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Membranmodelle

Das Lipid-Doppelschicht-Modell

Mit dem Gorter-Grendel-Versuch von 1925 wurde nachgewiesen, dass die Membran von roten Blutkörperchen aus zwei Lipidschichten besteht, das entsprechende Membranmodell, das von Gorter und Grendel aufgestellt wurde, heißt daher auch Lipid-Doppelschicht-Modell.

Das Sandwich-Modell

Danielli und Davson schlugen 1935 ein Sandwich-Modell vor.

Beschreibung siehe folgenden Text

Das Sandwich-Modell nach Danielli und Davson
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Danach besteht eine Membran aus einer Lipid-Doppelschicht, wie sie schon von Gorter und Grendel vorgeschlagen wurde. Aber auf der Außenseite und auf der Innenseite dieser Lipid-Doppelschicht sind Proteine aufgelagert. Als dann kurze Zeit später das Elektronenmikroskop entwickelt wurde, konnte man die Zellmembranen als dreilagige Strukturen erkennen:

Beschreibung siehe folgenden Text

EM-Aufnahmen bestätigten das Sandwich-Modell
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Eine dichte Lage von Proteinen auf der Zellaußenseite, dann eine etwas durchlässigere Lage von Lipiden, dann wieder eine dichtere Lage von Proteinen auf der cytoplasmatischen Seite der Membran.

Das Flüssig-Mosaik-Modell

1972 entwickelten Singer und Nicolson das Flüssig-Mosaik-Modell, nach dem die Lipid-Doppelschicht eine zweidimensionale Flüssigkeit bildet, in der die Proteine frei beweglich in zwei Dimensionen schwimmen.

Das Flüssig-Mosaik-Modell
Quelle: Wikipedia, Artikel "Biomembran", Autor: LadyofHats, Lizenz: public domain.

Vielen Dank an die Autorin Mariana Ruiz Villarreal oder "LadyofHats", die dieses tolle Bild gezeichnet und als public domain der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt haben.

Ein wichtiger Versuch auf dem Weg zu diesem Flüssig-Mosaik-Modell (fluid-mosaic-model) waren die Versuche, die Frye und Edidin 1970 durchgeführt hatten. Diese Versuche wurden mit Zellen der Maus und des Menschen durchgeführt [1].

Der Frye-Edidin-Versuch

Das folgende Bild zeigt schematisch die Durchführung des Frye-Edidin-Versuchs:

Fusion von Erythrocyten mit unterschiedlich markierten Oberflächen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: public domain

Der FRYE-EDIDIN-Versuch

  • Menschliche Zellen und Mauszellen werden isoliert und
  • mit Antikörpern markiert, die mit ihrerseits mit fluoreszierenden Farbstoffen verbunden sind.
  • Verteilung der Fluoreszenz-Farbstoffe direkt nach der Fusion der beiden Zelltypen.
  • Verteilung der Fluoreszenz-Farbstoffe 2 Stunden nach der Fusion der beiden Zelltypen.

Die Abbildung 1 zeigt das Ergebnis dieses Versuchs. In den fusionierten großen Erythrocyten mischen sich die mit unterschiedlichen Antikörpern markierten Membranlipide.

Beschreibung siehe folgenden Text

Zunahme des Anteils von Mosaik-Zellen nach der Zellfusion
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Diese Abbildung wurde in Anlehnung an die Original-Arbeit von Frye und Edidin aus dem Jahre 1970 erstellt. Sie zeigt, wie der Anteil der Mosaik-Zellen im Laufe von zwei Stunden ständig zunimmt. Als Mosaik-Zellen bezeichneten die Autoren diejenigen Hybrid-Zellen, in denen sich die unterschiedlich markierten Proteine gleichmäßig verteilt und vermischt hatten.

Dieser Versuch kann nur damit erklärt werden, dass sich die markierten Protein-Moleküle innerhalb der Lipid-Doppelschicht frei bewegen können, zumindest in zwei Dimensionen. Dieser Versuch war ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum aktuellen fluid-mosaic-model, das kurz darauf von Singer und Nicolson publiziert wurde.

Der Versuch von Henis et. al.

Das fluid-mosaic-modell hatte ca. 20 Jahre Bestand und wurde in allen Schulbüchern der Oberstufe präsentiert. Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre wurde jedoch entdeckt, dass nicht alle Proteine der Zellmembran so frei beweglich sind, wie Singer und Nicolson das postuliert hatten. Schauen wir uns dazu einmal ein Experiment an, das Henis et. al. 1990 in dem Journal of Cell Biology veröffentlicht haben.

Die Forscher arbeiteten damals mit einer Methode, die als "Fluorescence recovery after photobleaching", auf Deutsch in etwa "Fluoreszenz-Erholung nach Lichtbleiche" bezeichnet und meistens einfach mit "FRAP" abgekürzt wird [6]. Diese FRAP-Methode ist auf einer eigenen Lexikonseite genauer beschrieben, wenn Sie die Methode noch nicht kennen, informieren Sie sich bitte dort.

Wenn das fluid-mosaic-model korrekt ist, müsste nach dem Ausbleichen der markierten Lipide oder Proteine nach einiger Zeit die Fluoreszenz komplett wieder hergestellt sein. Dies war aber nicht der Fall.

Beschreibung siehe folgenden Text

Der Versuch von Henis et. al 1990
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Diese Graphik zeigt den Versuch von Henis et. al. schematisch. Lipide oder Proteine in der Membran von Tierzellen werden mit Fluoreszenz-Farbstoffen markiert, die im UV-Licht unter dem Lichtmikroskop grün aufleuchten. Mit einem Laserstrahl werden in einem eng begrenzten Bereich der Zelle die Farbstoffe ausgebleicht, sie produzieren dann bei UV-Bestrahlung kein grünes Licht mehr. Im Lichtmikroskop ist dann quasi ein "Loch" in dem grün leuchtenden Umfeld zu sehen. Nach einiger Zeit jedoch verschwindet dieses Loch wieder, weil nicht gebleichte Lipide oder Proteine in diesen Bereich hineinwandern - ganz wie das fluid-mosaic-model ja auch vorhersagt.

Alledings stieg die Fluoreszenz bei diesen Versuch nicht wieder auf den ursprünglichen Wert an, wie die Kurve in der Abbildung zeigt. Die Erklärung hierfür: Nicht alle Proteine sind in der Membran frei beweglich und können lateral diffundieren; einige Proteine scheinen offensichtlich fixiert zu sein, können also nicht diffundieren [3]. Je nach Zelltyp liegt der Anteil der frei beweglichen Proteine zwischen 30 und 90% [5]. 10 bis 70% der Proteine sind also irgendwie in der Beweglichkeit eingeschränkt.

Das Lipid-Floß-Modell

Das heißt jetzt nicht, dass diese Proteine völlig unbeweglich in der Zellmembran fixiert sind. Aber sie bewegen sich sehr viel langsamer als die frei beweglichen Proteine. Ihre Diffusionsrate ist deutlich kleiner als die Diffusionsrate frei beweglicher Proteine.

Man hat den Diffusionskoeffizienten von Lipid-Molekülen in reinen (künstlichen) Lipid-Doppelschichten bestimmt, der Wert liegt bei ca. mit 10-7 cm2/s. Macht man die gleiche Untersuchung bei echten Biomembranen, sinkt der Diffusionskoeffizient um das Zehnfache, er liegt nur noch bei 10-8 cm2/s. Man vermutet, dass die Lipide in der echten Membran durch bestimmte unbewegliche Proteine an der freien Bewegung gehindert werden [5].

Manche Proteine hängen eng zusammen und bilden lokale Ordnungsstrukturen wie zum Beispiel Proteinkomplexe, die zudem mit dem Zellskelett verbunden sind und daher an bestimmte Positionen der Zellmembran fixiert sind. Diese Entdeckungen finden sich in dem Konzept der lipid raftswieder, das sind spezielle Bereiche der Zellmembran, die wie Flöße (rafts) auf der zweidimensionalen Lipid-Doppelschicht schwimmen [4]. Im Deutschen wird dieses moderne Membranmodell als Lipid-Floß-Modell bezeichnet (lipid-raft-model von Simons et.al, 1997).

Quellen:

  1. Urry, Cain, Wassermann, Minorsky, Reece, Campbell Biologie, Hallbergmoos 2019, 11.Auflage
  2. The rapid intermixing of cell surface antigens after formation of mouse-human heterokaryons. L. D. Frye and M. Edidin. J. Cell Sci 7, 319-335 (1970).
  3. Harvey Lodish et al. Molecular Cell Biology, New York 2004
  4. Lipid Raft (Wikipedia)
  5. Darnell, Lodish, Baltimore, Molekulare Zellbiologie, Berlin 1994.
  6. Fluorescence recovery after photobleaching, engl. Wikipedia, abgerufen am 4. Juli 2021.

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