Post on 05-Jun-2018
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Zellbiologie
• Lichtmikroskopie
• Elektronenmikroskopie
• Biologische Membranen
• Membranverbindungen
• Lichtmikroskopie
• Elektronenmikroskopie
• Biologische Membranen
• Membranverbindungen
� Wichtige Membranen
� Eigenschaften der Membran
� Bausteine der Membran
� Membranfluidität
� Rolle des Cholesterins
� Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten
� Membranproteine
Biologische Membranen
Wichtige Membranen
1. Plasmamembran
2. Kernmembran(innere und äußere)
3. Membranen des ER und des Golgi-Apparates
4. Mitochondrienmembran(innere und äußere)
5. Peroxisomen- undLysosomenmembranLysosomen
1
2
3
3
4
5
Modell der Zellmembran(Fluid-Mosaik-Modell)
Gase
HydrophobeMoleküle
kleinepolare Moleküle
großepolareMoleküle
geladeneMoleküle
Membranpermeabilität
außen
innen
Eigenschaften der Zellmembran
� grenzt den Zellinnenraum gegenüber der Außenwelt ab� grenzt den Zellinnenraum gegenüber der Außenwelt ab
� über die Membran steht die Zelle in einem kontrolliertenInformationsaustausch mit ihrer Umgebung
� über die Membran steht die Zelle in einem kontrolliertenInformationsaustausch mit ihrer Umgebung
� Membranen sind äußerst dynamische Strukturen� Membranen sind äußerst dynamische Strukturen
� Membranen sind in vielfältiger Weise mit dem Zellstoffwechselerknüpft
� Membranen sind in vielfältiger Weise mit dem Zellstoffwechselerknüpft
� Membranen sind selektive Permeabilitätsschranken� Membranen sind selektive Permeabilitätsschranken
� Die Membran ist Trägerin von Enzymen.� Die Membran ist Trägerin von Enzymen.
� Die Membran ist Empfängerin und Verstärkerin regulatorischerSignale.
� Die Membran ist Empfängerin und Verstärkerin regulatorischerSignale.
Bausteine der biologischen Membranen
1. Lipide (Phospholipide, Glycolipide)1. Lipide (Phospholipide, Glycolipide)
2. Proteine (integrale/periphere)2. Proteine (integrale/periphere)
3. Kohlenhydrate (geringe Mengen)3. Kohlenhydrate (geringe Mengen)
4. Wasser4. Wasser
5. Divalente Kationen5. Divalente Kationen
6. Cholesterin (fehlt bei den meisten Procaryonten)6. Cholesterin (fehlt bei den meisten Procaryonten)
Zusammensetzung einiger biologischer Membranen
Membran % Lipid % Protein % Kohlen-hydrat
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 2-4membran
Innere Mitochondrien- 24 76 1-2membran
Grampositive Bakterien 25 75 10
Membran % Lipid % Protein % Kohlen-hydrat
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 2-4membran
Innere Mitochondrien- 24 76 1-2membran
Grampositive Bakterien 25 75 10
Phospholipide
GLYCERIN
Phosphat Alkohol
Fettsäure
Fettsäure
Phosphatidylserin (Cephalin)
Phosphatidylcholin (Lecithin)
Phosphatidylethanolamin
Phosphatidylinositol
Diphosphatidylglycerin(Cardiolipin)
Sphingosin Phosphat Cholin
Fett-säure
Sphingomyelin
Phosphoglyceride:
Strukturformeln
Phosphatidylserin(Cephalin)
Phosphatidylethanolamin
Phosphatidylcholin(Lecithin)
Phosphatidylinositol
CH2
Glycolipide
Sphingosin
Fett-säure
Glucoseoder
Galactose
Cerebroside(Zuckereinheit Glucose oderGalactose)
Ganglioside(komplexere Glycolipide, dieverzweigte Ketten mit bis zusieben Zuckerresten aufweisen)
Cerebroside(Zuckereinheit Glucose oderGalactose)
Ganglioside(komplexere Glycolipide, dieverzweigte Ketten mit bis zusieben Zuckerresten aufweisen)
Sphingosin: Aminoalkohol mit langer ungesättigterKohlenwasserstoffkette
Gangliosid GM1
CeramidCeramid
CeramidSphingosin
Fettsäure
GalGluc GalNAc
Fuc
Gal
Sphingosin
Fettsäure
GalGluc GalNAc
Fuc
Gal Gal
Fuc
Sphingosin
Fettsäure
GalGluc GalNAc Gal GalNAc
0-antigen
A-antigen
B-antigen
Blutgruppen-antigene
Phospholipid
Wasser
Wasser
Wasser
WasserLiposom
Lipid-doppel-schicht
Anordnung der Lipide in wässrigem Milieu
Unpolarer,hydrophober Teil
(=Fettsäureketten)Polare, hyodrophileKopfregion
Polare, hydrophileKopfregion
Lipiddoppelschicht
Phosphatidyl-cholin
Phosphatidyl-ethanolamin
Äußeres und inneres Membranblatt
Außerhalb der Zelle
Innerhalb der Zelle (Cytoplasma)
Sphingomyelin
Phosphatidyl-serin
Äußeres und inneres Membranblatt
Membran-phospholipid
ProzentualerAnteil am Gesamt-phospholipidgehalt
Verteilunginnerhalb der Membran
0 20 40 60 80 100Membranlipide [%]
� Cholesterin� Cardiolipin� Phosphatidylcholin� Phosphatidyl-
ethanolamin� kleinere Lipide� Sphingolipide
Plasmam.
Innere Mitochondrienm.
ÄußereMitochondrienm.
Lysosomenm.
Kernm.
Rauhes ER
Glattes ER
Golgi
Lipidzusammensetzung der Organellen in der Leber (Ratte)
� Lipiddoppelschicht wird stabilisiert durch hydrophobe Wechsel-wirkungen zwischen den Fettsäureketten der Membranlipide.
� Fluidität hängt ab von: LipidzusammensetzungCholesterinanteilTemperatur
� Tiefe Temperaturen: Lipide bewegen sich wenig;Lipiddoppelschicht liegt in einer annähernd kristallinen (para-kristallin, gelartiger Zustand) Anordnung vor
� durch Wärmezufuhr erfolgt Übergang vom parakristallinen zumflüssigen Zustand
(parakristallin; fest)
Membranfluidität
� Gesättigte Fettsäuren:lassen sich gut zu einer parakristallinen Anordnung packen
� Ungesättigte Fettsäuren:führen zu „Knicks“ in den Acylkettenerschweren die Bildung eines parakristallinen Zustandes
� Je höher der Anteil an gesättigten Fettsäuren in der Lipid-doppelschicht, desto höher liegt die Fest-flüssig-Übergangs-temperatur einer Membran.
(parakristallin; fest)
Membranfluidität
cis und trans
H H| |
- C = C -
H|
- C = C -|H
Palmitinsäure(16 C-Atome)
Stearinsäure(18 C-Atome)
Ölsäure(18 C-Atome)
cis-Doppelbindung
Fettsäuren
gesättigtgesättigt ungesättigtungesättigt mehrfach ungesättigtmehrfach ungesättigt
(18:0) (18:1) (18:2) (18:4) (18:0) (18:1) (18:2) (18:4)
Stearin-säure
Stearin-säure
Öl-säureÖl-
säureLinol-säureLinol-säure
Arachidon-säure
Arachidon-säure
Anzahl der cis-Doppelbindungen: 0 1 2 4
Fettsäuren
Vorliegen einer bzw. mehrerer FS mit cis-Doppelbindungen:� Störung der dichten Packung� führt zu weniger stabilen Verbänden
Gesättigte Fettsäuren(FS ohne Doppelbindung)
Gemisch von gesättigtenund
ungesättigten Fettsäuren(FS mit cis-Doppelbindungen)
Gesättigte / Ungesättigte Fettsäuren
gesättigte FS-Ketten:� kristalline Anordnung möglich
Cholesterin
davon leiten sich ab: SteroidhormoneGallensäurenVitamin D
hydrophil hydrophob
polarerKopf
Steroid-kern
Alkyl-Seiten-kette
(aus 27 C-Atomen)
� 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.
Rolle des CholesterinsEinbau von Cholesterin reduziert den Schmelzpunkt
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide
lateraleDiffusion
transversaleDiffusion(flip-flop)
schnell langsam
lateraleDiffusion
(10-6 sec)
transversaleDiffusion(flip-flop)(105 sec)
O O
*
*
CytosolCytosol
außerhalb der Zelleaußerhalb der Zelle
Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide
Nachweis der Membranfluidität
1. Fluoreszenzmikroskopie mit unterschiedlichen Farbstoffen
Fusion zweier Membranen
2. FRAP -Fluorescence Recovery After Photobleaching
Demonstration of lateral diffusion
� Wichtige Membranen
� Eigenschaften der Membran
� Bausteine der Membran
� Membranfluidität
� Rolle des Cholesterins
� Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten
� Membranproteine
Biologische Membranen
Transportproteine Transportproteine
Porenproteine Porenproteine
Enzyme Enzyme
Proteine, die der Zell-erkennung dienen Proteine, die der Zell-erkennung dienen
Hormonrezeptoren Hormonrezeptoren
photosensitive Pigmente photosensitive Pigmente
Strukturproteine Strukturproteine
Membran-proteine
Membran-proteine
„fluid mosaic model“
1. die meisten der Aminosäuren in Transmembransegmenten sind nicht-
polar (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
α-HelixBacteriorhodopsin
β-FaltblattPorin
Membranproteine: die beiden Strukturklassen
Membranproteine
-Helix
0,5 nm 0,5 nm
A B C
Abstand: 0,15 nmDrehung um 100°
Rhodopsin
REM-Aufnahme der Netzhaut
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 108 Moleküle pro Sekunde (Katalase turnover: 4 x 107 s-1)
� Wasser wird in einem kontinuierlichen Strom entlang des osmotischen Gradienten durch den Kanal transportiert
� Erythrocyten enthalten 2 x 105 Kanäle pro Zelle
Bindung, Oligomerisierung, und Transmembrane Insertion von Hämolysin 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“)
500 nm
• SM/DOPC-monolayer• AFM-Analyse (SM-reiche Region = grau)
10% Cholesterol 20% Cholesterol
33% Cholesterol 50% Cholesterol50% Cholesterol+ 10 mM MßCD
Lawrence et al., Biophys J. 2003;84:1827-32
Membranmikrodomänen („rafts“)
� Wichtige Membranen
� Eigenschaften der Membran
� Bausteine der Membran
� Membranfluidität
� Rolle des Cholesterins
� Bewegungsmöglichkeiten der Membrankomponenten
� Membranproteine
Biologische Membranen
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