Biologie für die Hauptfächer I

Beschreiben Sie die Struktur und Funktion von Membranen, insbesondere der Phospholipid-Doppelschicht

In diesem Artikel lernen wir die Struktur von Membranen kennen.

Struktur der Zellmembran

Die Plasmamembran einer Zelle definiert die Grenze der Zelle und bestimmt die Art ihres Kontakts mit der Umgebung. Zellen schließen einige Substanzen aus, nehmen andere auf und scheiden wieder andere aus, alles in kontrollierten Mengen. Plasmamembranen umschließen die Grenzen von Zellen, aber anstatt ein statischer Beutel zu sein, sind sie dynamisch und ständig im Fluss. Die Plasmamembran muss ausreichend flexibel sein, damit bestimmte Zellen, wie rote Blutkörperchen und weiße Blutkörperchen, ihre Form ändern können, wenn sie enge Kapillaren passieren. Dies sind die offensichtlicheren Funktionen einer Plasmamembran. Darüber hinaus trägt die Oberfläche der Plasmamembran Marker, die es den Zellen ermöglichen, sich gegenseitig zu erkennen, was für die Bildung von Geweben und Organen während der frühen Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist und später eine Rolle bei der Unterscheidung der Immunantwort zwischen „Selbst“ und „Nicht-Selbst“ spielt.

Die Plasmamembran trägt auch Rezeptoren, die Bindungsstellen für bestimmte Substanzen sind, die mit der Zelle interagieren. Jeder Rezeptor ist so strukturiert, dass er an eine bestimmte Substanz bindet. Zum Beispiel erzeugen Oberflächenrezeptoren der Membran Veränderungen im Inneren, wie Veränderungen in Enzymen von Stoffwechselwegen. Diese Stoffwechselwege könnten entscheidend sein, um die Zelle mit Energie zu versorgen, bestimmte Substanzen für die Zelle herzustellen oder Zellabfälle oder Toxine zur Entsorgung abzubauen. Rezeptoren auf der äußeren Oberfläche der Plasmamembran interagieren mit Hormonen oder Neurotransmittern und ermöglichen die Übertragung ihrer Botschaften in die Zelle. Einige Erkennungsseiten werden von Viren als Befestigungspunkte verwendet. Obwohl sie sehr spezifisch sind, können sich Krankheitserreger wie Viren entwickeln, um Rezeptoren auszunutzen, um Zugang zu einer Zelle zu erhalten, indem sie die spezifische Substanz nachahmen, die der Rezeptor binden soll. Diese Spezifität hilft zu erklären, warum das humane Immundefizienzvirus (HIV) oder eine der fünf Arten von Hepatitis-Viren nur in bestimmte Zellen eindringt.

Fluid Mosaic Model

1972 schlugen S. J. Singer und Garth L. Nicolson ein neues Modell der Plasmamembran vor, das im Vergleich zu früheren Erkenntnissen sowohl mikroskopische Beobachtungen als auch die Funktion der Plasmamembran besser erklärte. Dies wurde das Fluid Mosaic Model genannt. Das Modell hat sich im Laufe der Zeit etwas weiterentwickelt, erklärt aber immer noch am besten die Struktur und Funktionen der Plasmamembran, wie wir sie jetzt verstehen. Das Fluidmosaikmodell beschreibt die Struktur der Plasmamembran als ein Mosaik von Komponenten — einschließlich Phospholipiden, Cholesterin, Proteinen und Kohlenhydraten —, in denen die Komponenten fließen und ihre Position ändern können, während die grundlegende Integrität der Membran erhalten bleibt. Sowohl Phospholipidmoleküle als auch eingebettete Proteine können schnell und lateral in der Membran diffundieren (Abbildung 1). Die Fluidität der Plasmamembran ist für die Aktivitäten bestimmter Enzyme und Transportmoleküle innerhalb der Membran notwendig. Plasmamembranen reichen von 5-10 nm dick. Im Vergleich dazu sind menschliche rote Blutkörperchen, die lichtmikroskopisch sichtbar sind, etwa 8 µm dick oder etwa 1.000 mal dicker als eine Plasmamembran.

Abbildung 1. Das Fluidmosaikmodell der Plasmamembranstruktur beschreibt die Plasmamembran als eine flüssige Kombination von Phospholipiden, Cholesterin, Proteinen und Kohlenhydraten.

Die Plasmamembran besteht hauptsächlich aus einer Doppelschicht von Phospholipiden mit eingebetteten Proteinen, Kohlenhydraten, Glykolipiden und Glykoproteinen und in tierischen Zellen aus Cholesterin. Die Menge an Cholesterin in tierischen Plasmamembranen reguliert die Fluidität der Membran und ändert sich basierend auf der Temperatur der Zellumgebung. Mit anderen Worten, Cholesterin wirkt als Frostschutzmittel in der Zellmembran und kommt bei Tieren, die in kalten Klimazonen leben, häufiger vor.

Das Hauptgewebe der Membran besteht aus zwei Schichten Phospholipidmolekülen, und die polaren Enden dieser Moleküle (die in der Wiedergabe des Modells eines Künstlers wie eine Ansammlung von Kugeln aussehen) (Abbildung 1) stehen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle mit wässriger Flüssigkeit in Kontakt. Somit sind beide Oberflächen der Plasmamembran hydrophil („wasserliebend“). Im Gegensatz dazu ist das Innere der Membran zwischen ihren beiden Oberflächen aufgrund der Fettsäureschwänze eine hydrophobe („wasserhassende“) oder unpolare Region. Diese Region hat keine Anziehungskraft für Wasser oder andere polare Moleküle (wir werden dies auf der nächsten Seite weiter diskutieren).

Proteine bilden die zweite chemische Hauptkomponente von Plasmamembranen. Integrale Proteine sind in die Plasmamembran eingebettet und können die gesamte oder einen Teil der Membran überspannen. Integrale Proteine können als Kanäle oder Pumpen dienen, um Materialien in oder aus der Zelle zu bewegen. Periphere Proteine befinden sich auf den äußeren oder inneren Oberflächen von Membranen, die entweder an integrale Proteine oder an Phospholipidmoleküle gebunden sind. Sowohl integrale als auch periphere Proteine können als Enzyme, als strukturelle Anhänge für die Fasern des Zytoskeletts oder als Teil der Erkennungsstellen der Zelle dienen.

Kohlenhydrate sind die dritte Hauptkomponente von Plasmamembranen. Sie befinden sich immer auf der äußeren Oberfläche von Zellen und sind entweder an Proteine (Glykoproteine bildend) oder an Lipide (Glykolipide bildend) gebunden. Diese Kohlenhydratketten können aus 2-60 Monosaccharideinheiten bestehen und entweder gerade oder verzweigt sein. Kohlenhydrate bilden zusammen mit peripheren Proteinen spezialisierte Stellen auf der Zelloberfläche, die es den Zellen ermöglichen, sich gegenseitig zu erkennen.

Wie Viren bestimmte Organe infizieren

Abbildung 2. HIV dockt an und bindet an den CD4-Rezeptor, ein Glykoprotein auf der Oberfläche von T-Zellen, bevor es in die Zelle eindringt oder sie infiziert. (Kredit: änderung der Arbeit von US National Institutes of Health / Nationales Institut für Allergie und Infektionskrankheiten)

Spezifische Glykoproteinmoleküle, die auf der Oberfläche der Zellmembranen von Wirtszellen ausgesetzt sind, werden von vielen Viren ausgenutzt, um bestimmte Organe zu infizieren. Zum Beispiel ist HIV in der Lage, die Plasmamembranen bestimmter Arten von weißen Blutkörperchen, die als T-Helferzellen und Monozyten bezeichnet werden, sowie einiger Zellen des Zentralnervensystems zu durchdringen. Das Hepatitis-Virus befällt nur Leberzellen.

Diese Viren können in diese Zellen eindringen, da die Zellen Bindungsstellen auf ihrer Oberfläche haben, die die Viren mit ebenso spezifischen Glykoproteinen in ihren Hüllen ausgenutzt haben. (Abbildung 2). Die Zelle wird durch die Nachahmung der Virusmantelmoleküle ausgetrickst, und das Virus kann in die Zelle eindringen. Andere Erkennungsstellen auf der Virusoberfläche interagieren mit dem menschlichen Immunsystem und veranlassen den Körper, Antikörper zu produzieren. Antikörper werden als Reaktion auf die Antigene (oder Proteine, die mit invasiven Krankheitserregern assoziiert sind) hergestellt. Dieselben Stellen dienen als Orte für die Anheftung von Antikörpern und zerstören oder hemmen entweder die Aktivität des Virus. Leider werden diese Stellen auf HIV von Genen kodiert, die sich schnell ändern, was die Herstellung eines wirksamen Impfstoffs gegen das Virus sehr schwierig macht. Die Viruspopulation innerhalb eines infizierten Individuums entwickelt sich schnell durch Mutation in verschiedene Populationen oder Varianten, die sich durch Unterschiede in diesen Erkennungsstellen auszeichnen. Diese schnelle Änderung der viralen Oberflächenmarker verringert die Wirksamkeit des Immunsystems der Person beim Angriff auf das Virus, da die Antikörper die neuen Variationen der Oberflächenmuster nicht erkennen.

Phospholipide

Wie wir gerade erfahren haben, besteht das Hauptgewebe der Membran aus zwei Schichten Phospholipidmolekülen. Die hydrophilen oder „wasserliebenden“ Bereiche dieser Moleküle (die in der Wiedergabe des Modells eines Künstlers wie eine Ansammlung von Kugeln aussehen) (Abbildung 1) stehen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle in Kontakt mit der wässrigen Flüssigkeit. Somit sind beide Oberflächen der Plasmamembran hydrophil. Im Gegensatz dazu ist das Innere der Membran zwischen ihren beiden Oberflächen aufgrund der Fettsäureschwänze ein hydrophober oder unpolarer Bereich. Diese Region hat keine Anziehungskraft für Wasser oder andere polare Moleküle (wir werden dies auf der nächsten Seite weiter diskutieren).

Hydrophobe oder wasserhassende Moleküle neigen dazu, unpolar zu sein. Sie interagieren mit anderen unpolaren Molekülen in chemischen Reaktionen, interagieren jedoch im Allgemeinen nicht mit polaren Molekülen. In Wasser neigen hydrophobe Moleküle dazu, eine Kugel oder einen Cluster zu bilden. Die hydrophilen Bereiche der Phospholipide neigen dazu, Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser und anderen polaren Molekülen sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite der Zelle zu bilden. Somit sind die Membranoberflächen, die dem Inneren und Äußeren der Zelle zugewandt sind, hydrophil. Im Gegensatz dazu ist das Innere der Zellmembran hydrophob und interagiert nicht mit Wasser. Daher bilden Phospholipide eine ausgezeichnete zweischichtige Zellmembran, die Flüssigkeit innerhalb der Zelle von der Flüssigkeit außerhalb der Zelle trennt.

Abbildung 3. Dieses Phospholipidmolekül besteht aus einem hydrophilen Kopf und zwei hydrophoben Schwänzen. Die hydrophile Kopfgruppe besteht aus einer phosphathaltigen Gruppe, die an ein Glycerinmolekül gebunden ist. Die hydrophoben Schwänze, die jeweils entweder eine gesättigte oder eine ungesättigte Fettsäure enthalten, sind lange Kohlenwasserstoffketten.

Ein Phospholipidmolekül (Abbildung 3) besteht aus einem Drei-Kohlenstoff-Glycerin-Rückgrat mit zwei Fettsäuremolekülen, die an die Kohlenstoffe 1 und 2 gebunden sind, und einer phosphathaltigen Gruppe, die an den dritten Kohlenstoff gebunden ist.

Diese Anordnung gibt dem Gesamtmolekül einen Bereich, der als sein Kopf (die phosphathaltige Gruppe) beschrieben wird, der einen polaren Charakter oder eine negative Ladung hat, und einen Bereich, der Schwanz genannt wird (die Fettsäuren), der keine Ladung hat. Der Kopf kann Wasserstoffbrücken bilden, der Schwanz jedoch nicht. Ein Molekül mit dieser Anordnung eines positiv oder negativ geladenen Bereichs und eines ungeladenen oder unpolaren Bereichs wird als amphiphil oder „dual“ bezeichnet.“

Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Struktur einer Plasmamembran, da Phospholipide in Wasser dazu neigen, sich mit ihren hydrophoben Schwänzen einander zugewandt und ihren hydrophilen Köpfen nach außen zu ordnen. Auf diese Weise bilden sie eine Lipiddoppelschicht — eine Barriere aus einer Doppelschicht von Phospholipiden, die das Wasser und andere Materialien auf einer Seite der Barriere vom Wasser und anderen Materialien auf der anderen Seite trennt. Tatsächlich neigen Phospholipide, die in einer wässrigen Lösung erhitzt werden, dazu, spontan kleine Kugeln oder Tröpfchen (Mizellen oder Liposomen genannt) zu bilden, wobei ihre hydrophilen Köpfe das Äußere und ihre hydrophoben Schwänze das Innere bilden (Abbildung 4).

Abbildung 4. In einer wässrigen Lösung neigen Phospholipide dazu, sich mit ihren polaren Köpfen nach außen und ihren hydrophoben Schwänzen nach innen anzuordnen. (credit: Änderung der Arbeit von Mariana Ruiz Villareal)

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