Lipide und Membranen

—> Zellen werden von biologischen Membran begrenzt

• verhindern Austreten der in der Zelle vorhandenen Molekule

• verhindern unkontrolliertes Eindringen von Molekulen in die Zelle

• enthalten Transportsysteme zur Aufnahme erwunschter oder zum Ausschlesen unerwunschter Molekule (selektive Pereabilitat von Membranen)

—> bestehen hauptsachlich aus Lipiden und Proteinen (Verhaltnis 4:1 bis 1:4)

• Lipide bilden eine Permeabilitatsschranke; haben hydrophilen und hydrophoben Anteil; bilden bimokulare Schichten (Lipiddoppelschicht)

• Proteine wirken als Transportkomponenten

—> blattartige Strukturen, die nur zwei Molekule dick sind (6-10nm)

—> stabile nichtkovalente Molekulandordnung

—> flussie Strukturen (2D Losungen)

—> asymmetrisch

—> elektrisch polarisiert (Innenseite -60mV)

= Kohlenwasserstoffketten unterschiedlicher Lange, die mit einer Carboxylgruppe enden

Sie können sein:

• Gesättigt (keine Doppelbindungen)

• Ungesättigt (eine oder mehrere Doppelbindungen)

=> fettsauren sind Basuteine von vieler Lipide

—> Fettsauren sind schwache Sauren

—> Fettsauren kann man nach Kettenlange, dem vorhandenen Doppelbindungen, der Moglichkeit zur fettsauresynthese einteilen

• Unter 4 C-Atomen → keine Fettsäure

• 4 – 7 C-Atome → kurzkettige Fettsäure

• 8 – 12 C-Atome → mittelkettige Fettsäure

• Über 12 C-Atomen → langkettige Fettsäure

—> gehen von C4 bis C24

Beispiele:

• Buttersäure (C4),

• Capronsäure (C6),

• Linolsäure (C18) und Arachidonsäure (C20).

  
  

—> Doppelbindungen in cis Konformation, durch mind. eine Methylengruppe getrennt.

=> Die Bezeichnung Omega-n gibt an, wo die erste Doppelbindung in einer ungesättigten Fettsäure liegt – vom Ende der Kette aus gezählt.

—> Das Omega-Ende (ω) ist das letzte C-Atom der Fettsäurekette

-> also das Methylende (-CH₃)

—> Gezählt wird vom Omega-Ende nach vorn

Ölsäure: Erste Doppelbindung an Position 9 → Omega-9-Fettsäure

Linolensäure: Erste Doppelbindung an Position 3. → Omega-3-Fettsäure

Wofur sind die gut?

• Gehirn & Nervensystem

• Gedächtnis & Lernleistung

• Herz-Kreislauf-System

• Entzündungshemmung

• Cholesterinbalance (mehr HDL!)

• Schwangerschaft & Stillzeit

• Unterstützung bei Depression, ADHS, MS …

Kettenlange und Anzahl der Doppelbindungen beeinflussen den Schmelzpunkt der Fettsauren (und damit auch die Fluiditat des entsprecheneden Lipids)

Kettenlänge der Fettsäure:

• Je länger die Kohlenstoffkette → desto höher der Schmelzpunkt

Doppelbindungen (ungesättigt)

• Je mehr Doppelbindungen → desto niedriger der Schmelzpunkt

Fluidität = Beweglichkeit der Lipidmoleküle in der Membran

—> je flüssiger desto durchlässiger, flexibler und funktionsfähiger ist die Membran.

Ein Phosphoglycerid besteht aus 3 Hauptteilen:

1. Glycerin-Rückgrat

   • verbindet alles

   • Strukturzentrum

2. 2 Fettsäuren

   • hydrophob (hasst Wasser)

   • bilden die Schwanze der Lipiddoppelschicht

3. Phosphatgruppe + Alkohol

   • hydrophil (liebt Wasser)

   • bildet den “Kopf” des Lipids

Sphingomyelin = Ceramid + Phosphocholin

—> ungesättigte Fettsaure

Besteht aus:

1. Sphingosin

   • ein Aminoalkohol

   • mit einer langen, ungesättigten Kohlenwasserstoffkette

2. Fettsäure

   • An das Sphingosin wird eine Fettsäure angehängt

     —> Ceramid

   • Die Verbindung ist eine Amidbindung

3. Phosphocholin

   • An die freie OH-Gruppe von Sphingosin kommt:

     • ein Phosphat

     • und daran gebunden: Cholin

=> Cholesterin kommt in den Zellmembranen vor und hat zudem vielfaltige wichtige Funktionen in unserem Korper z.B. ist es die Ausgangssubstanz fur die Bildung von Hormonen, den Steroidhormonen

• Steroid

• hoher hydrophober Anteil

• Cholesterin kann bis zu 25% aller Lipide in der Plasmamembran ausmachen

• abwesend in intrazellulären Membranen

• nicht in Prokaryonten vorkommend

—> Fettlösliche Vitamine sind lipophil wie Fettsäuren,brauchen Lipide zur Aufnahme (z. B. in Mizellen mit Gallensäuren),und wirken in oder an Membranen

Manche Vitamine lösen sich nicht in Wasser, sondern in Fett – weil:

• Sie bestehen aus langen Kohlenwasserstoffketten

• Sie haben wenig polare Gruppen

• Sie ähneln strukturell Fettsäuren oder Lipiden

Die Vitaminen sind:

• Vitamin A

• Vitamin E

• Vitamin D_2

• Vitamin K_1

—> Amphipathische Moleküle können in wässrigen Medien Micellen oder Doppelschichtmembranen bilden

Amphipathische Moleküle

= Moleküle mit hydrophilem (wasserliebendem) und hydrophobem (wassermeidendem) Teil

Micellen = eng begrenzte Strukturen

• kugelförmig

• hydrophobe Schwänze innen, hydrophile Köpfe außen

• meist aus einfachen Fettsäuren oder Detergenzien

Doppelschichtmembranen = können makroskopische Dimensionen erreichen

• wie in biologischen Membranen

• hydrophile Köpfe zu Wasser gerichtet (innen und außen), hydrophobe Schwänze dazwischen

—> erfolgt sponntan durch Selbstaggregation

Was passiert dabei?

1. Die Lipide ordnen sich so an, dass:

   • ihre hydrophilen Köpfe nach außen (zum Wasser) zeigen

   • ihre hydrophoben Schwänze sich nach innen verbergen

2. Es entsteht eine stabile Doppelschicht (Bilayer)

Folgen:

1. Ausbreitungsbestreben → Lipide wollen möglichst große Fläche bilden

2. Selbstorganisation → Lipide schließen sich automatisch zusammen

3. Selbstheilung → kleine Risse reparieren sich spontan

=> Weil die Lipid-Doppelschicht nicht alles durchlässt (Permeabilitat):

→ entstehen geschlossene Räume in der Zelle (= Kompartimente)

→ dort können spezielle Vorgänge ablaufen, getrennt vom Rest

=> Permeabilitat von Lipiddoppelschichten ist abhnagig von der Art der durchtretenden Molekule

Weil die Lipid-Doppelschicht nicht alles durchlässt (Permeabilitat) —> Bildung von Kompartimente

Was kommt durch?

• Ja: Hydrophob, gasformig; polar, klein

• Nein: Polar, gross, geladen; Ionisch

—> Membranlipide können auch innerhalb der Membran diffundieren.

Man unterscheidet zwischen lateraler und transversaler Diffusion:

• Laterale Diffusion: Bewegung von Membranlipiden innerhalb einer Membranebene

• Transversale Diffusion (flip-flop): Wechsel eines Phospholipids von einer Seite der Membran auf die andere

Diffusion = passive Bewegung von Teilchen (z. B. Molekülen oder Ionen) von einem 0rt hoher Konzentration zu einem Ort niedriger Konzentration, bis ein Konzentrationsausgleicherreicht ist.

= innere und äußere Seite einer biologischen Membran unterschiedlich aufgebaut sind – sowohl was die Lipide als auch die Proteine betrifft

=> Die Membran-Fluidität wird bestimmt von der Fettsäurezusammensetzung und dem

Cholesteringehalt

Regulation der Membran-Fluidität:

• Bakterien steuern die Fluidität ihrer Membranen durch Variation von Länge der Fettsäureketten und Sättigungsgrad der Fettsäureketten.

• Tierische Zellen regulieren die Fluidität ihrer Membranen durch Einbau von Cholesterin

—> Proteingehalt von Membranen: 18% (Nervenzellen) -75% (Mitochondrien)

—> erkennen und transportieren Substanzen und Signale über die Membran mithilfe von:

• Pumpen,

• Kanälen,

• Rezeptoren

• Enzymen

  
  

Man unterscheidet zwischen:

• peripheren

• integralen Membranproteinen

-> Integrale Proteine mussen nicht zwingend die komplette Membran durchspannen

Alpha-Helices:

Integrale Membranproteine können Membranen mit α-Helices durchziehen.

beta-Faltblatter:

Kanalproteine können aus β-Faltblättern gebildet werden(„β-Faßstruktur“)

= Lösliche (Cytoplasmatische) Proteine können mit Hilfe von hydrophoben Molekülen mit Membranen assoziieren („Membran-Anker“)

Palmitylierung:

• Palmitoylgruppe wird über eine Thioesterbindung mit einem spezifischen Cysteinrest verbunden.

Farnesylierung:

• Farnesylgruppe ist gebunden an einen Cysteinrest am carboxyterminalen Ende.

Archaea:

–> Etherbindung(C–O–C) zwischen Glycerin und Lipid

–> stabiler gegen Hitze, Säure, Salz usw.

—> verzweigte Isoprenoidketten (z. B. Phytanyl)

Bakterien & Eukaryoten:

—> Esterbindung (C–O–C=O)

—> empfindlicher

—> unverzweigte Fettsäuren

Durch die stabileren Etherbindungen und Isoprenoidseitenketten

→ können Archaea inextremen Umgebungen überleben

Konzentrationsgradient = Ungleiche Verteilung von Molekülen über eine Membran

=> Speicherung chem. Energie in Form von Konzentrationsgradienten

—> Transport durch Membranen kann passiv (Kanäle) oder aktiv (primäre und sekundäre Transporter), also unter ATP-Verbrauch, erfolgen

—> (Ionen-) Kanäle erlauben den Durchtritt von Ionen durch Membranen, wobei die Kanalstruktur und Interaktionen der Ionen mit AS innerhalb des Kanals die Spezifität der Kanäle bestimmen

—> Änderung in freier Energie bei Transport von ungeladenen Molekülen

1. ATP liefert die chem. Energie zum Transport von Molekülen und wird von Transporter-Proteinen umgesetzt.

2. Primäre Transporter nutzen ATP-Hydrolase zum Transport gegen einen Konzentrationsgradienten.

Beispiel für einen primären Transporter: Na+ K+ ATPase

Konzentrationsgradient/ elektrochemisches Potential, die durch primäre Transporter erzeugt werden —> werden von sekundären Transportern zum Transport anderer Moleküle genutzt.

Sekundäre Transporter nutzen bestehende Substrat-Gradienten, um andere Substrate durch die Membran zu transportieren (Symporter oder Antiporter)