Biomembranes

= wichtige PL in der Zellmembran

Phosphatydil:

• choline

• ethanolamine

• serine

• inositol

oft negative Ladung wegen Phosphatgruppe

amphiphatisch (hrydophile & -phobe eigenschaften)

• Glycerol Backbone

• 2 Fettsäuren

• an Phosphatgruppe: Cholin-Molekül

• äussere Schicht

• häufigstes PL

• Bildung Lipid-Doppelschicht -> Membranfluidität & Ingerität

• Glycerol Backbone

• 2 Fettsäuren

• an Phosphatgruppe: Ethanolamin-Gruppe

• Membranstruktur & -krümmung

• Membranfusion & -teilung

• innere Schicht

• Glycerol Backbone

• 2 Fettsäuren

• an Phosphatgruppe: Serin-Molekül

• Signalüertragung & Apoptose

• Aktivierung von Enzymen für Blutgerinnung

• innere Schicht

• Glycerol Backbone

• 2 Fettsäuren

• an Phosphatgruppe: Inositol-Ring

• Signalübertragung

• kann phosphoriliert werden -> Phosphoinosite = sek. Botenstoff

• Regulierung Cytoskelett

1) Membran Fluidität: “Puffer” der Fluidität bei verschiedenen Temperaturen reguliert

• hohe T°C: verhindert, dass Membran zu flüssig wird -> schränkt Bewegung der PL ein

• niedrige T°C: verhindert, dass Membran zu starr wird -> verhindert das Lipidmoleküle sich zu engzusammen packen

2) Stabilität: erhält Dichte & Steifigkeit

3) Lipid Rafts: Plattform für Signalübertragung -> Mikrodomäne: reich an Cholesterol & Sphingolipiden

• verrringert Membran Permeabilität

• Fördert Lipid Rafts

• verhindert Phasentrennung

• Erhöht Fluidität in Gelphase

  • durch Cholesterol sind Lipide weniger eng verbunden = Reduzierung Steifigkeit

  • kann PhasenübergangT°C erhöhen, damit Membran in Gelphase bleibt

• Reduziert Fluidität in flüssigkristalin Phase

  • lann Lipide in Bewegung einschränken = füllt Raum dazwischen = Membran wird starr

    
    

• lange Kohlenwasserstoffketten + Carboxylgruppe

• Bausteine für Lipide: va. Triglyceride & Phospholipide

• Energiequelle

• Signalübertragung

  
  

• gesättigt: nur Einfachbindungen zw. C-Atom -> gerade & dicht gepackt

• ungesättigt: 1 / mehrere Doppelbindungen

  • Cis: H-Atome an DB auf gleicher Seite = Knick (verhindert enge Packung) = niedrige Schmelz-T°C

  • Trans: H-Atome an DB auf gegenüberliegender Seite = macht Kette gestreckt

Funktion:

• Stabilität und Schutzfunktion & Isolation von Nervenzellen zB in Myelinscheide

• Signalübertragung

• Zell-Zell-Erkennung & Kommunikation

• komplexer Aufbau:

  • Sphingosin: Aminoalkohol mit einer langen Kohlenwasserstoffkette

  • Ceramid: Sphingosin über Amidbindung mit FS verbunden

  • zusätzlich: verschiedene SLipide entstehen durch Hinzufügen verschiedener Gruppen an Ceramid

• Arten:

  • Sphingomyelin: Verknüpfung Ceramid mit Phosphocholin-Gruppe

  • Glycosphingolipide: Bindung mit Ceramid an 1 / mehrere Zuckerresten

• Stoffwechsel:

  • im ER & Golgi synthetisiert

  • Kondensation von Serin & Palmitoyl CoA = bildet Sphingoanin

  • dann Dihydroceramid

  • dann Ceramid

Funktion:

• Barrier

• selektive Permeabilität

• Signal-Übertragung

• Zelladhäsion / Kommunikation

• strukturelle Unterstützung

Aufbau:

• Phospholipide

  • Kopf: hydrophil (Phosphat + Gruppe) - nach aussen

  • Schwänzchen: hydrophobe FSKetten - nach innen

• Membranproteine: Integral / Peripher

• Kohlenhydrate: Glykoprotein / -lipide -> auf äußerer Oberfläche

  
  

Organisation:

• Asymmetrie

• Flüssig Mosaik Model: Lipide & Proteine können sich seitlich in der Ebene der Doppelschicht bewegen, = Fluidität

Ursachen: T°C, Lipidzusammensetzung, Struktur, Cholesterol

1) Lateral:

• Bewegung innerhalb der Membran (horizontal) ohne Verlassen der Membran

• möglich wegen flüssigkristaliner Phase

• schnelle ewegung

• Anpassung der Lipide an Bedingungen / Anforderungen der Zelle

2) Rotation:

• Drehbewegung um eigene Achse

• Anpassung der Moleküle an Umgebung -> effiziente Orientierung

  
  

3) Flip Flop:

• Bewegung eines Lipids von einer Membranhälfte zur anderen

  -> komplette Durchquerung der Lipid DS

• sehr langsame Bewegung: Enzyme, die Lipide aktiv zur anderen Seite transportieren (Aufrechterhaltung der Asymmetrie) = Flippasen

• erhöte Fluidität

• erhöte Permeabilität

• verminderte Ordnung

• verminderte Schmelztemperatur

• erhöhter Schmelzpunkt

• erhöhte Ordnung

• steigende DS-Dicke = kleinere Are per Lipid

• verminderte Fluidität

• verminderte Permeabilität

Verhalten von Lipiden in Membran je nach: T°C, Lipidzusammensetzung, Cholesteringehalt

Phospholipide: amphiphatisch & wässrige Umgebung: ordnen sich zu Bilayer an

Gel Phase:

• niedrige T°C

• Lipide eng gepackt & geordnet & wenig flexibel

• wenig laterale Bewegung, in Position fixiert

• Membran: wenig flüssig, starr

  -> Mikrodomänen

Flüssig-kristaline Phase:

• Lipide: frei beweglich & können sich verschieben

• Lipide: laterale & rotations Mobilität

• FS-Ketten: bewegen, drehen & biegen

  -> Stofftransport (leichter durchlässig)

• Mikrodomänen in Membran (weniger fluide Bereiche)

• reich an Sphinolipiden & Cholesterol

• Signaltransduktion

• Proteinsortierung

• Membranorganisation

• Lipid & Protein Verteilung in inneren & äusseren Membran unterschiedlich

• aussen: Phosphatidyl-Choline PC , Sphingomyelin SM

• innen: Phosphatidyl-ethanolamine PE, -Inostidol PI, -serine PS

Enzyme:

• Scramblases: transport from outside to inside (vice versa) - no energy

• Flippase: pumps PS & PE from outside to inside - uses ATP

• Floppase: transports PC & SM from outside to inside - uses ATP

negatively charged lipids (PS, PI) are inside

Ursache:

• amphihatisch: spontane Bildung DS

• selbstorganisation -> schwänzchen weg von wasser!!

• Energieminimierung: DS verringert ungüstigste Interaktionen der schwänzchen mit Wasser!

• Stabilität & Dynamik

• Selbstheilung: kleine Risse oder Lücken entstehen -> Lipide arrangieren sich neu -> wiederherstellung Struktur

• Energiebarriere: hydrophile oder geladene Moleküle können ungehindert die Membran durchdringen = Aufrechterhaltung von Konzentrationsgradienten

Ursachen:

• Proteine / Lipide mit gebogener Geometrie

• Asymmetrische Verteilung von Lipiden

• Bindung Proteinen an Membran

Polymorphism:

• Inverted cone:

  • positive Krümmung (convex)

  • kurze gesättigte Ketten

  • große Kopfgruppe

  • PI, Lysolipide, Detergents

• cone like shape:

  • negative Krümmung (concav)

  • ungesättigte Ketten

  • kleine Kopfgruppe

  • PE, Cholesterol

• cylindical lipid

  • mix aus conical & inverted conical lipids = lamellar bilayer phase

  • PC, PS

• non lamellar lipid phases:

  • cubic: lipid/lipd mix (with protein), Mitochondria, in response to stress

  • hexagonal

  • cubosomes

= Unterschied in Länge der hydrophoben Bereiche der Proteine & Lipid-DS

Urspung:

• Längenunterschiede

• Mismatch Szenarien

Auswirkungen:

• Membranspannungen

• Protein & Membrandeformation

• Einfluss auf Membranproteinfunktion

• Lipid Domänenbildung

zB: Transmembranprotein mit langem hydrophoben Segment in Membran mit kruzen FSKetten = Protein entweder selbst geknickt oder die Lipide dehnen um Spannung auszugleichen!

DPPC:

• forms gel phase bilayers = more rigid & ordered,

• geht bei steigender T°C in fk Phase über

• 2 gesättigte FS

• in Alveolen (prevents Zusammenfall

DOPC:

• forms fluid phase bilayers = more fluid & dynamic (RaumT°C: flüssig ungeordnete Phase)

• 18 C-Atome & DB an 9. Position

Mix:

• coexistence of both

1) Röntgenbeugung: Untersuchung Struktur von Materialien auf atomarer / molekularer Ebene

• Röntgenstrahlen treffen aus Probe, werden von e gestreut = Entstehung Streumuster

• Info über: Anordnung von Atomen / Molekülen innerhalb Probe

2) Small Angle XRay Scattering:

• nutzt Steuung von Röntgenstrahlen an kleinen Winkeln = Info über nanoskalige Struktur von Proben

• Strahl trifft auf Probe, wird gestreut und resultierende Muster vin Detektor aufgefangen (hexagonal und kubisch haben andere Muster = unterscheidung)

4) FRAP = fluorescence recovery after Photobleaching:

• kleiner Bereich von fluoreszenz makierten Molekülen wird gebleicht (andere nicht) = dann beobachten wie sich Fluoreszenz wieder im ganzen Molekül verteilt

• Messung: Beweglichkeit (Diffusionsrate) der Moleküle

• viel in Mitochondrienmembran (va. in innere)

• promotes: non lamella phase

Important for:

• fusion & fission

• mitochondria biogenesis

• degradation of damaged Mitochondria -> Signaling

1) Präsynaptische Signalübertragung:

• AP erreicht präsynaptisches Terminal

• spannungsabhängige CaKanäle öffnen -> Calcium Ionen strömen in präsynt. Terminal

• Fusion: Neurotransmitter & präsyn. Membran = Freisetzung NT in synpt. Spalt

2) synaptischer Spalt:

• NT diffundieren durch synpt. Spalt

• binden an Rezeptoren auf postsnypt. Membran

3) Postsynaptische Signalübertragung:

• Bindung NT an Rezeptoren öffnet Ionenkanäle / initiiert Signalwege in postsynapt. Zelle

  -> Depolarisation oder Hyperpolarisation (je nach AP)

aus: prä- & postsynaptischen Terminal + synapt. Spalt

• Signalübertragung durch Freisetzung NT aus präsynpt. Terminal

• AP öffnet spannungsabhg. Ca+Kanäle

• NT werden in synpt. Spalt entlassen & binden an Rezeptoren auf postsynapt. Membran

  -> Änderung Membranpotential d. nachgeschalteten Neurons

aus: Gap Junctions, die benachbarte Zellen elektrisch verbinden

• Kanäle zwischen Zellmembranen, die ermöglichen, dass Ionen / kleine Moleküle transportiert werden

• elektrische Signale schnell & synchron übertragen (keine NT)

1. Initiierungsphase: Neuron wird über Schwellenwert hinaus depolarisiert. Der Schwellenwert = Membranpotenzial, wenn genügend spannungsgesteuerte Natriumkanäle geöffnet wurden, sodass der Einstrom von Natriumionen den Ausstrom von Kaliumionen dominiert

2. Depolarisationsphase: negatives Potenzials im Zellinneren = immer mehr Natriumionen fließen rein = weitere Depolarisation der Zellmembran

3. Overshoot Phase: Permeabilität für Kaliumionen geringer als Natriumpermeabilität = Prozess geht weiter bis Membranpotenzial nahe dem Natrium-Gleichgewichtspotenzial

4. Repolarisationsphase: spannungsgesteuerten Natriumkanäle beginnen sich zu inaktivieren. Bisschen später = spannungsgesteuerten Kaliumkanäle sich zu öffnen. Aufgrund des positiven Membranpotenzials beginnen immer mehr Kaliumionen in die Zelle zu fließen

5. Hyperpolarisationsphase: fast alle spannungsgesteuerten Natriumkanäle jetzt geschlossen = Gesamt-Natrium-Membranpermeabilität sehr gering = Abfall des Membranpotenzials nahe dem Kalium-Gleichgewichtspotenzial.

6. Refraktärperiode: Natriumkanäle bleiben eine Weile inaktiviert und verhindern so die Erzeugung eines neuen Aktionspotentials während dieser Zeit

PL ordnen sich zusammen: spontane Bildung der DS

(je nach Konzentration: DS oder Micellen)

• aufgrund amphiphatischer Eigenschaft

• Faktoren:

  • ph Wert & ionische Stärke

  • Cholesterin

  • Temperatur

PE & PS am äusseren Leaflet = signal für Makrophagen (Immunabwehr) = Phagozytose

In Krebszellen = Aktivität Flippase sinkt & Aktivität Scramblase steigen = PS nach aussen transportiert ABER zu hohe Konzentration an CD47 -> hemmt Phagozytose = PS bleibt aussen = keine Asymmetrie mehr !

• Zelle va permeabel für Kalium = Membranpotential nahe Ausgleichspotential für Kalium Ionen

• aber Natrium Ionen macht es weniger negativ = -70mV (anstatt -92mV)

• Kalium Leak Channels steuern Ruhepotential = selektiv NUR für Kalium und immer offen!

• Function:

  • Batterie (Energie)

  • Signalübertragung

= highly selectiv, selective filter in pore region -> separation of natrium und kalium wegen hydratschale! Kalium kann durch, weil kann die Schale wegmachen und dann passen! Natrium zu groß!

• Voltage gated

• external ligands / intacellular ligand

• membrane tension

• based on T°C, light etc

Integral

Peripheral

Lipid anchored

• GPI anchored =posttranslationale Modifikation, bei der Proteine durch ein Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker an die Zellmembran gebunden werden

  = heften an Membran OHNE in DS einzudringen!

• Protein prenylation = hydrophobe Prenylgruppen (wie Farnesyl- oder Geranylgeranylgruppen) an Cysteine nahe dem C-Terminus eines Proteins gebunden

• protein palmitoylation = palmitic acid

• protein myristoylation = myristic acid