingegen die hydrophoben, wasserabweisenden Pole der Lipiddoppelschicht zum Membranzentrum gerichtet sind. Die Zellmembran ist in Abhängigkeit von der Größe, der Fettlöslichkeit und der Ladung bestimmter Stoffe unterschiedlich gut bzw. schlecht durchlässig, sie ist also semipermeabel. Mit etwa sechs bis zehn Nanometer Dicke ist sie lichtmikroskopisch nur vage als Linie zu ahnen. Die Zellmembran grenzt den Cytoplasmaraum einer Zelle gegen den Extrazellulärraum ab und stellt die Grenzfläche dar, über die ein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfindet. Darüber hinaus übernimmt die Zellmembran wesentliche Aufgaben bei Zell-Zell-Kontakten, Zell-Matrix-Verbindungen, Signalübermittlungen, Zellwanderungen und Zellformänderungen. Bei Prokaryoten ist sie auch Ort der Photosynthese oder der chemotrophen Bereitstellung von Energie und Anordnungsfläche für Photosysteme, Atmungskettenkomplexe und weitere Enzymsysteme. Die auswärtige, extrazelluläre Seite der Zellmembran ist bei allen Zellen auch strukturell verschieden von der inwendigen, intrazellulären Membranseite. Nach außen hin kann die Plasmamembran von einer Zellwand als schützender Hülle umgeben sein. Nach innen zu kann sie mit Proteinen eines Zytoskeletts in Verbindung stehen oder bei manchen Einzellern zur Pellicula versteift sein. Die Zellmembran besteht zunächst aus einer Vielzahl an unterschiedlichen membranogenen Lipiden in zwei einander zugewandten Lagen, die zusammen eine Lipiddoppelschicht bilden, lediglich bei einigen Archaeen ist sie als Lipidmonoschicht ausgebildet. Ihre Hauptbestandteile sind Phospholipide, zumeist verschiedene
Phosphoglyceride – hierzu zählen etwa Lecithine als Phosphatidylcholine (PC) und Kephaline als Phosphatidylethanolamine (PE) oder als Phosphatidylserine (PS) sowie auch Phosphatidylinositole (PI). Weitere wesentliche Membranbestandteile sind neben Sphingomyelin noch andere Sphingolipide und außerdem Sterine wie Cholesterin. Die nicht-steroidalen Lipidkomponenten unterscheiden sich außer in ihrer Kopfgruppe beispielsweise in dem Sättigungsgrad und der Kettenlänge von gebundenen Fettsäureresten. Zusätzlich können sie mit Kohlenhydratresten zu Glykolipiden modifiziert worden sein. Außer Lipiden enthält die Zellmembran zudem eine Vielfalt spezifischer Membranproteine. Auf der Außenseite oder der Innenseite liegend dienen sie jeweils unterschiedlichen Aufgaben. Einige reichen als Transmembranprotein beide Seiten verbindend durch die Membran, so etwa Zelladhäsionsmoleküle, Ionenkanäle oder Rezeptoren für die Signaltransduktion durch die Membran. Ihre jeweilige Ausstattung mit Membranproteinen kennzeichnet eine Zelle somit nach bestimmten Funktionen. Doch schon die Zusammensetzung ihrer Lipide unterscheidet die Zellmembran von anderen Membranen der Zelle, die Zellorganellen einfassen. Die äußerste Schicht der menschlichen Zellmembranoberfläche ist durch eine kohlenhydratreiche Hülle umgeben. Antennenförmige Zuckerketten der Glykoproteine und Glykolipide der Zellmembran sowie solcher der extrazellulären Matrix bilden die sogenannte Glykokalyx. Als erste Barriere schützt die Glykokalyx die Zelle vor mechanischen und chemischen Einwirkungen, vermittelt Zell-Zell-Interaktionen und verhindert unerwünschte Protein-Protein- Kontakte zu anderen Zellen. Die Lipidzusammensetzung ist in Bezug auf die intrazelluläre/zytosolische Seite und die extrazelluläre Seite der Zytomembran unterschiedlich.
Diese orientierte Organisation wird bewerkstelligt durch selektive Phospholipidtranslokatoren, Flippasen bzw. Floppasen genannt. Im Verlauf einer Apoptose wird diese Orientierung umgedreht und dient als Signal für die umgebenden Zellen.
Schematische Darstellung einer Zellmembran
Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren
Eine gesättigte Fettsäure (SFA, von engl. saturated fatty acids) ist – als Untergruppe der Alkansäuren – eine Fettsäure, die keine Doppelbindungen zwischen C-Atomen aufweist. Die gesättigten Fettsäuren bilden eine homologe Reihe mit der Summenformel CnH2n+1COOH.
Stearinsäure, eine gesättigte Fettsäure
Ungesättigte Fettsäuren besitzen als Alkensäuren mindestens eine C=C-Doppelbindung (MUFA, von engl. Monounsaturated fatty acids). Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA, von engl.
Polyunsaturated fatty acids) besitzen zwei oder mehr Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Kette. Da in natürlichen Fettsäuren die Doppelbindungen meist in der cis- Konfiguration vorliegen, entsteht ein Knick von etwa 30° in der Kohlenwasserstoffkette. Dadurch ist die Van-der-Waals-Wechselwirkung zu anderen Molekülen abgeschwächt; der Schmelzpunkt wird verringert. Einige ungesättigte Fettsäuren sind für den Menschen essentiell, da sie vom menschlichen Körper nicht synthetisiert werden können, aber benötigt werden. Dazu zählen Fettsäuren, die Doppelbindungen an bestimmten Positionen tragen, die Omega-n-Fettsäuren. Man unterscheidet einfach (Monoensäuren), doppelt (Diensäuren), dreifach (Triensäuren) oder mehrfach (Polyensäuren) ungesättigte Fettsäuren.
Ölsäure, eine ungesättigte cis-Fettsäure
Wie oben im Beispiel gezeigt, müssen die drei Fettsäureschwänze in einem Triacylglycerin nicht identisch sein. Fettsäureketten können sich sowohl in ihrer Länge als auch in ihrem Sättigungsgrad unterscheiden. Wenn es nur Einfachbindungen zwischen den benachbarten Kohlenstoffen in einer Kohlenwasserstoffkette gibt, wird die Fettsäure als gesättigt bezeichnet. (Die Sache, mit der die Fettsäuren gesättigt sind, ist der Wasserstoff; in einem gesättigten Fett sind so viele Wasserstoffatome wie möglich an das Kohlenstoffgerüst gebunden.) Wenn die Kohlenstoffkette
eine Doppelbindung enthält, wird die Fettsäure als ungesättigt bezeichnet, da sie jetzt weniger Wasserstoffe besitzt. Wenn es nur eine Doppelbindung in der Fettsäure gibt, ist sie einfach ungesättigt, wenn sie mehrere Doppelbindungen besitzt, dann ist sie mehrfach ungesättigt. Die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren können, wie andere Arten von Doppelbindungen, in einer cis- oder trans-Konfiguration vorliegen. In der cis-Konfiguration befinden sich die zwei Wasserstoffe, die an die Bindung gebunden sind, auf der gleichen Seite, während sie in der trans- Formation auf gegenüberliegenden Seiten liegen (siehe unten). Eine cis-Doppelbindung verursacht einen Knick oder eine Krümmung in der Fettsäure, eigene Eigenschaft, die wichtige Konsequenzen für das Verhalten von Fetten hat. Gesättigte Fettsäureschwänze sind gerade, sodass Fettmoleküle mit vollständig gesättigten Schwänzen eng beieinander liegen können. Dieses enge Liegen führt dazu, dass diese Fette bei Raumtemperatur fest sind (einen relativ hohen Schmelzpunkt haben). Das meiste Fett in Butter ist zum Beispiel gesättigtes Fett. Im Gegensatz dazu sind cis-ungesättigte Fettsäureschwänze aufgrund der cis-Doppelbindung gekrümmt. Dies macht es schwierig für Fettmoleküle mit einer oder mehreren cis-ungesättigten Fettsäureschwänzen eng beieinanderzuliegen. Daher sind Fette mit ungesättigten Schwänzen in der Regel bei Raumtemperatur flüssig (besitzen einen relativ niedrigen Schmelzpunkt) – sie sind, was wir gemeinhin als Öle bezeichnen. Olivenöl besteht zum Beispiel zum größten Teil aus ungesättigten Fetten.
Phospholipide
Phospholipide sind eine Gruppe von Lipiden mit Phosphatgruppe. Phospholipide gehören zu den polaren Lipiden. Phospholipide setzen sich aus einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und zwei hydrophoben (wasserabweisenden) Kohlenwasserstoffschwänzen zusammen. Sie sind amphiphil. Sie sind am Aufbau der Lipiddoppelschicht vieler Biomembranen beteiligt und kommen damit in allen tierischen und pflanzlichen Zellen vor. Phospholipide sind natürlich vorkommende Tenside. Phospholipide sind außerdem intrazelluläre Signalmoleküle, sowie Bestandteil der Gallenflüssigkeit und des Surfactant. Die Biosynthese von Phospholipiden ist eng mit der Biosynthese der Zellmembran verbunden. Sie findet in allen Zellen statt und erfolgt im endoplasmatischen Retikulum und Golgi-Apparat. Phospholipide sind neben Glykolipiden und Cholesterin eine der drei Hauptgruppen von Membranlipiden. Die Phospholipide sind hierbei für den typischen Membranaufbau verantwortlich. Diese Eigenschaft verdanken sie ihrer Amphiphilie.
In einem wässrigen Milieu wie im menschlichen Körper passiert folgendes: Ihre polaren Kopfgruppen wenden sich dem Wasser zu und ihre unpolaren Kohlenwasserstoffschwänze stoßen Wasser ab und lagern sich nach innen zusammen. Den Antrieb für das Zusammenlagern der Kohlenwasserstoffschwänze nennt man hydrophobe Wechselwirkung. Eine Möglichkeit der
Bildung einer globulären Struktur durch Phospholipide in wässrigem Milieu ist das Bilden von Mizellen. Die Außenseite wird hier durch die polaren Köpfe und die Innenseite durch die miteinander in Wechselwirkung tretenden Kohlenwasserstoffschwänze gebildet. Eine andere Möglichkeit der Membranbildung durch Phospholipide findet sich in fast allen biologischen Membranen wieder. Zum Beispiel der Zellmembran (Plasmamembran). Eine geschlossene Lipiddoppelschicht begrenzt sie die Zelle nach außen, sowie ihre Zellkompartimente im inneren.
Diese Membranen sind für das Leben unerlässlich. Die Fähigkeit für das Bilden einer Membran liegt in der Struktur der Phospholipide. Hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Fettsäureketten lassen diese sich zusammenlagern. Der polare Kopf stößt Wasser ab und schafft eine Barriere, die als geschlossene Struktur eine Membran zwischen einem Innen- und einem Außenraum bildet. Eine weitere Möglichkeit der Membranbildung durch Phospholipide ist die Bildung von Liposomen (auch Lipidvesikel), die im Gegensatz zu einer Mizelle von einer Lipiddoppelschicht umgeben sind. Man kann Liposomen als Modell für Untersuchungen der Membranpermeabilität oder als Transportvehikel für Medikamente verwenden. Phospholipide werden im Körper enzymatisch durch Phospholipasen gespalten. Unter der Einfügung von Wasser werden Bindungen gespalten. Phospholipasen gehören zu der Enzymgruppe der Hydrolasen. Sie werden unter anderem nach dem Ort ihres Angriffs auf ein Phospholipid unterteilt.
Schematische Darstellung von Phospholipiden, beispielsweise als Teil einer Membran. 1.
Hydrophiler Kopf. 2. Lipophiler Schwanz.
Unterschiedliche Strukturen die Phospholipide in wässrigen Lösungen annehmen können: Liposom, Mizelle, und Doppellipidschicht (Hauptbestandteil der Biomembran)
Einzelnachweise
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Frank Hoffmann: Charakterisierung von chiralen Langmuir-Filmen mit Hilfe von IR- spektroskopischen, thermodynamischen und abbildenden Methoden sowie biomimetische Ansätze zur Aufklärung der Wirkweise des antibiotischen Peptids Surfactin, Diss. Univ. Hamburg 2002.
Despopoulos, Agamemnon.: Taschenatlas Physiologie. 8., überarb. u. erw. Aufl. Thieme, Stuttgart 2012, ISBN 978-3-13-567708-8.
Gerold Adam, Peter Läuger, Günther Stark: Physikalische Chemie und Biophysik. 5. Auflage.
Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-642-00424-7.
Hans Beyer, Wolfgang Walter, Wittko Francke: Lehrbuch der Organischen Chemie. 23. Auflage. S.
Hirzel Verlag, Stuttgart, Leipzig 1998, ISBN 3-7776-0808-4.
Florian Horn: Biochemie des Menschen. Das Lehrbuch für das Medizinstudium. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2012, ISBN 978-3-13-130885-6.
Axel Zeeck, Stephanie Grond, Ina Papastavrou, Sabine C. Zeeck: Chemie für Mediziner. Hrsg.:
Axel Zeeck. 7. Auflage. Elsevier, München 2010, ISBN 978-3-437-42443-4.
Hans-Dieter Belitz, Walter Grosch: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 4. Auflage. Springer Verlag, Heidelberg/ Berlin 1992, ISBN 3-540-55449-1.