Fluidität der Membran - Membrane fluidity

In der Biologie bezieht sich Membranfluidität auf die Viskosität der Lipiddoppelschicht einer Zellmembran oder einer synthetischen Lipidmembran . Lipidpackung kann die Fluidität der Membran beeinflussen. Die Viskosität der Membran kann die Rotation und Diffusion von Proteinen und anderen Biomolekülen innerhalb der Membran beeinflussen, wodurch die Funktionen dieser Dinge beeinflusst werden.

Die Fluidität der Membran wird durch Fettsäuren beeinflusst. Ob die Fettsäuren gesättigt oder ungesättigt sind, hat insbesondere einen Einfluss auf die Membranfluidität. Gesättigte Fettsäuren haben keine Doppelbindungen in der Kohlenwasserstoffkette und die maximale Menge an Wasserstoff. Das Fehlen von Doppelbindungen verringert die Fluidität, wodurch die Membran sehr stark und dicht gestapelt wird. Ungesättigte Fettsäuren haben mindestens eine Doppelbindung, wodurch ein „Knick“ in der Kette entsteht. Die Doppelbindung erhöht die Fließfähigkeit. Die Membranfluidität wird auch durch Cholesterin beeinflusst. Cholesterin kann die Zellmembran sowohl flüssig als auch steif machen.

Faktoren, die die Membranfluidität bestimmen

Die Fluidität der Membran kann durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden. Eine Möglichkeit, die Fluidität der Membran zu erhöhen, besteht darin, die Membran zu erwärmen. Lipide gewinnen beim Erhitzen Wärmeenergie; energetische Lipide bewegen sich mehr, ordnen sich zufällig an und neu an, wodurch die Membran flüssiger wird. Bei niedrigen Temperaturen sind die Lipide seitlich geordnet und in der Membran organisiert, und die Lipidketten liegen meist in der all-trans-Konfiguration vor und packen sich gut zusammen.

Die Schmelztemperatur einer Membran ist definiert als die Temperatur, bei der die Membran von einer kristallähnlichen in eine flüssigkeitsähnliche Organisation übergeht oder umgekehrt. Dieser Phasenübergang ist kein tatsächlicher Zustandsübergang, aber die beiden Organisationsebenen sind einem festen und einem flüssigen Zustand sehr ähnlich.

  • : Die Membran befindet sich in der kristallinen Phase, der Ordnungsgrad in der Doppelschicht ist hoch und die Fluidität ist gering.
  • : Die Membran befindet sich in der Flüssigkristallphase, die Membran ist weniger geordnet und flüssiger. Bei 37 °C ist dies der Zustand der Membran: Die Anwesenheit von Cholesterin ermöglicht jedoch eine Stabilisierung der Membran und eine kompaktere Organisation.

Auch die Zusammensetzung einer Membran kann ihre Fließfähigkeit beeinflussen. Die Membran - Phospholipiden einzuarbeiten Fettsäuren mit einer Länge und unterschiedlichen Sättigungs . Lipide mit kürzeren Ketten sind weniger steif und weniger viskos, weil sie aufgrund ihrer geringeren Molekülgröße anfälliger für Änderungen der kinetischen Energie sind und weniger Oberfläche haben, um stabilisierende London-Kräfte mit benachbarten hydrophoben Ketten zu erfahren . Lipidketten mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen ( ungesättigt ) sind steifer als mit Wasserstoffen gesättigte Lipide , da sich Doppelbindungen nicht frei drehen können. Aufgrund dieser Starrheit erschweren ungesättigte Doppelbindungen es den Lipiden, sich zusammenzupacken, indem sie Knicke in die ansonsten begradigte Kohlenwasserstoffkette einbringen. Während die einzelnen Lipide steifer sein können, sind mit solchen Lipiden hergestellte Membranen flüssiger und haben niedrigere Schmelzpunkte : Es ist weniger Wärmeenergie erforderlich, um den gleichen Grad an Fluidität zu erreichen wie Membranen, die mit Lipiden mit gesättigten Kohlenwasserstoffketten hergestellt wurden. Der Einbau bestimmter Lipide, wie Sphingomyelin , in synthetische Lipidmembranen versteift bekanntlich eine Membran. Solche Membranen können als "Glaszustand, dh starr, aber ohne kristalline Ordnung" beschrieben werden.

Cholesterin wirkt als bidirektionaler Regulator der Membranfluidität, da es bei hohen Temperaturen die Membran stabilisiert und ihren Schmelzpunkt erhöht, während es bei niedrigen Temperaturen zwischen die Phospholipide interkaliert und deren Zusammenballung und Versteifung verhindert. Von einigen Medikamenten, zB Losartan , ist auch bekannt, dass sie die Membranviskosität verändern. Eine andere Möglichkeit, die Fluidität der Membran zu ändern, besteht darin, den Druck zu ändern. Im Labor können gestützte Lipiddoppelschichten und -monoschichten künstlich hergestellt werden. In solchen Fällen kann man noch von Membranfluidität sprechen. Diese Membranen werden von einer ebenen Fläche getragen, zB dem Boden einer Schachtel. Die Fließfähigkeit dieser Membranen kann durch den aufgebrachten seitlichen Druck, zB durch die Seitenwände eines Kastens, gesteuert werden.

Heterogenität der physikalischen Eigenschaften der Membran membrane

Diskrete Lipiddomänen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und somit Membranfluidität können in Modelllipidmembranen koexistieren; dies kann mit Fluoreszenzmikroskopie beobachtet werden . Es wird angenommen, dass das biologische Analogon „ Lipid Raft “ in Zellmembranen existiert und biologische Funktionen ausübt. Auch eine schmale ringförmige Lipidhülle von Membranlipiden in Kontakt mit integralen Membranproteinen hat im Vergleich zu Bulklipiden in biologischen Membranen eine geringe Fluidität , da diese Lipidmoleküle an der Oberfläche der Proteinmakromoleküle haften bleiben .

Messmethoden

Die Membranfluidität kann mit Elektronenspinresonanz , Fluoreszenz , auf Rasterkraftmikroskopie basierender Kraftspektroskopie oder Deuterium -Kernresonanzspektroskopie gemessen werden . Elektronenspinresonanzmessungen beinhalten die Beobachtung des Spinsondenverhaltens in der Membran. Fluoreszenzexperimente beinhalten die Beobachtung von fluoreszierenden Sonden, die in die Membran eingebaut sind. Rasterkraftmikroskopie-Experimente können die Fluidität an synthetischen oder isolierten Flecken nativer Membranen messen. Festkörper- Deuterium-Kernmagnetresonanzspektroskopie beinhaltet die Beobachtung von deuterierten Lipiden. Die Techniken ergänzen sich insofern, als sie auf unterschiedlichen Zeitskalen arbeiten.

Die Fluidität der Membran kann durch zwei verschiedene Bewegungsarten beschrieben werden: Rotation und Lateral. Bei der Elektronenspinresonanz wird die Rotationskorrelationszeit von Spinsonden verwendet, um zu charakterisieren, wie stark die Sonde durch die Membran eingeschränkt wird. Bei der Fluoreszenz kann zusätzlich zur Rotationskorrelationszeit der Fluoreszenzsonde eine stationäre Anisotropie der Sonde verwendet werden. Fluoreszierende Sonden zeigen unterschiedliche Präferenzen für eine Umgebung mit eingeschränkter Bewegung. In heterogenen Membranen werden einige Sonden nur in Regionen mit höherer Membranfluidität gefunden, während andere nur in Regionen mit geringerer Membranfluidität gefunden werden. Die Aufteilungspräferenz von Sonden kann auch ein Maß für die Membranfluidität sein. Bei der Deuterium-Kernresonanzspektroskopie führt die durchschnittliche Orientierung der Kohlenstoff-Deuterium-Bindung des deuterierten Lipids zu spezifischen spektroskopischen Merkmalen. Alle drei Techniken können ein gewisses Maß für die zeitgemittelte Orientierung des relevanten (Sonden-)Moleküls liefern, was auf die Rotationsdynamik des Moleküls hinweist.

Die seitliche Bewegung von Molekülen innerhalb der Membran kann mit einer Reihe von Fluoreszenztechniken gemessen werden: Die Fluoreszenzwiederherstellung nach dem Photobleichen beinhaltet das Photobleichen einer einheitlich markierten Membran mit einem intensiven Laserstrahl und das Messen, wie lange es dauert, bis Fluoreszenzsonden in den photogebleichten Fleck zurückdiffundieren. Die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie überwacht die Fluktuationen der Fluoreszenzintensität, die von einer kleinen Anzahl von Sonden auf kleinem Raum gemessen werden. Diese Fluktuationen werden durch die Art der lateralen Diffusion der Sonde beeinflusst. Die Einzelpartikelverfolgung beinhaltet das Verfolgen der Flugbahn von fluoreszierenden Molekülen oder Goldpartikeln, die an einem Biomolekül befestigt sind, und die Anwendung statistischer Analysen, um Informationen über die seitliche Diffusion des verfolgten Partikels zu extrahieren.

Phospholipid-defiziente Biomembranen

Eine Studie der Zentrallinienbreiten von Elektronenspinresonanzspektren von Thylakoid - Membranen und wässrige Dispersionen ihrer gesamten extrahierten Lipiden , mit Stearinsäure markierte Spinmarkierung (mit Spin- oder DOXYL Einheit an 5,7,9,12,13,14 und 16. Kohlenstoffatomen, in Bezug auf die Carbonylgruppe) zeigt einen Fluiditätsgradienten . Eine Verringerung der Linienbreite vom 5. zum 16. Kohlenstoffatom repräsentiert einen zunehmenden Grad an Bewegungsfreiheit ( Fluiditätsgradient ) von der Kopfgruppenseite zum Methylterminal sowohl in nativen Membranen als auch in ihrem wässrigen Lipidextrakt (eine multilamellare liposomale Struktur, typisch für die Lipiddoppelschichtorganisation ). Dieses Muster weist auf eine Ähnlichkeit der Lipid-Doppelschicht-Organisation sowohl in nativen Membranen als auch in Liposomen hin . Diese Beobachtung ist kritisch, da Thylakoidmembranen, die größtenteils aus Galactolipiden bestehen , nur 10 % Phospholipid enthalten , im Gegensatz zu anderen biologischen Membranen, die größtenteils aus Phospholipiden bestehen. Proteine in Chloroplasten- Thylakoid-Membranen beschränken offensichtlich die segmentale Beweglichkeit der Lipid-Fettacyl-Kette vom 9. bis zum 16. Kohlenstoff gegenüber ihren liposomalen Gegenstücken. Überraschenderweise sind liposomale Fettacylketten an den 5. und 7. Kohlenstoffpositionen im Vergleich zu diesen Positionen in Thylakoidmembranen stärker eingeschränkt. Dies ist erklärbar durch eine bewegungseinschränkende Wirkung an diesen Positionen aufgrund einer sterischen Hinderung durch große Chlorophyll- Kopfgruppen, insbesondere in Liposomen. In nativen Thylakoidmembranen werden Chlorophylle jedoch hauptsächlich als Lichtsammelkomplexe mit Proteinen komplexiert und sind möglicherweise nicht weitgehend frei, um die Lipidfluidität als solche einzuschränken.

Diffusionskoeffizienten

Die Diffusionskoeffizienten von fluoreszierenden Lipidanaloga betragen in flüssigen Lipidmembranen etwa 10 –8 cm 2 /s. In Gellipidmembranen und natürlichen Biomembranen betragen die Diffusionskoeffizienten etwa 10 –11 cm 2 /s bis 10 –9 cm 2 /s.

Geladene Lipidmembranen

Das Aufschmelzen geladener Lipidmembranen, wie 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerin, kann über einen weiten Temperaturbereich erfolgen. Innerhalb dieses Temperaturbereichs werden diese Membranen sehr viskos.

Biologische Relevanz

Mikroorganismen, die thermischem Stress ausgesetzt sind, verändern bekanntlich die Lipidzusammensetzung ihrer Zellmembran (siehe homöoviskose Anpassung ). Auf diese Weise können sie die Fluidität ihrer Membran als Reaktion auf ihre Umgebung anpassen. Es ist bekannt, dass die Membranfluidität die Funktion von Biomolekülen beeinflusst, die sich innerhalb der Membranstruktur befinden oder mit ihr verbunden sind. Zum Beispiel hängt die Bindung einiger peripherer Proteine ​​von der Membranfluidität ab. Laterale Diffusion (innerhalb der Membranmatrix) von membranbezogenen Enzymen kann die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Folglich können membranabhängige Funktionen wie Phagozytose und Zellsignalisierung durch die Fluidität der Zellmembran reguliert werden.

Siehe auch

Verweise