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Eigenschaften von Lipid-Doppelschichten

Zweidimensionale Flüssigkeit

Das Wort muss man sich erst mal auf der Zunge zergehen lassen: Lipid-Doppelschichten sind zweidimensionale Flüssigkeiten.

Schauen wir uns dazu noch einmal das Bild einer Lipid-Doppelschicht an, und zwar in 3D. Ich habe diesmal aber ein bestimmtes Lipid-Molekül farbig gekennzeichnet:

Ein einzelnes Lipid in einer Lipid-Doppelschicht

Ein einzelnes Lipid in einer Lipid-Doppelschicht

Ein einzelnes Lipid in einer Lipid-Doppelschicht kann sich nur in zwei Dimensionen bewegen: nach links und rechts bzw. nach vorne und hinten. Eine Bewegung nach oben bzw. unten ist weitgehend ausgeschlossen. Würde sich das Lipid nach oben bewegen, so kämen seine hydrophoben Fettsäuren in Kontakt mit den hydrophilen Köpfen der benachbarten Lipide. Und würde sich das Lipid nach unten bewegen, so müsste sein hydrophiler Kopf die hydrophoben Schwänze der Nachbarlipide berühren.

Lipid-Moleküle können nicht nach oben oder unten ausbrechen

Lipid-Moleküle können nicht nach oben oder unten ausbrechen

Wenn sich ein Lipid-Molekül der oberen Schicht nach unten bzw. ein Molekül aus der unteren Schicht nach oben bewegen will, gibt es außerdem noch ein Platz-Problem, wie man auf der Abbildung oben gut erkennen kann. Die Fettsäure-Schwänze der Lipide sind ziemlich lang und würden sich gegenseitig "in die Quere" kommen.

Lipid-Moleküle können sich also nur in zwei Dimensionen bewegen, und darum bezeichnet man solche Lipid-Doppelschichten auch als zweidimensionale Flüssigkeiten. Innerhalb der beiden erlaubten Dimensionen verhalten sich die Lipid-Moleküle nämlich genau wie die Moleküle in einer Flüssigkeit: Sie hängen zwar eng zusammen, können sich aber verhältnismäßig frei bewegen, Plätze tauschen und so weiter.

Ausnahmen bestätigen die Regel, sagt man, und das gilt auch hier. Rein statistisch gesehen wechselt ungefähr einmal pro Minute ein Lipid-Molekül einer Zelle die Lipid-Schicht, wandert also von der äußeren Schicht in die innere oder umgekehrt. Dieser seltene Vorgang wird als flip-flop bezeichnet. Es gibt sogar Enzyme, die diesen Vorgang katalysieren. Die Membranlipide werden nämlich im Zellplasma synthetisiert. Der Einbau in die innere Schicht der Lipid-Doppelschicht ist dann kein Problem. Aber wie kommt ein solches Lipid in die äußere Schicht? Das ist die Aufgabe dieser Enzyme, die auch als Phospholipidtranslokatoren bezeichnet werden.

interne Links

Membranlipide
Phospholipide

externe Links

Lipid-Doppelschicht (engl. Wikipedia)

Viskosität von Lipid-Doppelschichten

Kommen wir nun auf ein Thema, das ich im Ernährungslehre-Unterricht besonders gern behandle. Wie sind eigentlich ungesättigte Fettsäuren gesünder als gesättigte Fettsäuren?

Betrachten wir dazu eine Lipid-Doppelschicht, in der die Lipide ausschließlich Fettsäure-Moleküle enthalten, die gesättigt sind. Eine solche Lipid-Doppelschicht sieht so aus:Eine Lipid-Doppelschicht, die ausschließlich gesättigte Lipide enthält

Eine Lipid-Doppelschicht, die ausschließlich gesättigte Lipide enthält

Die Fettsäure-Moleküle der Lipid-Doppelschicht stehen hier eng und parallel nebeneinander wie die Latten eines stabilen Lattenzauns. Eine solche Lipid-Doppelschicht ist sehr starr, was der Funktion einer Zellmembran eigentlich widerspricht. Eine Zellmembran sollte flexibel, dehnbar, elastisch sein und die Zelle trotzdem nach außen abgrenzen.

Eine Lipid-Doppelschicht

Eine Lipid-Doppelschicht, die gesättigte und ungesättigte Lipide enthält

Enthält die Lipid-Doppelschicht aber Lipide mit ungesättigten Fettsäuren, so wird die Membran flexibler, flüssiger und verleiht der Zelle damit eher die gewünschten Eigenschaften. Zur Synthese solcher Lipide benötigt der Körper aber ungesättigte Fettsäuren. Die meisten mehrfach ungesättigten Fettsäuren können vom menschlichen Körper nicht selbst hergestellt werden, sondern müssen mit der Nahrung in Form von Neutralfetten aufgenommen werden, man spricht daher auch von essentiellen Fettsäuren.

Je mehr Doppelbindungen eine Fettsäure enthält, desto mehr "Knicke" hat sie im Molekül, und desto unregelmäßiger, weniger kristallin ist eine Lipid-Doppelschicht aus solchen Lipiden dann aufgebaut.

Achtung: Abiturienten

Es ist eine durchaus beliebte Aufgabe, die Zusammensetzung der Lipid-Doppelschicht in Zusammenhang mit der durchschnittlichen Außentemperatur von Lebewesen zu bringen. Nach den obigen Ausführungen müssten Lebewesen, die sich im Laufe der Evolution an kalte Temperaturen angepasst haben, Lipid-Doppelschichten besitzen, die viele ungesättigte Fettsäuren enthalten. Eng verwandte Lebewesen, die in wärmeren Gegenden leben, müssten dann entsprechend weniger ungesättigte Fettsäuren in ihren Zellmembranen enthalten. Tatsächlich ist dies der Fall - und liefert damit Stoff für interessante Aufgaben.