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Aufbau der Doppelschicht von Biomembranen

30.01.2013
Platzanweiser für Membran-Bausteine

Biomembranen bestehen aus einem Mosaik einzelner, dicht gepackter Fettmoleküle. Gebildet werden diese Moleküle im Inneren der Zellen. Doch wie schaffen es die Bausteine, an die richtige Stelle in der Membran zu kommen? Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben dafür einen neuen Mechanismus entdeckt.


Wenn das schraubenförmige Peptid ein Fettmolekül bindet, kann das neu gebildete Phospholipid durch die erste in die zweite Membranschicht schlüpfen. Grafik: D. Langosch et al./Chemistry & Biology, Volume 20, 24 January 2013

Die Fettmoleküle der Membranen, auch Phospholipide genannt, sind aus zwei Untereinheiten aufgebaut. An einem wasserlöslichen Kopf hängen zwei lange Fettsäureketten. In der Membran ordnen sich die Moleküle in einer Doppelschicht an: Alle Köpfe zeigen nach außen, die Fettketten liegen sich wie bei einem Reißverschluss gegenüber.

Biomembranen werden ständig umgebaut oder erneuert, zum Beispiel, wenn Zellen sich teilen. Daher stellt die Zelle ständig neue Phospholipide her, die sich einreihen müssen – und zwar in beide Schichten der Biomembran. Allerdings produzieren Zellen Phospholipide nur an einer Seite der Biomembran. Von dort aus müssen sie in die zweite Hälfte der Doppelschicht transportiert werden.

Hilfe beim Weg durch die Membran

Das Problem dabei: Wasser- und fettlösliche Molekülbereiche stoßen sich ab. „Die Moleküle können sich zwar mit ihrem fettlöslichen Fußteil in einer der beiden Membranschichten verankern“, erklärt Prof. Dieter Langosch vom Lehrstuhl für Chemie der Polymere. „Der Weg in die zweite Schicht bleibt ihnen verwehrt: Die wasserlöslichen Köpfe kommen nicht an den fettlöslichen Fettketten vorbei.“

Für einen geordneten Aufbau der Membranen braucht es daher Enzyme, die die Moleküle an ihren richtigen Platz in der „zweiten Reihe“ bringen. Seit langem suchen Wissenschaftler nach solchen Enzymen – Flippasen genannt. Prof. Langosch und sein Team wurden jetzt fündig. Sie experimentierten mit künstlichen Proteinstücken (Peptiden). Diese befördern Phospholipide durch die Membran.

Der Trick: Vorbeimogeln

Dabei stießen die Wissenschaftler auf einen indirekten Transportmechanismus. Die Peptide erstrecken sich über beide Membranschichten – und sind in der Lage, einzelne Phospholipide festzuhalten. Langosch: „Wenn die Peptide die Moleküle fixieren, wird der benachbarte Membranbereich kurz gestört: Diesen Moment nutzen die neuen Phospholipide, um durch die Barriere der ersten Lipidschicht zu flutschen und sich in die zweite Molekülreihe einzuordnen.“

Die Wissenschaftler haben jetzt eine klare Vorstellung, wie Flippasen arbeiten. „Die von uns eingesetzten Peptide sind aufgebaut wie ein Korkenzieher, der sich durch die Membran schraubt. Besitzt diese so genannte alpha-Helix dynamische Anteile, kann sie Phospholipide binden“, so Langosch. „Dieser modellhafte Aufbau wird uns dabei helfen, die Flippasen-Enzyme aufzuspüren.“

Publikation:
Structural Properties of Model Phosphatidylcholine Flippases: Marcella Langer, Rashmi Sah, Anika Veser, Markus Gütlich, Dieter Langosch; CELL, Chemistry & Biology; Volume: 20; Issue: 1; 2012, http://dx.doi.org/10.1016/j.chembiol.2012.11.006.
Pressemitteilung im Web:
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/30322/
Mehr Informationen:
Pressemitteilung "Wasserabstoßung zwischen Biomembranen":
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/lang/article/30028/
Kontakt:
Prof. Dr. Dieter Langosch
Technische Universität München
Lehrstuhl für Chemie der Polymere
T: +49.861.71.3500
E: langosch@tum.de
W: http://www.wzw.tum.de/biopolymere/
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 500 Professorinnen und Professoren, 9.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 32.000 Studierenden eine der führenden technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunktfelder sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Nach zahlreichen Auszeichnungen wurde sie 2006 und 2012 vom Wissenschaftsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Exzellenzuniversität gewählt. In nationalen und internationalen Vergleichsstudien rangiert die TUM jeweils unter den besten Universitäten Deutschlands. Die TUM ist dem Leitbild einer forschungsstarken, unternehmerischen Universität verpflichtet. Weltweit ist die TUM mit einem Forschungscampus in Singapur sowie Niederlassungen in Peking (China), Brüssel (Belgien), Kairo (Ägypten), Mumbai (Indien) und Sao Paulo (Brasilien) vertreten.

Prof. Dr. Dieter Langosch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

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