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Lipid rafts und ihre Funktionin biologischen Membranen
Seminar Biotechnologie 1Lisa Marie FinklerSS 2012Betreuer: Prof. Dr. I. Bernhardt
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Gliederung Biologische Membranen
Aufbau Membranlipide Membranproteine
Funktionen einer biologischen Membran Fluid Mosaic Modell
Lipid Rafts Funktionen von Lipid Rafts
Ergebnisdarstellung „Stomatin, flotillin-1, and flotillin-2 are major integral proteins of
erythrocyte lipid rafts“ “Ca++-dependent viscle release from erythrocytes involves
stomatin-specific lipid rafts, synexin (annexin VII), and sorcin”
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Biologische Membranen
Grenze zwischen 2 Kompartimenten Intrazellulär (innerhalb einer Zelle) Interzellulär (Inneren einer Zelle zu Zellaußenraum)
Selektiv permeabel
Bestehen hauptsächlich aus: Lipiden Anteil ist je nach Membrantyp Proteinen unterschiedlich
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Aufbau einer biologischen Membran
[1]
5
Aufbau einer biologischen Membran
Membranlipide bilden die Grundstruktur (Doppelschicht) Amphiphatisch
Hydrophiler Kopf Lipophiler Kohlenwasserstoffrest
Permeabilitätsschranke
Phospholipide Sphingolipide Cholesterin
Mizelle Lipiddoppelschicht Liposom [2]
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Aufbau einer biologischen Membran
Phospholipide Phosphatidylcholin(siehe Abbildung) Phosphatidylserin Phosphatidylethanolamin Phosphatidylinositol
häufigste Membranlipide
[3]
7
Aufbau einer biologischen Membran
Sphingolipide
„Signalübertragung, Interaktion zwischen einzelnen Zellen, Zellwachstum, Zelldifferenzierung, Zelltod“ [6]
[4]
8
Aufbau einer biologischen Membran
Cholesterin Steroid-Grundgerüst Hydrophiler Anteil (OH-Gruppe) Membranoberfläche
Hydrophober Rest Innerhalb der Membran
Gehalt an Cholesterin beeinflusst die Fluidität der Membran [5]
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Aufbau einer biologischen Membran
Membranproteine
Integrale Membranproteine
(1-3)
Periphere Membranproteine
(4)
Lipidverankerte Proteine
(5)
[6]
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Aufbau einer biologischen Membran
Integrale Membranproteine Amphiphatisch
Hydrophober Anteil innerhalb der MembranVerankerung durch Wechselwirkung mit Fettsäureketten Hydrophiler Anteil außerhalb der MembranWechselwirkungen mit der Umgebung
Periphere Membranproteine Nichtkovalente Bindungen an Membran bzw. Proteine
Lipidverankerte Proteine Kovalente Bindung an ein Lipid (z.B.: GPI-Verankerung)
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Funktionen einer biologischen Membran
Kompartimierung
Selektive Permeabilität
Transportvorgänge
Signalaufnahme, Weiterleitung, Abgabe
Ort der Energie- sowie Stoffumwandlung (Träger von Enzymen)
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Fluid Mosaic Modell
1972 S.J. Singer und G.L. Nicolson
Modell zum Aufbau der biologischen Membran Flüssig-kristalline Lipiddoppelschicht(Hydrophile „Köpfe“ der Membranlipide außen,Hydrophobe „Fettsäureschwänze“ innen) Membranproteine inselartig eingelagert, lateral frei beweglich
dynamische Struktur
[7]
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Fluid Mosaic Modell Membranfluidität
Lipidzusammensetzung Cholesterinanteil (hoher Anteil erhöhte Viskosität) Temperatur
Stabilität durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den FettsäurekettenWärmezufuhr: Übergang von kristallinem zu flüssig-kristallinem Zustand
[8]
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„Lipid Rafts“- Lipidflöße
[9]
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„Lipid Rafts“- Lipidflöße Unterscheiden sich in
ihrer Zusammensetzung von anderen Membranbereichen Sphingolipide Cholesterin Glycolipide GPI-verankerte Proteine
Stärker geordnet und dichter gepackt
Caveolae Ausbuchtungen der
Membran Caveolin als wichtigste
Strukturelement
hochdynamische StrukturenZusammenlagerungAuflösung
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Funktionen von Lipid Rafts
[8]
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Funktionen von Lipid Rafts
[9]
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Ergebnisdarstellung
„Stomatin, flotillin-1, and flotillin-2 are major integral proteins of erythrocyte lipid rafts“ von Ulrich Salzer, Rainer Prohaska; blood (2001 97:1141-1143)
Erkenntnisse über die Zusammensetzung von Lipid Rafts
Verwendete Methoden Isolation der Lipid Rafts aus Erythrozyten durch Extraktion Gelektrophorese, Silberfärbung Membranmarker: Acetylcholinesterase (AChE) Western Blot
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Ergebnisdarstellung
A: diskontinuierliche Dichtegradientenzentrifugation
(Spur 1: Pellet, Spur 2: hohe Dichte,Spur 3: mittlere Dichte, Spur 4: Lipid Rafts)B: Extraktion in alkalische Lösung
(Na2CO3)(Spur T: Suspension vor Extraktion,Spur S: Überstand, Spur P: Pellet)
Stomatin, Flotillin-1 und -2 Integrale lipid raft assoziierte
Membranproteine Protein 4.1 und 4.2, Spectrin, Actin Periphere Membranproteine
Methode A Methode B
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Ergebnisdarstellung
Immunblot der isolierten Lipid Rafts
Oligomere Komplexbildung von Flotillin-1 und -2 sowie Stomatin
Spur 1 und 2: Erythrozytenmembraneines OHSt krankem Patienten;Spur N: gesunde Person Stomatin ist nicht in Spur 1 und
2 nachweisbar (OHSt)
OHSt: Overhydrated Hereditary Stomatocytosis
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Ergebnisdarstellung
“Ca++-dependent vesicle release from erythrocytes involves stomatin-specific lipid rafts, synexin (annexin VII), and sorcin” von Ulrich Salzer, Peter Hinterdorfer, Ursula Hunger, Cordula Borken, Rainer Prohaska; blood (2002 99: 2569-2577)
Erkenntnisse über die Bestandteile von Lipid Raftssowie über die calciumabhängige Vesikulation
Verwendete Methoden Rasterkraftmikroskopie Calciumabhängie Vesikulation Trennung der Mikro- und Nanovesikel durch Zentrifugation Gelektrophorese, Silberfärbung Western Blot
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Ergebnisdarstellung
Methode A und B unterscheiden sich Zentrifugationsmethoden A) Spur 1: Erythrozytenmembran
Spur 2: MikrovesikelSpur 3: Nanovesikel
B) Spur 1: ErythrozytenmembranSpur 2 und 3: MikrovesikelSpur 4: Nanovesikel
Stomatin in Mikrovesikel Synexin und Sorcin in Nanovesikel Carboanhydrase ( CA) und
Hämoglobin (Hb) in beiden nachweisbar
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Ergebnisdarstellung
A sowie B: Auswirkung von Ca2+ bzw. EDTA-Zugabe
S: Überstand; P: Pellet nach Zentrifugationaq: aquatisch; dt: detergent nach Phasenseperation
Synexin und Sorcin nach Ca2+ Zugabe im Pellet, nach EDTA Zugabe im Überstand
Stomatin: keine Auswirkungen Stomatin nach
Phasenseperation durch Triton X-114 nur noch in der detergenten Phase
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Ergebnisdarstellung Periphere Membranproteine
Durch hydrophobe Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen an Membran gebunden
Ablösen durch Veränderung des pH-Wertes, des Puffers, der Salzkonzentration (EDTA)
Integrale Membranproteine Ablösen durch Detergenz
(Triton X-114)
Stomatin Integrales Membranprotein, Cytoskelettanker
beteiligt am Kationentransport (Na+/K+)
Abwesenheit: Overhydrated Hereditary Stomatocytosis
Synexin Peripheres, calciumbindendes Protein Exozytoseprozesse, Membranfusion
Sorcin Peripheres, calciumbindendes
Membranprotein Signaltransduktion
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Abbildungsverzeichnis
[1] http://www.biokurs.de/skripten/bilder/membr3.jpg[2] Biochemie: Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten
von Philipp Christen,Rolf Jaussi, Springer (2005)[3] www.chemgapedia.de [4] http://www.bioc.uzh.ch/blexon/s:sphingomyelin[5] http://www.guidobauersachs.de/oc/lipide.html[6] Karlsons Biochemie und Pathobiochemie von Peter Karlson,Detlef Doenecke,Jan
Koolman,Georg Fuchs,Wolfgang Gerok, Thieme, 15. Auflage (2005)[7] http://www.rauhfasler.de/wp-content/uploads/2010/04/Fluid-mosaic-diagram-Singer-
and-Nicholson-resized-150x150.jpg[8] http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/Jacob/membranen.pdf[9] Taschenlehrbuch Biochemie von Gerd P. Püschel,Hartmut Kühn,Thomas
Kietzmann,Wolfgang Höhne, Thieme (2011) [10]http://www.nature.com/nrn/journal/v8/n2/fig_tab/nrn2059_F2.html[11]http://www.nature.com/nrm/journal/v1/n1/fig_tab/nrm1000_031a_F1.html
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Quellen[1] Biochemie der Ernährungvon Gertrud Rehner,Hannelore Daniel, Spektrum, 3. Auflage (2010)[2] Karlsons Biochemie und Pathobiochemie von Peter Karlson,Detlef Doenecke,Jan Koolman,Georg
Fuchs,Wolfgang Gerok, Thieme, 15. Auflage (2005)[3]http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/transport/membranentransport.vlu/
Page/vsc/de/ch/8/bc/transport/membran_aufbau_funktion.vscml.html[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Lipide#Membranbildende_Lipide[5] www.lipidsignalling.de/lipidimfocus/sphingolipide.php[6] Biochemie von H. Robert Horton,Laurence A. Moran,K. Gray Scrimgeour,J. David Rawn,Marc D.
Perry, Pearson Studium, 4. Auflage (2008)[7] Biochemie Zellbiologie von Katharina Munk, Thieme (2008)[8] Kurzlehrbuch Histologie von Norbert Ulfig, 3. Auflage, Thieme (2003)[9] Molekulare Zellbiologie von Gerald Karp,Sebastian Vogel,Susanne Kuhlmann-Krieg, Springer, 4.
Auflage (2005)[10]www.deutscher-apotheker-verlag.de/.../tx.../9783804721074_p.pdf[11]http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/biok/4304[12]Taschenlehrbuch Biochemie von Gerd P. Püschel,Hartmut Kühn,Thomas Kietzmann,Wolfgang
Höhne, Thieme (2011)[13]http://cshperspectives.cshlp.org/content/3/10/a004697.full[14]http://www.nature.com/nrn/journal/v8/n2/fig_tab/nrn2059_F2.html[15]http://www.fwf.ac.at/de/abstracts/abstract.asp?L=D&PROJ=P15486[16]http://www.nature.com/nrm/journal/v1/n1/fig_tab/nrm1000_031a_F1.html[17]http://www.fwf.ac.at/de/finals/final.asp?L=D&PROJ=P12907[18]http://www.uniprot.org/uniprot/P20073