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Membranen enthalten Proteine

Periphere und integrale Membranproteine

Eine Lipid-Doppelschicht mit Proteinen

Eine Lipid-Doppelschicht mit Proteinen

Jetzt bin ich mal wieder etwas nostalgisch geworden und habe eine alte Abbildung genommen, die ich zur Biologie-Grundvorlesung (Prof. Heckmann) 1979 angefertigt habe. Die Beschriftung ist allerdings aktuell.

Auf dieser Abbildung erkennt man gut eine Lipid-Doppelschicht, in die verschiedene Proteine eingebettet sind. Grundsätzlich kann man zwischen peripheren Proteinen und integralen Proteinen unterscheiden. Die peripheren Proteine sind der Membran nur aufgelagert, dabei können Calcium-Ionen als "Kitt" durchaus eine wichtige Rolle spielen. Die integralen Proteine durchziehen beide Schichten der Lipid-Doppelschicht. Eines der hier eingezeichneten integralen Proteine enthält sogar einen Kanal, der sich durch das ganze Protein durchzieht, eine Pore quasi. Durch diesen Kanal kann die Zelle Stoffe mit dem Außenmedium austauschen. Viele Stoffe können die Lipid-Doppelschicht ja nicht passieren, obwohl die einzelnen Lipid-Moleküle ja durchaus beweglich sind, wie wir schon auf den vorhergehenden Seiten gesehen haben.

Was die Abbildung auch zeigt, sind die vielen Zucker-Moleküle, die an den Lipiden und auch an den Proteinen sitzen - allerdings nur auf der Außenseite der Membran. Diese Zucker-Moleküle spielen eine wichtige Rolle bei der Zellerkennung und bei dem Zusammenwirken der verschiedenen Zellen - aber darauf möchte ich auf dieser Seite nicht weiter eingehen.

Eine dreidimensionale Darstellung der Zellmembran

Eine dreidimensionale Darstellung der Zellmembran

Auf diesem Bild sehen Sie eine dreidimensionale Darstellung der Zellmembran mit einem externen peripherem Protein und einem integralen Protein. Auf dieser Zeichnung kann man auch gut erkennen, dass die Membranproteine über hydrophile und lipohile Regionen verfügen, mit denen sie sich gut in der Zellmembran verankern können.

Verankerung der Proteine in der Membran

Zu diesem Thema möchte ich Ihnen eine kleine Aufgabe vorstellen, die ich aus einer Abbildung in einem Schulbuch entwickelt habe. Betrachten Sie folgende Aminosäurekette:

Nun bestimmen wir, welche dieser Aminosäuren polar sind und kennzeichnen durch Farben die polaren sauren, die polaren neutralen und die polaren basischen Aminosäuren:

Nun gehen wir davon aus, dass sich diese Aminosäuresequenz als alpha-Helix aufspiralisiert. Dazu drucken wir die Primärstruktur farbig aus, schneiden sie als langen Streifen aus und wickeln den Streifen um einen dicken Stift, so dass eine Windung im Schnitt 3,6 Aminosäuren umfasst - das ist nämlich der genaue Wert für eine alpha-Helix.

Die Aminosäuren um meinen linken Zeigefinger gewickelt

Die Aminosäuren um meinen linken Zeigefinger gewickelt

Oh, ich sehe gerade, dass mein linker Zeigefinger fast den richtigen Durchmesser hat. Ich habe also den ausgeschnittenen Streifen mal um meinen linken Zeigefinger gewickelt und dann eingescannt. Oben sehen Sie das eindrucksvolle Ergebnis. Vier der sieben polaren Aminosäuren befinden sich auf der gleichen Seite der alpha-Helix.

Mit einem dicken Kugelschreiber geht es noch besser

Mit einem dicken Kugelschreiber geht es noch besser

Wenn ich den Streifen um einen dicken Kugelschreiber wickle, der einen etwas geringeren Durchmesser hat, kann man sogar alle sieben polaren Aminosäuren auf der einen Seite der Helix erkennen.

Die alpha-Helix, die sich aus den Aminosäuren ergibt, hat also eine polare Seite und eine unpolare Seite. Damit allein kann man noch nicht viel anfangen. Wenn aber mehrere solcher Helices zusammenkommen, ergibt sich eine interessante Struktur, die ich Ihnen auch mal zeigen möchte.

Sieben solcher alpha-Helices können einen hydrophilen Kanal bilden

Sieben alpha-Helices bilden einen hydrophilen Kanal

Die Abbildung oben zeigt ein komplexeres integrales Membranprotein in der Aufsicht. Gut zu erkennen sind die sieben alpha-Helices mit ihren lipophilen und hydrophilen Bereichen. Die hydrophilen Bereiche sind so orientiert, dass sich ein hydrophiler Kanal bildet, durch den Wasser, wasserlöslische Moleküle oder Ionen die Zellmembran passieren können. Nach außen hin ist dies Gebilde aus sieben Helices aber lipophil und kann somit gut in der Lipid-Doppelschicht verankert werden.

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