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Warum wir beide (Detergensien und Fossolepide) brauchen, um biologische Membranen zu verstehen. Detergensien versus Fossolepide, beides sind amphipathische Moleküle, amphi für beides, pathisch für eine Art Leiden oder Erdulden oder Eigenschaft oder was auch immer. Sie sind amphipathisch sowohl hydro...

Warum wir beide (Detergensien und Fossolepide) brauchen, um biologische Membranen zu verstehen. Detergensien versus Fossolepide, beides sind amphipathische Moleküle, amphi für beides, pathisch für eine Art Leiden oder Erdulden oder Eigenschaft oder was auch immer. Sie sind amphipathisch sowohl hydrophob als auch hydrophil, nämlich hydrophile Kopfgruppe, hydrophober Rest. Detergensien sind gut wasserlöslich und bilden Mitzellen, die Monomere sind oberflächlich aktiv. Detergensien können aber auch hydrophobe Moleküle umschließen und sie so wassermöslich machen, das nimmt an Emulgieren und die Grundlage von Waschmitteln. Im Gegensatz dazu, Fossolepide sind schlecht wasserlöslich als Monomere und die bilden keine Mitzellen, sondern Doppelschichten. Aber, das kommt gleich später, Lysophosfolipide mit nur einer Fettsäurekette können wie Detergensien wirken. Und ein technischer Aspekt und das werden Sie im Praktikum brauchen, Detergensien können Proteine denaturieren, Lipide nicht. Sie werden sogenannte Proteingele laufen lassen mit dem Detergens SDS, Sodium Dodecyl Sulfate, das war dieses Molekül hier, Natrium Dodecyl Sulfat, Dodecyl für 12 Kohlenstoffe, Natrium und Sulfat. Auf Englisch Sodium Dodecyl Sulfate, abgekürzt SDS. Also, wir hatten die Chemie von Phospholipiden und von Detergensien besprochen und einige Eigenschaften begonnen anzudiskutieren. Und bevor wir jetzt das nächste Bild machen, gehen wir gleich eins weiter und ich zeige Ihnen, wie das aussieht, wenn man das Experiment macht. Auf der linken Seite hier ist ein Lipid und zwar haben wir das Lipid von einer bakteriellen Kultur, das nennt sich Total Lipids. Alle Lipide, die in diesem E. coli Bakterium vorkommen, haben wir in wässrige Lösung gegeben und ziemlich lange geschüttelt, 48 Stunden. Und wie ich Ihnen gesagt habe, richtig löslich ist das nicht, sondern was hier rauskommt, ist etwas, was komplett trüb ist. Und wir wissen jetzt, dass das, was hier in der Lösung vorliegt, sind relativ große, kugelförmige, wir nennen die Vesikel oder Liposomen. Manchmal sind die mit nur einer Doppelschicht, manchmal sind sie zwiebelförmig mit mehreren Doppelschichten, aber der Hauptaspekt ist, sie sind relativ groß und zwar mehrere hundert Nanometer groß. Darum ist das trüb. Das ist nicht trüb, weil eine bestimmte Farbe absorbiert wird, sondern weil das Licht gestreut wird und zwar das sichtbare Licht wird hier gestreut und dann kommt hinten raus nur noch ein trübes Licht, weniger Licht und das ist die Grundlage hier von unserem Wissen, dass hier große Partikel drin sein müssen. Im Gegensatz dazu, auf der rechten Seite ist ein Detergens, und zwar ist es genau das, was in den Vorlesungsunterlagen ist, nämlich Natrium-Dodecylsulfat, Sodium-Dodecylsulfate, sehr hohe Konzentration, zwölf Prozent und Sie sehen hier absolut klare Lösung und die Interpretation ist wieder, was immer für Partikel hier drin schwimmen, sind klein und zwar zu klein, als dass sie sichtbares Licht, welches wir sehen können, streuen könnten. Die streuen schon was, aber nicht das Licht, was wir sehen, nämlich eher allenfalls im UV-Bereich oder noch kleiner. Wenn wir die beiden jetzt mischen, dann sehen wir, was hier passiert und sehen es dann gleich noch mal drüben im Experiment. Wenn eine Lipidmembran mit einem Detergens gemischt wird, dann beginnen die Detergensmoleküle, die sind hier mit rotem Kopf angezeichnet, sich einzufügen in diese Lipiddoppelmembran und je mehr Detergens wir dazugeben, in diesem Fall ist es ein mildes Detergens, Dodesol Maltoside, also C12 und dann ein Maltosid, das war die Struktur auf dem Bild vorher. Je mehr wir dazugeben, desto mehr beginnen die Eigenschaften des Detergens zu dominieren und dann irgendwann sind es nicht mehr Lipiddoppelschichten, sondern es werden eben gemischte Zellen, mixed micelles. Wenn Protein drin war, Membranprotein, dann ist auch das Teil einer mixed micelle und tatsächlich reinigen wir so Membranproteine und Membranproteine sind über ein Drittel aller Proteine und über 60 Prozent aller Targets für Pharmazeutika, von daher sind es wichtige Proteine. Wieder, ich bin nicht objektiv, ich untersuche Membranproteine, darum finde ich das so spannend, aber der Punkt ist auch ganz objektiv, Membranproteine und Phospholipide können solubilisiert werden mit Detergensien und das tun wir im Labor und sie werden das hier im Labor tun und das ist ein Protein mit einem Detergens und der Effekt ist sehr ähnlich, der hydrophobe Teil des Detergens geht in den hydrophoben Kern des Proteins und entfaltet das Protein und während es das tut und falls das Detergens eine negative Ladung trägt, wird das ganze Protein negativ geladen und dann können sie es im Gel laufen lassen. Im Experiment sieht das dann so aus, wenn wir vom Detergens zufügen zu den Lipiden, dann sehen wir, dass diese Suspension ein bisschen weniger trüb wird und wenn wir noch mehr zufügen, wird es noch weniger trüb und nach einer gewissen Weile ist fast komplett klar und das ist, wenn die Detergenseigenschaften zu dominieren beginnen und die Lipiddoppelschicht sich auflöst und es kleine gemischte Mitzellen gibt. Gemischte Mitzellen ist nicht etwas, was es nur im Reaktionsgefäss gibt, gemischte Mitzellen ist die Grundlage ihrer Fettverdauung, ihre Leber stellt gemischte Mitzellen her in der Galle und zwar sind dort Detergensien, Phospholipide und noch ein bisschen Cholesterin, Cholesterin kommt gleich, aber die zwei sind genau dort als mixed my cells und die helfen ihnen aus dem Essen, was sie aufnehmen, die Lipide zu extrahieren und dann zugänglich zu machen für ihren Körper. Also wir sprechen hier nicht von purer akademisch, akademischem Zeugs, was ohne Anwendung ist, das hoch anwendbar. Und jetzt kommt der Hauptpunkt. Wir hatten besprochen, Phospholipide, Detergensien und Membranen und wie passt das alles zusammen? So passt zusammen. Die verschiedenen amphipatischen Moleküle verhalten sich so, weil sie verschiedene Formen haben. Wir können das vereinfacht verstehen, zum Beispiel, wenn ein Phospholipid aussieht wie ein Zylinder, mehr oder weniger. Was ist damit gemeint? Was damit gemeint ist, ist, dass die Kopfgruppe, wenn man von oben auf den Phospholipid schaut, vielleicht einen ähnlichen Platzbedarf hat, wie hinten dran im Durchschnitt die Fettsäurereste. Wenn die Kopfgruppe viel größer ist als der hydrophobe Teil hinten, dann sieht es vielleicht eher so aus. Das wäre dann eher wie ein Keil oder ein Kegel, ein umgekehrter Kegel und das wäre ein Detergens. Das wäre ein Phospholipid, das wäre ein Detergens. Jetzt gibt es auch die Möglichkeit, dass die Kopfgruppe sehr klein ist und hinten dran, wenn man von oben drauf schaut, brauchen die Fettsäureketten viel viel mehr Platz. Das wäre ein Kardiolipin. Und wenn ein Kardiolipin allein in Lösung wäre, dann würde es auch keine Lipiddoppelschicht machen. Warum nicht? Das geht geometrisch nicht, denn wenn sie packen, wenn sie solche Moleküle packen, dann können sie ja nicht Abstand zwischen den einzelnen Molekülen haben. Die hydrophoben Teile werden zusammenpacken, sodass kein Wasser dazwischenkommt und das werden sie so tun, dass auch die Kopfgruppen mehr oder weniger den Platz ausnützen, der vorhanden ist. Die werden nicht einfach ganz viel Wasser dazwischen haben wollen, sondern werden auch nahe oder so gut packen, wie es eben geht. Und aus dieser geometrischen Überlegung folgt sofort, dass je nach Form des amphipathischen Moleküls kriegen wir entweder eine negative Kurvatur, negative Curvature, positive Curvature, wo die Kopfgruppen mehr Platz brauchen oder neutral, zero Curvature. Wenn alles neutral ist, dann bauen wir eine Doppelschicht. Wenn alles positive Curvature ist, bauen wir eine Mitzelle. Wenn alles negative Curvature ist, bauen wir eine umgekehrte Mitzelle. Nun sagen Sie mir vielleicht, aber das kommt ja gar nicht vor in der Zelle. Was spricht der Mann? Das sehen wir doch gar nicht. Das ist korrekt. Aber die Zelle besteht auch nicht nur aus einem Phospholipid und aus einer Komponente, sie besteht aus einem Mix. Und dieser Mix erlaubt es nun der Zelle, Krümmung in der Membran zu stabilisieren. Und wir nehmen ein ganz, ganz extremes Beispiel. Von dem haben Sie sicher schon gehört. Mitochondrien, das sind die Arbeitsfabriken in uns. Eine Leberzelle hat mehrere hundert Mitochondrien und die arbeiten ganz besonders fest, wenn sie gerade gegessen haben. Und hier ist ein elektronenmikroskopisches Aufnahme, ein Bild, ein zweidimensionales Schnitt durch einen Mitochondrien. Und wir sehen hier diese Membranen, die durch das ganze Mitochondrien reichen, mit extremen Kurvungen und Krümmungen an den Spitzen. Diese Spitzen nennt man Kriste, die sind hier, die sind hier, wo die Membranen wahnsinnig stark gekrümmt sind. Das ist Teil der Funktion. Sie werden später sehen, dass dort das ganze ATP der Zelle hergestellt wird. Und auf diesen flachen Teilen findet die oxidative Phosphoryllierung, die in der Atmungskette statt, welche es dann die Protonen liefert. Kommt alles in der Biochemie, no worries. Aber entscheidend ist, sie brauchen diese Krümmung und sie muss stabil sein, damit es dort, damit sie sich nicht von alleine wieder zum Beispiel flach macht. Und das kann erreicht werden mit der richtigen Mischung von Phospholipiden und unter Umständen Asymmetrie. Wir sehen das hier. Wir schauen so eine gekrümmte Doppelschicht an und die Legende dazu. Phosphatidylcholin, von dem geht man normalerweise aus, dass es ein Bilayerlipid ist, macht gerne klare, flache Lipiddoppelschichten. Warum? Weil die Kopfgruppe etwa gleich gross ist, wie die Fetteuren unten dran. Bei Inositol, das ist leider in diesem Bild nicht so gut gezeichnet, stimmt es nicht mehr ganz. Inositol ist nämlich größer als Cholin und hat eine größere Kopfgruppe und darum sehen wir es auch hier im äußeren Leaflet, in der äußeren Schicht der Lipiddoppelschicht. Vielleicht sollten wir den Ausdruck noch machen. Eins von denen wäre ein Leaflet, eine Schicht. Es gibt dann ein inneres und ein äusseres Leaflet, eine innere und eine äussere Schicht in einer Doppelschichtmembran. Im Gegensatz dazu brauchen sie auf der Innenseite der extremen Krümmung ein paar Lipide, wo die Fettsäuren sehr viel Platz brauchen, aber die Kopfgruppen sehr wenig Platz beanspruchen und das sind die Kardiolipine. Hier sehen wir eins, da sehen wir eins, da, da und so weiter und genau dort finden wir sie auch an der Innenseite dieser extremen Krümmungen. Wir fassen zusammen, der ganze Lipid-Zo in der Zelle lässt sich beschreiben als amphipathische Moleküle mit Kopfgruppen und hydrophoben Seiten, hydrophoben Resten und die hydrophoben Reste können verschiedene Chemien haben, die Kopfgruppe können verschiedene Chemien haben, aber wenn man es auf den einfachsten Nenner runterbricht, geht es alles um Geometrie. Je nach Geometrie der Kopfgruppe versus Reste hat die Zelle die Möglichkeit, bestimmte Krümmungen in Membranen zu stabilisieren. Wir werden später sehen, das ist nicht der einzig Aspekt, es geht auch darum, eine gewisse Fluidität zu haben in der Membran, aber das ist schon mal von der Form her, von den Lipid-Doppelschichten ganz wichtig. In Isolation würden viele der zellulären Lipide keine Doppelschichten bilden und nur einzelne würden und diese Mischung ist wichtig für die Zelle, für diese beiden Aspekte Shape und Fluidity und das ist der Grund, warum die Zelle so viel in Lipid-Synthese investiert und so viele unterschiedliche Lipide macht. Okay, wir gehen einen Schritt weiter und fragen uns, was geschieht denn in einer solchen Lipid-Doppelschicht? Ist das etwas Starres? Ist das etwas Dynamisches? Gibt es hier Bewegung? Und ich empfehle Ihnen dann bei Gelegenheit auch dieses YouTube-Video anzuschauen, dann werden Sie sehen, dass wenn man das simuliert, dann sind Lipid-Doppelschichten enorm dynamisch. Das wackelt dann wie verrückt und die Lipide wechseln ihre Positionen, diffundieren von links nach rechts, von rechts nach links, tanzen umeinander herum, aber nicht alles ist erlaubt. Manchmal gehen die Lipide ein bisschen nach unten, nach oben, aber keines der Lipide springt ins Wasser rein zum Beispiel. Ebenso ist es extrem selten, dass ein Lipid von diesem Leaflet ins andere springt. Das können wir verstehen, denn die Kopfgruppe, die ja hydrophil ist, müsste durch diesen hydrophoben Kern hindurch diffundieren und das kostet viel Energie. Das ist eine riesige energetische Barriere, die im Normalfall nicht überschritten wird. Damit haben wir auch bereits gesagt, was die Grundlage ist, warum Lipid-Doppelschichten so gute Eigenschaft hat als Barriere. Es fällt nämlich irgendwelchen hydrophilen Molekülen gar nicht so leicht, hier durch zu gelangen. Obwohl Dynamik besteht, können hydrophile Moleküle und schon gar nicht geladene Moleküle, Ionen, in diesem Bereich sein, denn sie müssten eine große Energie überwinden, eine Barriere überwinden, um dort hinein zu diffundieren. Also laterale Diffusion innerhalb des Leaflets, kein Problem. Flip-Flop, großes Problem, sehr langsam, kaum beobachtet ist auch die Grundlage, dass es eben möglich ist, asymmetrische Lipidmembranen aufrecht zu erhalten, die Asymmetrie aufrecht zu erhalten. Können wir so etwas beweisen? Wenn das stimmt, diese Simulation und das Austauschen in zwei Dimensionen, aber nicht in drei, dann müssten wir das ja experimentell beweisen können. Und ein Beweis ist dieses Experiment hier, das nennt sich auf Englisch FRAP für Fluorescence Recovery After Photo Bleaching. Ich schreibe wirklich furchtbar heute. Sie denken vielleicht nicht nur heute, okay, alles klar. Fluorescence Recovery After Photo Bleaching, FRAP, abgekürzt. Das Experiment geht so. Wir finden einen Weg, irgendeine Komponente einer Lipidmembran, Grünfluoreszenz oder mit irgendeiner Fluoreszenz zum Leuchten zu bringen. Das kann ein Phospholipid sein, welches wir mit einem fluorescenten Molekül modifizieren oder ein kleines Protein, welches Fluoreszenz mitbringt, zum Beispiel mit einem Green Fluorescent Protein. Aber meistens wird dieses Experiment gemacht mit einem kleinen Lipid, welches einen fluorescenten Tag trägt. Und den Tag, die fluorescente Einheit, die schießen wir kaputt mit dem Laser an einer bestimmten Position der Zelle. Dann richten wir das Spektrofotometer oder das Fluorimeter auf diese Stelle und fragen, kommt die Fluoreszenz zurück? Und das ist nicht ganz so schön hier dargestellt oder nicht so ganz leicht dargestellt, aber Sie erkennen es hier ganz leicht. Hier ist das Ausbleichen, das Kaputschießen, Bleaching, und dann mit der Zeit stellt sich heraus, dass von der Seite Fluoreszenz wieder hineindiffundiert. Und das beweist die zweidimensionale Diffusion innerhalb einer Lipidmembran. Die ist nicht in jeder Lipidmembran gleich, hängt davon ab, was die Temperatur ist natürlich, hängt davon ab, welche Phospholipide in dieser Zelle und in dieser Zellmembran vorhanden sind. Aber diese zweite Diffusion kann so experimentell bewiesen werden. Und das Experiment wurde mehrfach gemacht, können Sie jederzeit wiederholen, das bleibt. Und damit kommen wir zum wohl schwierigsten oder ein bisschen unklarsten Konzept bei Lipidmembranen. Und das ist das Konzept der Fluidität. Und wir beginnen wieder mit einer hypothetischen reinen Membran, die besteht aus nur einem Phospholipid. Isoliertes Phospholipid macht eine bestimmte Lipiddoppelschicht, irgendein Phosphatidylcholin, welches eine Lipiddoppelschicht macht. Jetzt stellt sich heraus, wenn wir das untersuchen im Labor, dann gibt es da einen bestimmten Phasenübergang und zwar hängt es von der Temperatur ab, wie dynamisch diese Membran ist, ob zum Beispiel Photorecovery stattfindet oder nicht. Und man kann das dann ziemlich lange untersuchen, wir gehen nicht in alle Details hier, aber man findet heraus, dass wenn die Temperatur tief ist, dann geht die Dynamik so tief runter, dass man von einem Liquid Liquid Crystallin oder Flüssig-Crystallinen Zustand spricht. Die Lipide zittern zwar noch, aber sitzen im Prinzip in einem Art zweidimensionalen Kristallgitter. Und das ist, hier sieht man die gute Anordnung, all diese Fettsäure resten praktisch parallel zueinander und die bewegen sich da auch nicht mehr weg. Wenn sie jetzt die Temperatur anheben, beginnt das System zu wackeln, zu wackeln, zu wackeln und irgendwann gibt es einen Übergang und die zweidimensionale Diffusion ist wieder erhalten. Die Lipide können wieder diffundieren, wie sie wollen und dann haben wir Fluidität. Diesen Phasenübergang nennt man die Melting Temperature und zwar die Melting Temperature einer Membran, einer Lipid-Doppelschicht. Nun, die Zelle hat ein Interesse daran, Fluidität zu halten. Nicht nur, weil sie immer wieder neue Lipide einfügen muss, wird ja immer neues synthetisiert. Wenn die Zelle wachsen will, müssen ja auch die Membranen wachsen, also muss die Zelle Lipide synthetisieren können, einfügen können und die anderen müssen zur Seite rücken. Die können hier aber nicht zur Seite rücken, geht aber alles kaputt. Man braucht, die Zelle braucht Dynamik in der Membran, um zu leben, sonst geht es nicht. Und sie wird alles daran setzen, diese Dynamik, diese Fluidität aufrecht zu erhalten und im schlimmsten Fall, wenn es sein muss, macht sie neue Lipide und da kommen wir zum Schmelzpunkt vom ganzem Anfang. Dann ändert sie die Membran, indem sie andere Fettsäureketten einbaut, damit die Fluidität erhalten bleibt. Wo kann das nötig sein? Das ist nötig, wenn eine Zelle nicht wählen kann, was gerade die Temperatur ist. Wir wählen, wenn wir nicht Fieber haben, haben wir nur mehr oder weniger 37 Grad Celsius in den meisten von unseren Zellen. Da gibt es keine Not daran, ständig unsere Lipide zu ändern, unsere Membranen sind fluid. Aber wenn sie eine Pflanze sind, wenn sie ein Bakterium sind oder ein Archäon oder irgendein Organismus, wo die Temperatur nicht festgehalten werden kann, dann müssen sie die Fluidität gewährleisten, indem sie die Lipide verändern, die Teil dieser Membran sind. Wie hoch wollen sie gehen? Ah, sie wollen aber auch nicht zu hoch gehen. Wenn sie zu hoch gehen, dann reißt die Lipidmembran auseinander und wir haben keine Barrierefunktion mehr und alles, was Zellinhalt war, ist jetzt nach außen gewandert. Und das wäre eine Katastrophe, weil für viel Energie haben sie gerade Proteine synthetisiert, sie haben Metabolismus gemacht, sie haben Zucker aufgenommen, das dürfen sie nicht verlieren. Also muss die Zelle diesen Kompromiss sehr genau beobachten, genug Fluidität in der Membran, aber nicht zu viel. Wie tut sie das? Wir hatten es bereits erwähnt, man kann die Fettsäureketten ändern. In welche Richtung? Nun, das ist nun wirklich direkt ableitbar von den biophysikalischen Eigenschaften dieser Fettsäuren und der Lipide und der daraus gebildeten Lipide. Zum Beispiel, wenn die Länge der Fettsäureketten geändert wird, dann ändert sich diese Melting Temperature, dieser Phasenübergang, ebenso, wenn es mehr Doppelbindungen gibt. In welche Richtung geht es? Das können wir hier anschauen. Zum Beispiel hier mit keinerlei Doppelbindung. Je länger, dass die Fettsäureketten sind, desto höher ist die Melting Temperature. Das ist ganz analog wie die Schmelztemperatur der gereinigten Fettsäuren. Nur, dass wir hier nicht gereinigte Fettsäuren besprechen, sondern Phospholipide, die aus diesen Fettsäuren aufgebaut sind. Der Trend bleibt. Das heißt, wenn sie auf einmal als Bakterium bei 20 Grad waren und jetzt werden sie in 37-grädiges Medium geschmissen oder in 40, müssen sie möglichst schnell ihre Fettsäuren anpassen, neue Lipide bauen, die alten abbauen und dann werden sie längere Fettsäureketten nehmen. Was werden sie zusätzlich machen? Sie werden schauen, dass sie die Doppelbindungen korrekt gestieren. Also hier sehen wir ein Beispiel von 0, das ist leider kein gutes Beispiel, 18 und 18. 0 zu einer Doppelbindung. Und der Effekt ist genau gleich wie beim Schmelzpunkt. Die Melting Temperature stürzt geradezu ab. Das können wir gut verstehen, denn wenn sie solche Fettsäureketten mit diesen Fettsäureketten vergleichen, dann hat der Knick natürlich die Konsequenz, dass die Fluidität ganz von alleine zunimmt, denn das lässt sich nicht gleich gut packen. Also braucht es viel tiefere Temperatur, dass so etwas überhaupt gepackt wird oder viel tiefere Temperatur, um es fluid zu machen. Hier ist es einzeln ausformuliert, was kürzer oder längere Fettsäuren als Konsequenz haben. Und das entscheidende Konzept, die Mischung macht es aus, die Zelle gestiert, damit die Fluidität in dem Maß oder in dem Bereich ist, die die Zelle benötigt. Große Vereinfachung. Große Vereinfachung ist, es gibt auch noch Membranproteine. Die machen etwa die Hälfte der Masse aus, haben auch einen Einfluss. Korrekt. Das Konzept hier bleibt immer noch genau gleich korrekt. Was haben Sie sonst noch für eine Möglichkeit, diese Fluidität zu beeinflussen? Nun, Tiere, dazu gehören wir auch. Machen das, indem Sie nicht nur mit Phospholipiden arbeiten, sondern noch einen anderen wichtigen Bestandteil in die Membranen einbauen und das ist Cholesterin. Cholesterin ist ein ganz spezielles Molekül. Die Struktur ist hier drüben gezeigt. Sie müssen es in diesem Kurs erst passiv wiedererkennen. Später vielleicht müssen Sie es dann mal lernen bei Gelegenheit. Dieser Teil ist starr. Das ist ein tetrazyklicher Scaffold oder tetrazykliches Gerüst, nennen wir das, Cholesteringerüst und Sie werden das Gerüst übrigens in ganz vielen Molekülen in der Biochemie vorfinden. Ganz vielen Hormonen natürlich, Ergosterol, Testosteron und so weiter. All diese Dinger haben das hier als Gerüst. Dann die ganzen Gallensalze, von denen wir gerade gesprochen hatten, die Detergentien, haben alles als das als Gerüst. Das Cholesterinmolekül ist sozusagen der Granddaddy von all diesen großen Klassen von Molekülen, die Sie alle noch antreffen werden und die hier alle möglichen Veränderungen haben oder Modifikationen haben. Dieser Teil ist beweglich, aber entscheidend, all das ist stark hydrophob und nur dieses kleine Teilchen hier, die Hydroxylgruppe, ist hydrophil. Cholesterin mischt sich gut mit Lipiddoppelschichten und wenn es tut, dann stellen wir uns das etwa so vor. Hier sehen wir ein paar Lipide, Phospholipide im Stick-Modell, damit man es unterscheiden kann von einem Cholesterinmolekül, welches im Van der Waals oder im Carlotten-Modell hier angezeigt ist. Man sieht auf dieser Darstellung, auf der rechten Seite sieht man es besser. Hier ist das Sauerstoffatom und hier ist ein zweites, hier drüben auch. Das zeigt natürlich in Richtung wässrige Lösung, wässrige Grenzschicht, weil es die einzige hydrophile Gruppe ist im Cholesterin. Der starre Teil ist dann sozusagen nahe der Grenzschicht und der bewegliche Teil des Cholesterins ist an der Grenzfläche des einen Leaflets zum anderen, da wo auch die anderen Fettsäureketten am allermeisten wackeln. Was passiert, wenn Cholesterin in so einer Doppelschicht drin ist? Was ist die Konsequenz für die Fluidität? Und das sehen wir hier auf der rechten Seite, in diesem Diagramm. Wenn kein Cholesterin vorhanden ist, dann ist die Kurve, hier ist die Fluidität, hier ist die Temperatur, dann ist die rote Kurve sehr ähnlich, wie was wir vor zwei Slides gerade diskutiert hatten. Relativ scharfer Phasenübergang von Liquid crystalline zu Fluid dynamisch. Wenn Cholesterin vorhanden ist, wird das Ganze flacher und der Übergang ist viel weniger scharf. Mit anderen Worten, es verträgt viel mehr Temperaturänderung lokal und die Fluidität ändert sich nicht allzu sehr. Die Fluidität nimmt ab bei hoher Temperatur, die Fluidität ist erhöht bei tiefer Temperatur. Ich mache Ihnen zwei Bilder, die das erklären sollen, was da passiert. Hier bei tiefer Temperatur hätten wir ja alles in Reihe und Glied. Stichwort Militärparade. Cholesterin ist der Kobold in der Militärparade, macht die Militärparade kaputt. Hier drüben haben wir volle Fluidität, Pogo vor der Heavy-Metal-Bühne. Alle tanzen wie die Irren. Cholesterin ist die Spaßbremse im Pogotanzen und ist so robust und so kräftig, da können Sie noch lange reindonnern, passiert nichts. Hat einen viel stabileren Körper als der ganze Rest, das wird die Fluidität erniedrigen. Nun, das ist Biologie, da gibt es kein Pogo und keine Militärparaden. Das entscheidende Konzept ist, wenn Sie Cholesterin in eine Doppelmembran, in eine Lipid-Doppelmembran reinbauen, dann haben Sie viel bessere Kontrolle über die Fluidität. Die Temperatur ist bei uns nicht so sehr ein Problem, aber wenn wir verschiedene Lipide einbauen wollen, weil diese Lipide zum Beispiel auch noch andere Funktionen haben, dann hilft uns das Cholesterin eben doch auszubalancieren. Und bis jetzt hatten wir nur Lipide besprochen als Teil eines Aggregats, Teil einer Membran. Die Realität ist natürlich, die Biologie wäre ja dumm gewesen, das nicht auszunutzen. Jede Menge Lipide haben auch Signalfunktionen und werden dann modifiziert. Dann gibt es Glykolipide, welche Zucker tragen, dann gibt es Phospholipide, welche weiter phosphoryliert werden, zum Beispiel Phosphatidylinositol, was dann weitere Phosphatgruppen Aminositol hat und so weiter. Wenn die Zelle bestimmte Lipide einbauen will, muss sie unter Umständen mit Cholesterin nach korrigieren, weil die Temperatur bei uns jedenfalls stabil ist. Den Teil brauchen Sie nicht zu lernen, dass Sie sich wieder so ein typisches über den Tellerrand schauen. Sind wir die Einzigen, die Cholesterin haben? Nein, bis vor kurzem dachte man, das sind nur die Tiere. Man wusste von Pilzen, die haben Ergosterole und Pflanzen haben auch was ähnliches, aber dass es in Bakterien ähnliche Moleküle gibt, die auch starre polyzyklische Gerüste haben und sehr ähnlich Lipidmembranen stabilisieren, das weiß man jetzt noch nicht so lange. Die nennen sich Hopanoide, die brauchen Sie nicht zu lernen. Ich möchte einfach, dass Sie das Konzept schon mal gehört haben. Es gibt tatsächlich auch Bakterien, die haben Phospholipide, die eigentlich zu fluid werden, aber dank den Hopanoiden in der Membran wird es dann stabil genug. Hier ist so ein Experiment, was man in dem Fall machen kann. Bei uns kann man nicht die Cholesterinsynthese abstellen, eine ökaryotische Zelle lebt gar nicht, die kommt nirgends wohin ohne Cholesterin und zwar nicht nur, weil Cholesterin für die Membranen so wichtig ist, sondern für alle anderen Abkömmlinge, die aus diesem Gerüst gebaut werden. Aber bei Bakterien kann man es versuchen und das hat man hier gemacht und auf der linken Seite sind die Wildtyp-Bakterien, auf der rechten Seite ein Bakterium, wo man diese Hopanoid-Synthese kaputt gemacht hat und man sieht, wie leicht es fällt, diese Membranen zu beschädigen und das sieht man an diesen Schäden hier an der Zellmembran, wo dann je nach Temperaturgradient ganz schnell die Zellmembran kaputt geht. Das sind nicht alle Bakterien, das sind Ausnahmefälle im Moment noch, aber es gibt solche Moleküle auch in Bakterien. Die allermeisten Bakterien machen es eben anders, die kontrollieren ihre Fluidität mit der Art von Phospholipiden, die verbaut werden in Lipidmembranen. Sie haben eine Frage. Man nennt diese cholesterinartigen Moleküle in Bakterien, nennt man Hopanoide. Und dann der letzte Blick über den Tellerrand. Was, wenn sie unter superextremen Lebensbedingungen auskommen müssen? Was, wenn es nicht reicht, einfach längere Fettsäureketten zu bauen und alle Doppelbindungen wegzunehmen? Was, wenn das immer noch nicht genug Stabilität ist für eine Lipiddoppelschicht? Dann müssen sie noch ein bisschen, noch einen Zacken zulegen und das tun die Archäen hier. Die legen noch einen Zacken zu und wenn sie bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, gibt es also diese Phytonylgruppen, das sind nicht mal die extremsten. Das Extremste ist, wenn sie nicht mal mehr Lipiddoppelschichten haben, sondern wenn die Lipiddoppelschicht eigentlich ein Molekül ist, von der einen wässrigen Seite bis zur anderen wässrigen Seite. Wir sehen hier das Glycerinmolekül. Hier ist das Glycerinmolekül, hier ist die Phosphatgruppe, hier sind die beiden Azylreste und das ist alles kovalent verbunden bis nach drüben. Wieder eine Glyceringruppe, wieder eine Phosphatgruppe und das ist gar nicht mal ein einzelnes Phospholipid, sondern praktisch ein Diphospholipid auf eine Art. Man nennt das eben ein Biphytonyl, also das doppelte von dem und es hat als Ähnlichkeit mit diesem, hat es diese Methylgruppen, die da rausstehen. Die seitlich abstehenden Methylgruppen, die sind zur Kontrolle, das heißt, die stören die Packung, die erhöhen die Fluidität, sie brauchen auch eine gewisse Fluidität und das ist der Kompromiss, den die Archäen gemacht haben, ist, sie haben zwar extrem, sie haben keine Doppelbindungen, aber sie haben extrem viele Methylgruppen, welche ein bisschen Fluidität erhöhen, weil die Packung gestört wird. Der zweite Punkt, der manchmal vorkommt und das sehen wir hier, ich habe das gerade ein bisschen übersprungen, diese Bindung ist keine Esterbindung mehr, ist eine Ätherbindung und Ätherbindungen werden viel weniger leicht hydrolysiert. Das heißt, wenn sie bei 90 oder 95 Grad Celsius auskommen müssen, haben sie ein Interesse daran, dass ihre Fettsäurekette nicht ab dem Glycerin abfällt und der Mechanismus dazu wäre natürlich Hydrolyse und darum ist die Chemie hier verändert worden und es sind Äthergruppen anstatt Estergruppen. Also merken sie sich, Archäen können noch mal extremer sein, haben dann keine Doppelbindungen, das schützt sie vor Sauerstoff, Oxidation der Doppelbindungen, haben Ätherbindungen, macht es viel stabiler, Tetraether geht durch die ganze Membran durch und dann gibt es noch diesen Extremfall, wo sogar noch zyklische Substituenten in den Lipidresten drin sind und das gibt durchs Packen noch mehr Stabilität. Brauchen Sie alle nicht, diese brauchen Sie überhaupt nicht zu kennen, diese Passiv und einfach das Konzept, was hier noch mal geändert wird in Fluidität.

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