Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie Biologische ... · (Fluid-Mosaik-Modell) Gase Hydrophobe Moleküle kleine polare Moleküle große polare Moleküle geladene ... „fluid mosaic

Zellbiologie

• 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


lateraleDiffusion

transversaleDiffusion(flip-flop)

schnell langsam

lateraleDiffusion

(10-6 sec)

transversaleDiffusion(flip-flop)(105 sec)

O O

*

*

CytosolCytosol

außerhalb der Zelleaußerhalb der Zelle


Nachweis der Membranfluidität

1. Fluoreszenzmikroskopie mit unterschiedlichen Farbstoffen

Fusion zweier Membranen

2. FRAP -Fluorescence Recovery After Photobleaching

Demonstration of lateral diffusion







� Membranproteine


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











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“)







� Membranproteine


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