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Lectine — Interaktion mit Biomembranen
Lectine sind•! an spezifische Kohlenhydrate bindende Glykoproteine•! ubiquitär vorkommend, v.a. im Samen in größeren Mengen• binden im Darm an Oberflächenglykoproteine, können zu Funktionsstörungen im Verdauungstrakt führen
Lectinklassen:•!Galectine = Lectine in Tieren mit Galactose-Spezifität•!C-Typ-Lectine = Calcium-abhängige Lectine in Tieren: Selectine (bei Entzündungsprozessen wichtig, spez. für Sialinsäure), Collectine (spez. für Mannose, wichtig für angeborenes Immunsystem)•! Fabaceae-Lectine = große Gruppe, mit unterschiedlichen Spezifitäten, toxisch•!Ricin = extrem toxisches Lectin aus Ricinus communis, inaktiviert 60S ribosomale Untereinheit, analog Shiga-/Vero-Toxin aus Shigella dysenteriae bzw. Escherichia coli (EHEC)•!Mistel-Lectine = sind immunstimulierend, sollen bei Krebstherapien adjuvant wirksam sein
Biomembranen — Chemie und AufbauÜbersicht: Lipide
Cholesterol
Gly
cerin
Fettsäure
Fettsäure
Fettsäure
Triacylglycerine
Speicherfette(neutral)
Gly
cerin
Fettsäure
Fettsäure
PO4 Alkohol
Sphi
ngos
in
Fettsäure
PO4 Cholin
Sphi
ngos
in
Fettsäure
Mono- oderOligosaccharid
GlycolipidePhospholipide
Glycerophospholipide Sphingolipide
Membranlipide(polar)
Sphingolipide
Bei Pflanzenzellen:• Glycerin immer Grundbaustein• nur in Plastidenmembran• Zuckerbestandteil: Galactose(n) (—> Galactolipide) oder Sulfochinovose (—> Sulfolipide)
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Glycolipide
(pflanzliche Zelle)
aus Bresinsky et al.: Strasburger – Lehrbuch der Botanik
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Glycolipide
(pflanzliche Zelle)
aus Weiler/Nover: Allgemeine und molekulare Botanik
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranlipide: Steroide
hydrophiler „Kopf“
lipophiler „Schwanz“
amphiphile Bausteine
Cholesterol: Haupt-Steroid bei tierischen Membranen, kann bis zu 50 % des Membranlipidanteils ausmachen
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranlipide: Steroide
hydrophiler „Kopf“
lipophiler „Schwanz“amphiphile Bausteine
Cholesterol: nur in Spuren bei Pflanzenzellen, v.a. Stigmasterol und Sitosterin als Glykoside vorhanden
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranlipide: Steroide
hydrophiler „Kopf“
lipophiler „Schwanz“amphiphile Bausteine
Cholesterin wichtig für:• Membranfluidität• Membrandurchlässigkeit (mehr Cholesterin => weniger durchlässig)• Transport von Fettsäuren im Blut• Biosynthese von Gallensäuren, Steroidhormonen, Vitamin D und D-
Hormon
Biomembranen — Chemie und Aufbau der Membranlipide: Steroide
hydrophiler „Kopf“
lipophiler „Schwanz“amphiphile Bausteine
Phytosterole — pharmazeutische Verwendung•! hemmen Rück-/Resorption von Cholesterin im Darm •! als „Phyto-SERMs“ im Gespräch = Selektive Östrogen-Rezeptor
Modulatoren•! als Wirkstoffe zur Behandlung der benignen Prostata-Hyperplasie
(Brennnessel)•! Ausgangsstoffe für partialsynthetische Herstellung von Steroidhormonen
Biomembranen — Verteilung der Membranlipide
Biomembranen — Verteilung der Membranlipide
Lipid Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]LipidLeberplasma-
membranErythrozyten-plasmamem-
bran
Myelin Mitochondrien-membran
ER E. coli
Cholesterin 17 23 22 3 6 —Phosphatidyl-ethanolamin
7 18 15 35 17 70
Phosphatidyl-serin
4 7 9 2 5 —
Phosphatidyl-cholin
24 17 10 39 40 —
Sphingomyelin 19 18 8 — 5 —Glycolipide 7 3 28 — — —Andere 22 13 8 21 27 30
Biomembranen — Verteilung der Membranlipide
Lipid Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]Massenanteil [%]LipidLeberplasma-
membranErythrozyten-plasmamem-
bran
Myelin Mitochondrien-membran
ER E. coli
Cholesterin 17 23 22 3 6 —Phosphatidyl-ethanolamin
7 18 15 35 17 70
Phosphatidyl-serin
4 7 9 2 5 —
Phosphatidyl-cholin
24 17 10 39 40 —
Sphingomyelin
19 18 8 — 5 —Glycolipide 7 3 28 — — —Andere 22 13 8 21 27 30
asymmetrische Verteilung der Membranlipide:• extrazelluläre Hälfte fast nur Phosphatidylcholin und Sphingomyelin• innere Hälfte fast nur Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin• nur in extrazellulärer Hälfte sind Glycolipide• „flip-flop“ = transverse Diffusion sehr selten• in glattem ER: Phospholipid-Translokatorproteine = Flippasen
Biomembranen — Verteilung der Membranlipide
β2-Glycoprotein 1(Plasma)
Physiologisch, gesunde Zelle
Unphysiologisch, kranke/nekrotische Zelle
Ansatz für Tumortherapie: Antikörper „markiert“ geschädigte Endothelzellen, die vom Immunsystem eliminiert werdenBavituximab in Phase II
Biomembranen bei lysosomalen
Speicherkrankheiten
• bei einigen seltenen aber schweren Erkrankungen können Membranlipide nicht abgebaut werden• können nur durch Enzymsubstitution therapiert werden
X = H: Ceramid
Biomembranen — FluiditätBiomembranen sind flexibel => „fluid mosaic model“
niedere Temperaturen: Lipide sind relativ unbeweglich —> annähernd kristalline Struktur der Membran (=> Gefühllosigkeit von kalten Fingern)
oberhalb der Übergangstemperatur können sich Membranlipide schnell bewegen
Übergangstemperatur ist für jede Membran charakteristisch und abhängig von Lipidzusammensetzung:
• je länger die Fettsäureketten, desto höher die Übergangstemperatur
• je höher der Anteil an gesättigten Fettsäuren, desto höher die Übergangstemperatur
• unterhalb der Übergangstemperatur erhöhen Sterole die Fluidität
• oberhalb der Übergangstemperatur verringern Sterole die Fluidität
je nach Umgebungstemperatur passen Organismen die Lipidzusammensetzung der Biomembranen an, um „richtige“ Membranfluidität zu gewährleisten
Biomembranen —Fluidität
Temperatur
Fluidität
fester Zustand
flüssiger Zustand
Tm
aus Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemie
Biomembranen — Fluidität
Biomembranen — FluiditätAnzahl der C-Atome
Anzahl der Doppelbindungen
Trivialname Systemat. Name Tm [°C]
22 0 Behenat n-Dodecanat 7518 0 Stearat n-Octadecanat 5816 0 Palmitat n-Hexadecanat 4114 0 Myristat n-Tetradecanat 2418 1 Oleat cis-Δ9-Octadecenat –22
Tm: Schmelztemperatur, Übergang von starrem zu flüssigem Zustand bei Phosphatidylcholinen mit Paaren identischer Fettsäuren
aus Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemie
Biomembranen — FluiditätBeispiele: • ! im Winterweizen ist das Verhältnis von ungesättigten zu gesättigten
Fettsäuren höher als im Sommerweizen•! das Öl von Lein (Linum usitatissimum), der in kühleren Zonen gezogen
wurde, ist wertvoller (mehr ungesättigte Fettsäuren) als das aus wärmeren Klimazonen
•! Pflanzen, die derartige Anpassungen machen können, sind Kälte-resistent(er)
•! im Fuß des Rentiers ist das Verhältnis von ungesättigten zu gesättigten Fettsäuren in den Zellmembranen höher als in den Zellen seines Oberschenkels
•! Winterschlaf-haltende Tiere lagern mehr ungesättigte Fettsäuren in die Zellmembranen ein
Biomembranen — Membranfluss
Membranen können beliebig verschmelzen => wichtige Transportfunktion größerer Teilchen durch die Plasmamembran bei Exozytose und Endozytose=> wichtige Transportfunktion innerhalb der Zelle, z.B. sekretorische Glykoproteinen
Biomembranen — Membranfluss
Biomembranen — Membranfluss
Nicht mit den hochspezialisierten
Membranen derMitochondrien und
Plastiden!
Biomembranen — Wirkung von Seifen, Detergenzien und Saponine
Seifen und Detergenzien = „oberflächenaktive“ Stoffe: setzen die Oberflächenspannung zwischen wässriger und Lipidphase von Membranen, z.B. der Erythrozyten, herab. Membranlipide werden emulgiert und aus der Membran gelöst => Platzen der Biomembran, die Zelle stirbt ab (Hämolyse)