Lipiddoppelschicht - Lipid bilayer

Dieser Flüssigkeits- Lipid- Doppelschicht-Querschnitt besteht vollständig aus Phosphatidylcholin .
Die drei Hauptstrukturen der Phospholipide bilden sich in Lösung; das Liposom (eine geschlossene Doppelschicht), die Mizelle und die Doppelschicht.

Die Lipid - Doppelschicht (oder Phospholipid - Doppelschicht ) ist eine dünne polare Membran aus zwei Schichten aus Lipidmolekülen . Diese Membranen sind flache Platten, die eine kontinuierliche Barriere um alle Zellen bilden . Die Zellmembranen von fast allen Organismen und viele Viren bestehen aus einer Lipid - Doppelschicht hergestellt, ebenso wie die Kernmembran die umgebende Zellkern und Membranen der membrangebundenen Organellen in der Zelle. Die Lipiddoppelschicht ist die Barriere, die Ionen , Proteine und andere Moleküle dort hält , wo sie gebraucht werden, und verhindert, dass sie in Bereiche diffundieren, wo sie nicht sein sollten. Lipiddoppelschichten sind für diese Rolle ideal geeignet, obwohl sie nur wenige Nanometer breit sind, da sie für die meisten wasserlöslichen ( hydrophilen ) Moleküle undurchlässig sind. Doppelschichten sind für Ionen besonders undurchlässig, was es den Zellen ermöglicht, die Salzkonzentration und den pH-Wert zu regulieren, indem sie Ionen mithilfe von Proteinen, die als Ionenpumpen bezeichnet werden, durch ihre Membranen transportieren .

Biologische Doppelschichten bestehen normalerweise aus amphiphilen Phospholipiden mit einem hydrophilen Phosphatkopf und einem hydrophoben Schwanz, der aus zwei Fettsäureketten besteht. Phospholipide mit bestimmten Kopfgruppen können die Oberflächenchemie einer Doppelschicht verändern und beispielsweise als Signale sowie als "Anker" für andere Moleküle in Zellmembranen dienen. Ebenso wie die Köpfe können auch die Schwänze von Lipiden die Membraneigenschaften beeinflussen, indem sie beispielsweise die Phase der Doppelschicht bestimmen . Die Bilayer kann einen Feststoff annimmt Gel Phasenzustand bei niedrigeren Temperaturen , aber unterzieht Phasenübergang zu einem fließfähigen Zustand bei höheren Temperaturen, und die chemischen Eigenschaften des Tails Lipide beeinflussen , bei welcher Temperatur das passiert. Die Packung der Lipide innerhalb der Doppelschicht beeinflusst auch ihre mechanischen Eigenschaften, einschließlich ihrer Dehnungs- und Biegefestigkeit. Viele dieser Eigenschaften wurden unter Verwendung künstlicher "Modell"-Doppelschichten untersucht, die in einem Labor hergestellt wurden. Vesikel, die aus Modelldoppelschichten hergestellt wurden, wurden auch klinisch verwendet, um Medikamente zu verabreichen

Biologische Membranen umfassen typischerweise mehrere andere Arten von Molekülen als Phospholipide. Ein besonders wichtiges Beispiel in tierischen Zellen ist Cholesterin , das dazu beiträgt, die Doppelschicht zu stärken und ihre Durchlässigkeit zu verringern. Cholesterin hilft auch, die Aktivität bestimmter integraler Membranproteine zu regulieren . Integrale Membranproteine ​​funktionieren, wenn sie in eine Lipiddoppelschicht eingebaut werden, und sie werden mit Hilfe einer ringförmigen Lipidhülle fest an der Lipiddoppelschicht gehalten . Da Doppelschichten die Grenzen der Zelle und ihrer Kompartimente definieren, sind diese Membranproteine ​​an vielen intra- und interzellulären Signalprozessen beteiligt. Bestimmte Arten von Membranproteinen sind an der Verschmelzung zweier Doppelschichten beteiligt. Diese Fusion ermöglicht die Verbindung zweier unterschiedlicher Strukturen wie bei der Akrosomreaktion während der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium oder dem Eindringen eines Virus in eine Zelle. Da Lipiddoppelschichten zerbrechlich und in einem herkömmlichen Mikroskop unsichtbar sind, ist ihre Untersuchung eine Herausforderung. Experimente an Doppelschichten erfordern oft fortgeschrittene Techniken wie Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie .

Struktur und Organisation

Wenn Phospholipide Wasser ausgesetzt werden, ordnen sie sich selbst zu einer zweischichtigen Folie an, wobei die hydrophoben Schwänze zur Mitte der Folie zeigen. Diese Anordnung führt zu zwei „Blättern“, die jeweils eine einzelne Molekülschicht darstellen. Das Zentrum dieser Doppelschicht enthält fast kein Wasser und schließt Moleküle wie Zucker oder Salze aus, die sich in Wasser auflösen. Der Montageprozess wird durch Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Molekülen (auch hydrophober Effekt genannt ) angetrieben . Eine Zunahme der Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Molekülen (was zu einer Clusterbildung hydrophober Regionen führt) ermöglicht es den Wassermolekülen, sich freier miteinander zu verbinden, wodurch die Entropie des Systems erhöht wird. Dieser komplexe Prozess umfasst nicht-kovalente Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Kräfte , elektrostatische und Wasserstoffbrückenbindungen .

Querschnittsanalyse

Schematisches Querschnittsprofil einer typischen Lipiddoppelschicht. Es gibt drei unterschiedliche Regionen: die vollständig hydratisierten Kopfgruppen, den vollständig dehydratisierten Alkankern und eine kurze Zwischenregion mit partieller Hydratation. Obwohl die Kopfgruppen neutral sind, haben sie signifikante Dipolmomente, die die molekulare Anordnung beeinflussen.

Die Lipiddoppelschicht ist im Vergleich zu ihren lateralen Abmessungen sehr dünn. Wenn eine typische Säugetierzelle (Durchmesser ~10 Mikrometer) auf die Größe einer Wassermelone (~1 ft/30 cm) vergrößert würde, wäre die Lipiddoppelschicht, aus der die Plasmamembran besteht , etwa so dick wie ein Stück Büropapier. Obwohl die Doppelschicht nur wenige Nanometer dick ist, besteht sie über ihren Querschnitt aus mehreren unterschiedlichen chemischen Regionen. Diese Regionen und ihre Wechselwirkungen mit dem umgebenden Wasser wurden in den letzten Jahrzehnten mit Röntgenreflektometrie , Neutronenstreuung und Kernspinresonanztechniken charakterisiert .

Die erste Region auf beiden Seiten der Doppelschicht ist die hydrophile Kopfgruppe. Dieser Teil der Membran ist vollständig hydratisiert und weist typischerweise eine Dicke von etwa 0,8–0,9 nm auf. In Phospholipid- Doppelschichten befindet sich die Phosphatgruppe innerhalb dieser hydratisierten Region, etwa 0,5 nm außerhalb des hydrophoben Kerns. In einigen Fällen kann sich die hydratisierte Region viel weiter erstrecken, zum Beispiel bei Lipiden mit einer großen Protein- oder langen Zuckerkette, die auf den Kopf gepfropft ist. Ein übliches Beispiel für eine solche Modifikation in der Natur ist die Lipopolysaccharid- Beschichtung auf einer bakteriellen Außenmembran, die dazu beiträgt, eine Wasserschicht um das Bakterium herum aufrechtzuerhalten , um eine Austrocknung zu verhindern.

TEM- Aufnahme eines Bakteriums. Das pelzige Aussehen an der Außenseite ist auf eine Hülle aus langkettigen Zuckern zurückzuführen, die an der Zellmembran befestigt sind. Diese Beschichtung hilft, Wasser einzuschließen, um zu verhindern, dass das Bakterium austrocknet.

Neben dem hydratisierten Bereich befindet sich ein Zwischenbereich, der nur teilweise hydratisiert ist. Diese Grenzschicht ist etwa 0,3 nm dick. Innerhalb dieser kurzen Distanz sinkt die Wasserkonzentration von 2M auf der Kopfgruppenseite auf nahezu Null auf der Schwanz-(Kern-)Seite. Der hydrophobe Kern der Doppelschicht ist typischerweise 3-4 nm dick, aber dieser Wert variiert je nach Kettenlänge und Chemie. Die Kerndicke variiert auch signifikant mit der Temperatur, insbesondere in der Nähe eines Phasenübergangs.

Asymmetrie

In vielen natürlich vorkommenden Doppelschichten sind die Zusammensetzungen der inneren und äußeren Membransegel unterschiedlich. In menschlichen roten Blutkörperchen besteht das innere (zytoplasmatische) Segel hauptsächlich aus Phosphatidylethanolamin , Phosphatidylserin und Phosphatidylinositol und seinen phosphorylierten Derivaten. Im Gegensatz dazu basiert die äußere (extrazelluläre) Packungsbeilage auf Phosphatidylcholin , Sphingomyelin und einer Vielzahl von Glykolipiden. In einigen Fällen basiert diese Asymmetrie darauf, wo die Lipide in der Zelle hergestellt werden und spiegelt ihre ursprüngliche Ausrichtung wider. Die biologischen Funktionen der Lipidasymmetrie sind nicht vollständig verstanden, obwohl klar ist, dass sie in verschiedenen Situationen verwendet wird. Bei der Apoptose einer Zelle wird beispielsweise das Phosphatidylserin – normalerweise lokalisiert am zytoplasmatischen Segel – an die äußere Oberfläche übertragen: Dort wird es von einem Makrophagen erkannt , der dann die sterbende Zelle aktiv abfängt.

Die Lipidasymmetrie ergibt sich zumindest teilweise aus der Tatsache, dass die meisten Phospholipide synthetisiert und zunächst in die innere Monoschicht eingebaut werden: diejenigen, die die äußere Monoschicht bilden, werden dann von einer Klasse von Enzymen namens Flippasen aus der inneren Monoschicht transportiert . Andere Lipide, wie Sphingomyelin, scheinen am äußeren Segel synthetisiert zu werden. Flippasen sind Mitglieder einer größeren Familie von Lipidtransportmolekülen, zu der auch Floppasen gehören, die Lipide in die entgegengesetzte Richtung übertragen, und Scramblases, die die Lipidverteilung über Lipiddoppelschichten (wie in apoptotischen Zellen) randomisieren. In jedem Fall löst sich die Lipidasymmetrie, sobald sie einmal etabliert ist, normalerweise nicht schnell auf, da das spontane Flip-Flop der Lipide zwischen den Segeln extrem langsam ist.

Es ist möglich, diese Asymmetrie im Labor in Modelldoppelschichtsystemen nachzuahmen. Bestimmte Arten sehr kleiner künstlicher Vesikel werden automatisch leicht asymmetrisch, obwohl der Mechanismus, durch den diese Asymmetrie erzeugt wird, sich stark von dem in Zellen unterscheidet. Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Monoschichten bei der Langmuir-Blodgett- Abscheidung oder einer Kombination von Langmuir-Blodgett- und Vesikelbruchabscheidung ist es auch möglich, eine asymmetrische planare Doppelschicht zu synthetisieren. Diese Asymmetrie kann im Laufe der Zeit verloren gehen, da Lipide in unterstützten Doppelschichten zum Flip-Flop neigen können.

Phasen und Phasenübergänge

Diagramm, das die Wirkung ungesättigter Lipide auf eine Doppelschicht zeigt. Die Lipide mit einem ungesättigten Schwanz (blau) stören die Packung der Lipide mit nur gesättigten Schwänzen (schwarz). Die resultierende Doppelschicht hat mehr Freiraum und ist dadurch durchlässiger für Wasser und andere kleine Moleküle.

Bei einer gegebenen Temperatur kann eine Lipiddoppelschicht entweder in einer flüssigen oder einer gelförmigen (festen) Phase vorliegen. Alle Lipide haben eine charakteristische Temperatur, bei der sie von der Gel- in die flüssige Phase übergehen (schmelzen). In beiden Phasen werden die Lipidmoleküle daran gehindert, über die Doppelschicht zu kippen, aber in Flüssigphasen-Doppelschichten tauscht ein bestimmtes Lipid Millionen Mal pro Sekunde die Position mit seinem Nachbarn aus. Dieser Random-Walk- Austausch ermöglicht es, dass Lipide diffundieren und somit über die Oberfläche der Membran wandern. Im Gegensatz zu Flüssigphasen-Doppelschichten weisen die Lipide in einer Gelphasen-Doppelschicht eine geringere Mobilität auf.

Das Phasenverhalten von Lipiddoppelschichten wird weitgehend durch die Stärke der anziehenden Van-der-Waals- Wechselwirkungen zwischen benachbarten Lipidmolekülen bestimmt. Lipide mit längerem Schwanz haben mehr Fläche, über die sie interagieren können, was die Stärke dieser Interaktion erhöht und folglich die Lipidmobilität verringert. Somit ist bei einer gegebenen Temperatur ein kurzschwänziges Lipid flüssiger als ein ansonsten identisches langschwänziges Lipid. Die Übergangstemperatur kann auch durch den Ungesättigtheitsgrad der Lipidschwänze beeinflusst werden. Eine ungesättigte Doppelbindung kann einen Knick in der Alkankette erzeugen , wodurch die Lipidpackung zerstört wird. Diese Unterbrechung schafft zusätzlichen Freiraum innerhalb der Doppelschicht, der zusätzliche Flexibilität in den benachbarten Ketten ermöglicht. Ein Beispiel für diesen Effekt kann im Alltag beobachtet werden, da Butter, die einen hohen Anteil an gesättigten Fetten hat, bei Raumtemperatur fest ist, während Pflanzenöl, das größtenteils ungesättigt ist, flüssig ist.

Die meisten natürlichen Membranen sind eine komplexe Mischung verschiedener Lipidmoleküle. Sind einige der Komponenten bei einer bestimmten Temperatur flüssig, während andere sich in der Gelphase befinden, können die beiden Phasen in räumlich getrennten Regionen nebeneinander existieren, ähnlich wie ein im Ozean treibender Eisberg. Diese Phasentrennung spielt bei biochemischen Phänomenen eine entscheidende Rolle, da sich Membrankomponenten wie Proteine ​​in die eine oder andere Phase aufteilen und somit lokal konzentriert bzw. aktiviert werden können. Eine besonders wichtige Komponente vieler Mischphasensysteme ist Cholesterin , das die Doppelschichtpermeabilität, mechanische Festigkeit und biochemische Wechselwirkungen moduliert.

Oberflächenchemie

Während Lipidschwänze hauptsächlich das Phasenverhalten der Doppelschicht modulieren, ist es die Kopfgruppe, die die Oberflächenchemie der Doppelschicht bestimmt. Die meisten natürlichen Doppelschichten bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden , aber auch Sphingolipide und Sterole wie Cholesterin sind wichtige Bestandteile. Von den Phospholipiden ist die häufigste Kopfgruppe Phosphatidylcholin (PC), das etwa die Hälfte der Phospholipide in den meisten Säugerzellen ausmacht. PC ist eine zwitterionische Kopfgruppe, da sie eine negative Ladung an der Phosphatgruppe und eine positive Ladung an der Amingruppe aufweist, aber, da sich diese lokalen Ladungen ausgleichen, keine Nettoladung aufweist.

Andere Kopfgruppen sind ebenfalls in unterschiedlichem Ausmaß vorhanden und können Phosphatidylserin (PS), Phosphatidylethanolamin (PE) und Phosphatidylglycerol (PG) umfassen. Diese alternativen Kopfgruppen verleihen oft spezifische biologische Funktionalität, die stark kontextabhängig ist. Zum Beispiel ist die PS-Präsenz auf der extrazellulären Membranfläche von Erythrozyten ein Marker für Zellapoptose , wohingegen PS in Wachstumsplattenvesikeln für die Nukleation von Hydroxyapatitkristallen und die anschließende Knochenmineralisierung notwendig ist . Im Gegensatz zu PC tragen einige der anderen Kopfgruppen eine Nettoladung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen kleiner Moleküle mit der Doppelschicht verändern kann.

Biologische Rollen

Eindämmung und Trennung

Die Hauptaufgabe der Lipiddoppelschicht in der Biologie besteht darin, wässrige Kompartimente von ihrer Umgebung zu trennen . Ohne eine Art Barriere, die „Selbst“ von „Nicht-Selbst“ abgrenzt, ist es schwierig, auch nur den Begriff eines Organismus oder des Lebens zu definieren. Diese Barriere nimmt bei allen bekannten Lebensformen die Form einer Lipiddoppelschicht an, mit Ausnahme einiger Archaeenarten , die eine speziell angepasste Lipidmonoschicht verwenden. Es wurde sogar vorgeschlagen, dass die allererste Lebensform ein einfaches Lipidvesikel gewesen sein könnte, dessen einzige biosynthetische Fähigkeit die Produktion von mehr Phospholipiden ist . Die Trennfähigkeit der Lipiddoppelschicht basiert auf der Tatsache, dass hydrophile Moleküle den hydrophoben Doppelschichtkern nicht leicht durchqueren können , wie unten in Transport über die Doppelschicht diskutiert. Kern, Mitochondrien und Chloroplasten haben zwei Lipiddoppelschichten, während andere subzelluläre Strukturen von einer einzigen Lipiddoppelschicht umgeben sind (wie die Plasmamembran, das endoplasmatische Retikel, der Golgi-Apparat und die Lysosomen). Siehe Organelle .

Prokaryonten haben nur eine Lipiddoppelschicht - die Zellmembran (auch bekannt als Plasmamembran). Viele Prokaryonten haben auch eine Zellwand , aber die Zellwand besteht aus Proteinen oder langkettigen Kohlenhydraten , nicht aus Lipiden. Im Gegensatz dazu haben Eukaryoten eine Reihe von Organellen einschließlich des Zellkerns , der Mitochondrien , der Lysosomen und des endoplasmatischen Retikulums . Alle diese subzellulären Kompartimente sind von einer oder mehreren Lipiddoppelschichten umgeben und umfassen zusammen typischerweise den Großteil des in der Zelle vorhandenen Doppelschichtbereichs. Bei Leberhepatozyten zum Beispiel macht die Plasmamembran nur zwei Prozent der gesamten Doppelschichtfläche der Zelle aus, während das endoplasmatische Retikulum mehr als fünfzig Prozent und die Mitochondrien weitere dreißig Prozent ausmachen.

Illustration eines GPCR-Signalproteins. Als Reaktion auf die Bindung eines Moleküls wie eines Hormons an die äußere Domäne (blau) ändert der GPCR seine Form und katalysiert eine chemische Reaktion an der inneren Domäne (rot). Das graue Merkmal ist die umgebende Doppelschicht.

Signalisierung

Die wohl bekannteste Form der zellulären Signalübertragung ist die synaptische Übertragung , bei der ein Nervenimpuls, der das Ende eines Neurons erreicht hat, über die Ausschüttung von Neurotransmittern an ein benachbartes Neuron weitergeleitet wird . Diese Übertragung wird durch die Wirkung synaptischer Vesikel ermöglicht, die mit den freizusetzenden Neurotransmittern beladen sind. Diese Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran am präsynaptischen Ende und geben ihren Inhalt an das Äußere der Zelle ab. Der Inhalt diffundiert dann über die Synapse zum postsynaptischen Terminal.

Lipiddoppelschichten sind durch ihre Rolle als Heimat integraler Membranproteine auch an der Signalübertragung beteiligt . Dies ist eine extrem breite und wichtige Klasse von Biomolekülen. Es wird geschätzt, dass bis zu einem Drittel des menschlichen Proteoms Membranproteine ​​sind. Einige dieser Proteine ​​sind mit der Außenseite der Zellmembran verbunden. Ein Beispiel dafür ist das CD59- Protein, das Zellen als „selbst“ identifiziert und so deren Zerstörung durch das Immunsystem hemmt. Das HIV- Virus entgeht dem Immunsystem teilweise, indem es diese Proteine ​​von der Wirtsmembran auf seine eigene Oberfläche pfropft. Alternativ dringen einige Membranproteine ​​vollständig durch die Doppelschicht und dienen dazu, einzelne Signalereignisse von außen in das Innere der Zelle zu übertragen. Die häufigste Klasse dieses Proteintyps ist der G-Protein-gekoppelte Rezeptor (GPCR). GPCRs sind für einen Großteil der Fähigkeit der Zelle verantwortlich, ihre Umgebung wahrzunehmen, und aufgrund dieser wichtigen Rolle zielen etwa 40% aller modernen Medikamente auf GPCRs ab.

Neben protein- und lösungsvermittelten Prozessen können auch Lipiddoppelschichten direkt an der Signalübertragung teilnehmen. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Phosphatidylserin- getriggerte Phagozytose . Normalerweise ist Phosphatidylserin in der Zellmembran asymmetrisch verteilt und liegt nur auf der Innenseite vor. Während des programmierten Zelltods gleicht ein Protein namens Scramblase diese Verteilung aus und zeigt Phosphatidylserin auf der extrazellulären Doppelschicht. Die Anwesenheit von Phosphatidylserin löst dann die Phagozytose aus, um die tote oder sterbende Zelle zu entfernen.

Charakterisierungsmethoden

Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Bild eines Lipidvesikels . Die beiden dunklen Streifen am Rand sind die beiden Blättchen der Doppelschicht. Historisch gesehen bestätigten ähnliche Bilder, dass die Zellmembran eine Doppelschicht ist

Die Lipiddoppelschicht ist eine sehr schwierig zu untersuchende Struktur, da sie so dünn und zerbrechlich ist. Trotz dieser Einschränkungen wurden in den letzten siebzig Jahren Dutzende von Techniken entwickelt, um Untersuchungen ihrer Struktur und Funktion zu ermöglichen.

Elektrische Messungen

Elektrische Messungen sind eine einfache Möglichkeit, eine wichtige Funktion einer Doppelschicht zu charakterisieren: ihre Fähigkeit, sich abzusondern und den Fluss von Ionen in Lösung zu verhindern. Durch Anlegen einer Spannung an die Doppelschicht und Messen des resultierenden Stroms wird der Widerstand der Doppelschicht bestimmt. Dieser Widerstand ist typischerweise ziemlich hoch (10 8 Ohm-cm 2 oder mehr), da der hydrophobe Kern für geladene Spezies undurchlässig ist. Das Vorhandensein von nur wenigen Löchern im Nanometerbereich führt zu einem dramatischen Anstieg des Stroms. Die Empfindlichkeit dieses Systems ist derart, dass sogar die Aktivität einzelner Ionenkanäle aufgelöst werden kann.

Fluoreszenzmikroskopie

Menschliche rote Blutkörperchen, die durch ein Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Die Zellmembran wurde mit einem Fluoreszenzfarbstoff gefärbt. Der Maßstabsbalken beträgt 20 μm.

Elektrische Messungen liefern kein tatsächliches Bild wie die Abbildung mit einem Mikroskop. Lipiddoppelschichten können in einem herkömmlichen Mikroskop nicht gesehen werden, da sie zu dünn sind. Um Doppelschichten zu sehen, verwenden Forscher häufig Fluoreszenzmikroskopie . Eine Probe wird mit einer Lichtwellenlänge angeregt und in einer anderen Wellenlänge beobachtet, sodass nur fluoreszierende Moleküle mit passendem Anregungs- und Emissionsprofil zu sehen sind. Natürliche Lipiddoppelschichten sind nicht fluoreszierend, daher wird ein Farbstoff verwendet, der sich an die gewünschten Moleküle in der Doppelschicht anlagert. Die Auflösung ist normalerweise auf einige hundert Nanometer beschränkt, viel kleiner als eine typische Zelle, aber viel größer als die Dicke einer Lipiddoppelschicht.

Elektronenmikroskopie

Elektronenmikroskopie bietet ein Bild mit höherer Auflösung. In einem Elektronenmikroskop wechselwirkt ein Strahl fokussierter Elektronen mit der Probe und nicht wie in der herkömmlichen Mikroskopie ein Lichtstrahl. In Verbindung mit Schnellgefriertechniken wurde die Elektronenmikroskopie auch verwendet, um die Mechanismen des inter- und intrazellulären Transports zu untersuchen, beispielsweise um zu zeigen, dass exocytotische Vesikel das Mittel zur chemischen Freisetzung an Synapsen sind .

Kernresonanzspektroskopie

31 P- NMR(nukleare magnetische Resonanz)-Spektroskopie wird häufig für Untersuchungen von Phospholipid-Doppelschichten und biologischen Membranen unter nativen Bedingungen verwendet. Die Analyse von 31 P-NMR-Spektren von Lipiden könnte ein breites Spektrum an Informationen über Lipiddoppelschichtpackung, Phasenübergänge (Gelphase, physiologische Flüssigkristallphase, Ripplephasen, Nicht-Doppelschichtphasen), Lipidkopfgruppenorientierung/-dynamik und elastische Eigenschaften der reinen Lipiddoppelschicht und als Folge der Bindung von Proteinen und anderen Biomolekülen.

Rasterkraftmikroskopie

3D-adaptierte AFM- Bilder, die die Bildung von Transmembranporen (Löchern) in trägergestützten Lipiddoppelschichten zeigen
Illustration eines typischen AFM- Scans einer getragenen Lipiddoppelschicht. Die Grübchen sind Defekte in der Doppelschicht, die die glatte Oberfläche des darunter liegenden Substrats freilegen.

Eine neue Methode zur Untersuchung von Lipiddoppelschichten ist die Rasterkraftmikroskopie (AFM). Anstatt einen Licht- oder Partikelstrahl zu verwenden, tastet eine sehr kleine, geschärfte Spitze die Oberfläche ab, indem sie physischen Kontakt mit der Doppelschicht herstellt und sich darüber bewegt, wie eine Plattenspielernadel. AFM ist eine vielversprechende Technik, da sie das Potenzial hat, bei Raumtemperatur und sogar unter Wasser oder physiologischem Puffer mit Nanometer-Auflösung abzubilden, Bedingungen, die für das natürliche Doppelschichtverhalten erforderlich sind. Unter Ausnutzung dieser Fähigkeit wurde AFM verwendet, um das dynamische Bilayer-Verhalten zu untersuchen, einschließlich der Bildung von Transmembranporen (Löchern) und Phasenübergängen in trägergestützten Bilayern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass AFM keine Fluoreszenz- oder Isotopenmarkierung der Lipide erfordert , da die Sondenspitze mechanisch mit der Doppelschichtoberfläche interagiert. Aus diesem Grund kann derselbe Scan sowohl Lipide als auch assoziierte Proteine ​​abbilden, manchmal sogar mit Einzelmolekülauflösung. AFM kann auch die mechanische Natur von Lipiddoppelschichten untersuchen.

Dual-Polarisations-Interferometrie

Lipiddoppelschichten weisen hohe Doppelbrechungsgrade auf, wenn der Brechungsindex in der Ebene der Doppelschicht von der senkrechten um bis zu 0,1 Brechungsindexeinheiten abweicht . Dies wurde verwendet, um den Grad der Ordnung und Unterbrechung in Doppelschichten unter Verwendung von Dual-Polarisations-Interferometrie zu charakterisieren , um Mechanismen der Proteinwechselwirkung zu verstehen.

Quantenchemische Berechnungen

Lipiddoppelschichten sind komplizierte molekulare Systeme mit vielen Freiheitsgraden. Daher ist die atomistische Simulation von Membranen und insbesondere Ab-initio- Berechnungen ihrer Eigenschaften schwierig und rechenintensiv. Quantenchemische Rechnungen wurden kürzlich erfolgreich durchgeführt, um Dipol- und Quadrupolmomente von Lipidmembranen abzuschätzen .

Transport über die Doppelschicht

Passive Diffusion

Die meisten polaren Moleküle haben eine geringe Löslichkeit im Kohlenwasserstoffkern einer Lipiddoppelschicht und haben folglich niedrige Permeabilitätskoeffizienten über die Doppelschicht. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei geladenen Spezies, die noch niedrigere Permeabilitätskoeffizienten haben als neutrale polare Moleküle. Anionen haben typischerweise eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit durch Doppelschichten als Kationen . Im Vergleich zu Ionen haben Wassermoleküle tatsächlich eine relativ große Permeabilität durch die Doppelschicht, was durch osmotische Quellung belegt wird . Wenn eine Zelle oder ein Vesikel mit einer hohen inneren Salzkonzentration in eine Lösung mit einer niedrigen Salzkonzentration gegeben wird, quillt sie auf und platzt schließlich. Ein solches Ergebnis würde nicht beobachtet werden, es sei denn, Wasser könnte die Doppelschicht relativ leicht passieren. Die anomal große Permeabilität von Wasser durch Doppelschichten ist noch immer nicht vollständig verstanden und wird weiterhin aktiv diskutiert. Kleine ungeladene apolare Moleküle diffundieren um viele Größenordnungen schneller durch Lipiddoppelschichten als Ionen oder Wasser. Dies gilt sowohl für Fette als auch für organische Lösungsmittel wie Chloroform und Ether . Ungeachtet ihres polaren Charakters diffundieren größere Moleküle langsamer über Lipiddoppelschichten als kleine Moleküle.

Struktur eines Kaliumionenkanals. Die Alpha-Helices durchdringen die Doppelschicht (Grenzen sind durch rote und blaue Linien gekennzeichnet) und öffnen ein Loch, durch das Kaliumionen fließen können

Ionenpumpen und Kanäle

Zwei spezielle Proteinklassen befassen sich mit den Ionengradienten, die über zelluläre und subzelluläre Membranen in natürlichen Ionenkanälen und Ionenpumpen gefunden werden . Sowohl Pumpen als auch Kanäle sind integrale Membranproteine , die die Doppelschicht passieren, aber ihre Rollen sind ganz unterschiedlich. Ionenpumpen sind die Proteine, die die chemischen Gradienten aufbauen und aufrechterhalten, indem sie eine externe Energiequelle nutzen, um Ionen gegen den Konzentrationsgradienten in einen Bereich mit höherem chemischen Potential zu bewegen . Die Energiequelle kann ATP sein , wie dies bei der Na + -K + -ATPase der Fall ist . Alternativ kann die Energiequelle ein anderer bereits vorhandener chemischer Gradient sein, wie beim Ca 2+ /Na + -Antiporter . Durch die Wirkung von Ionenpumpen sind Zellen in der Lage, den pH-Wert durch das Pumpen von Protonen zu regulieren .

Im Gegensatz zu Ionenpumpen bauen Ionenkanäle keine chemischen Gradienten auf, sondern bauen diese ab, um Arbeit zu verrichten oder ein Signal zu senden. Das wohl bekannteste und am besten untersuchte Beispiel ist der spannungsgesteuerte Na + -Kanal , der die Leitung eines Aktionspotentials entlang von Neuronen ermöglicht . Alle Ionenpumpen haben eine Art Trigger- oder „Gating“-Mechanismus. Im vorherigen Beispiel war es eine elektrische Vorspannung, aber andere Kanäle können durch Bindung eines molekularen Agonisten oder durch eine Konformationsänderung in einem anderen nahegelegenen Protein aktiviert werden.

Schematische Darstellung der Pinozytose, einer Form der Endozytose

Endozytose und Exozytose

Einige Moleküle oder Partikel sind zu groß oder zu hydrophil, um eine Lipiddoppelschicht zu passieren. Andere Moleküle könnten die Doppelschicht passieren, müssen aber in so großer Zahl schnell transportiert werden, dass ein Transport vom Kanaltyp unpraktisch ist. In beiden Fällen können diese Arten von Fracht durch Fusion oder Knospung von Vesikeln über die Zellmembran transportiert werden . Wenn innerhalb der Zelle ein Vesikel produziert wird und mit der Plasmamembran verschmilzt, um seinen Inhalt in den Extrazellulärraum freizusetzen, wird dieser Prozess als Exozytose bezeichnet. Im umgekehrten Prozess wird ein Bereich der Zellmembran nach innen eingedrückt und schließlich abgeschnürt, wodurch ein Teil der extrazellulären Flüssigkeit eingeschlossen wird, um sie in die Zelle zu transportieren. Endozytose und Exozytose beruhen auf sehr unterschiedlichen molekularen Maschinen, um zu funktionieren, aber die beiden Prozesse sind eng miteinander verbunden und könnten ohne einander nicht funktionieren. Der Hauptmechanismus dieser wechselseitigen Abhängigkeit ist die große Menge an beteiligtem Lipidmaterial. In einer typischen Zelle durchläuft eine Doppelschichtfläche, die der gesamten Plasmamembran entspricht, in etwa einer halben Stunde den Endozytose/Exozytose-Zyklus. Würden sich diese beiden Prozesse nicht ausgleichen, würde die Zelle entweder auf eine unüberschaubare Größe nach außen ballen oder ihre Plasmamembran innerhalb kurzer Zeit vollständig entleeren.

Exozytose von Vesikeln der äußeren Membran (MV) befreit von aufgeblasenen periplasmatischen Taschen (p) auf der Oberfläche des menschlichen Salmonella 3,10: R: - Pathogene Andocken an Plasmamembran von Zellen , Makrophagen (M) in Huhn Ileum, zum Signalisieren Wirt-Pathogen in vivo .

Exozytose bei Prokaryoten : Die membranvesikuläre Exozytose , im Volksmund als Membranvesikel-Handel bekannt , ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter (Jahr 2013) Prozess, wird traditionell als Vorrecht eukaryotischer Zellen angesehen. Dieser Mythos wurde jedoch mit der Offenbarung gebrochen , dass Nanovesikeln, volkstümlich als bekannte bakterielle äußere Membranvesikel , durch freigramnegative Mikroben, translozieren bakterielles Signalmoleküle zu Host oder Zielzellen mehreren Prozessen zugunsten der sezernierenden Mikrobe zB durchzuführen, in Wirts Zellinvasion und Mikroben-Umwelt-Interaktionen im Allgemeinen.

Elektroporation

Elektroporation ist die schnelle Zunahme der Permeabilität der Doppelschicht, die durch das Anlegen eines großen künstlichen elektrischen Felds über die Membran induziert wird. Experimentell wird Elektroporation verwendet, um hydrophile Moleküle in Zellen einzuführen. Es ist eine besonders nützliche Technik für große hochgeladene Moleküle wie DNA , die niemals passiv über den hydrophoben Doppelschichtkern diffundieren würden. Aus diesem Grund ist die Elektroporation eine der Schlüsselmethoden der Transfektion sowie der bakteriellen Transformation . Es wurde sogar vorgeschlagen , dass Elektroporation durch Blitzeinschläge ein Mechanismus des natürlichen horizontalen Gentransfers sein könnte .

Diese Erhöhung der Permeabilität beeinflusst hauptsächlich den Transport von Ionen und anderen hydratisierten Spezies, was darauf hindeutet, dass der Mechanismus die Bildung von wassergefüllten Löchern im nm-Bereich in der Membran ist. Obwohl Elektroporation und dielektrischer Durchschlag beide aus dem Anlegen eines elektrischen Feldes resultieren, sind die beteiligten Mechanismen grundlegend verschieden. Beim dielektrischen Durchschlag wird das Barrierematerial ionisiert, wodurch ein leitender Pfad entsteht. Die Materialveränderung ist somit chemischer Natur. Im Gegensatz dazu werden die Lipidmoleküle während der Elektroporation nicht chemisch verändert, sondern verschieben einfach ihre Position, wodurch eine Pore geöffnet wird, die als leitender Weg durch die Doppelschicht fungiert, wenn sie mit Wasser gefüllt ist.

Mechanik

Schematische Darstellung zweier möglicher Konformationen der Lipide am Rand einer Pore. Im oberen Bild haben sich die Lipide nicht umgelagert, sodass die Porenwand hydrophob ist. Im unteren Bild haben sich einige der Lipidköpfe umgebogen, sodass die Porenwand hydrophil ist.

Lipiddoppelschichten sind Strukturen, die groß genug sind, um einige der mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Feststoffen aufzuweisen. Der Flächenkompressionsmodul K a , der Biegemodul K b und die Kantenenergie können verwendet werden, um sie zu beschreiben. Feste Lipiddoppelschichten haben auch einen Schermodul , aber wie jede Flüssigkeit ist der Schermodul für flüssige Doppelschichten null. Diese mechanischen Eigenschaften beeinflussen die Funktion der Membran. K a und K b beeinflussen die Fähigkeit von Proteinen und kleinen Molekülen, sich in die Doppelschicht einzufügen, und es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der Doppelschicht die Funktion mechanisch aktivierter Ionenkanäle verändern. Die mechanischen Eigenschaften der Doppelschicht bestimmen auch, welche Arten von Belastungen eine Zelle aushalten kann, ohne zu reißen. Obwohl sich Lipiddoppelschichten leicht verbiegen können, können sich die meisten nicht mehr als ein paar Prozent dehnen, bevor sie reißen.

Wie im Abschnitt Struktur und Organisation besprochen, ist die hydrophobe Anziehung von Lipidschwänzen in Wasser die primäre Kraft, die Lipiddoppelschichten zusammenhält. Somit wird der Elastizitätsmodul der Doppelschicht hauptsächlich dadurch bestimmt, wie viel zusätzliche Fläche dem Wasser ausgesetzt ist, wenn die Lipidmoleküle auseinander gestreckt werden. Angesichts dieses Verständnisses der beteiligten Kräfte überrascht es nicht, dass Studien gezeigt haben, dass K a stark mit dem osmotischen Druck variiert, aber nur schwach mit der Schwanzlänge und Ungesättigtheit. Da die beteiligten Kräfte so klein sind, ist es schwierig, K a experimentell zu bestimmen . Die meisten Techniken erfordern eine ausgeklügelte Mikroskopie und sehr empfindliche Messgeräte.

Im Gegensatz zu K a , das ein Maß dafür ist, wie viel Energie benötigt wird, um die Doppelschicht zu dehnen, ist K b ein Maß dafür, wie viel Energie benötigt wird, um die Doppelschicht zu biegen oder zu biegen. Formal ist der Biegemodul definiert als die Energie, die erforderlich ist, um eine Membran von ihrer intrinsischen Krümmung zu einer anderen Krümmung zu verformen. Die innere Krümmung wird durch das Verhältnis des Durchmessers der Kopfgruppe zu dem der Schwanzgruppe definiert. Bei zweischwänzigen PC-Lipiden beträgt dieses Verhältnis nahezu eins, sodass die intrinsische Krümmung nahezu null ist. Wenn ein bestimmtes Lipid eine zu große Abweichung von der intrinsischen Krümmung Null hat, wird es keine Doppelschicht bilden, sondern stattdessen andere Phasen wie Mizellen oder invertierte Mizellen bilden. Die Zugabe kleiner hydrophiler Moleküle wie Saccharose in gemischte Lipidlamellare Liposomen aus galactolipidreichen Thylakoidmembranen destabilisiert Doppelschichten in die micellare Phase. Typischerweise wird K b nicht experimentell gemessen, sondern aus Messungen von K a und der Doppelschichtdicke berechnet , da die drei Parameter zusammenhängen.

ist ein Maß dafür, wie viel Energie erforderlich ist, um eine Doppelschichtkante Wasser auszusetzen, indem die Doppelschicht zerrissen oder ein Loch in ihr erzeugt wird. Der Ursprung dieser Energie ist die Tatsache, dass die Erzeugung einer solchen Grenzfläche einige der Lipidschwänze dem Wasser aussetzt, aber die genaue Ausrichtung dieser Grenzlipide ist unbekannt. Es gibt Hinweise darauf, dass sowohl hydrophobe (Schwänze gerade) als auch hydrophile (Köpfe umgebogen) nebeneinander existieren können.

Verschmelzung

Illustration der Verschmelzung von Lipidvesikeln mit zwei möglichen Ergebnissen: Hemifusion und vollständige Fusion. Bei der Hemifusion vermischen sich nur die äußeren Bilayer-Blätter. Bei vollständiger Fusion vermischen sich beide Packungsbeilagen sowie der interne Inhalt.

Fusion ist der Prozess, bei dem zwei Lipiddoppelschichten verschmelzen, was zu einer verbundenen Struktur führt. Wenn diese Verschmelzung durch beide Segel beider Doppelschichten vollständig verläuft, wird eine wassergefüllte Brücke gebildet und die von den Doppelschichten enthaltenen Lösungen können sich vermischen. Alternativ, wenn nur ein Segel von jeder Doppelschicht an dem Fusionsprozess beteiligt ist, werden die Doppelschichten als hemifusioniert bezeichnet. Fusion ist an vielen zellulären Prozessen beteiligt, insbesondere bei Eukaryoten , da die eukaryotische Zelle weitgehend durch Lipiddoppelschichtmembranen unterteilt ist. Exozytose , Befruchtung einer Eizelle durch Spermienaktivierung und Transport von Abfallprodukten zum Lysozom sind einige der vielen eukaryotischen Prozesse, die auf einer Form der Fusion beruhen. Sogar der Eintritt von Krankheitserregern kann durch Fusion gesteuert werden, da viele doppelschichtig beschichtete Viren spezielle Fusionsproteine ​​haben, um in die Wirtszelle einzudringen.

Es gibt vier grundlegende Schritte im Fusionsprozess. Zunächst müssen die beteiligten Membranen aggregieren und sich bis auf wenige Nanometer annähern. Zweitens müssen die beiden Doppelschichten in sehr engen Kontakt kommen (innerhalb weniger Angström). Um diesen engen Kontakt zu erreichen, müssen die beiden Oberflächen zumindest teilweise entwässert werden, da das normalerweise vorhandene gebundene Oberflächenwasser eine starke Abstoßung der Doppelschichten bewirkt. Die Anwesenheit von Ionen, insbesondere zweiwertigen Kationen wie Magnesium und Calcium, beeinflusst diesen Schritt stark. Eine der entscheidenden Aufgaben von Kalzium im Körper ist die Regulierung der Membranfusion. Drittens muss sich an einem Punkt zwischen den beiden Doppelschichten eine Destabilisierung bilden, die ihre Strukturen lokal verzerrt. Die genaue Natur dieser Verzerrung ist nicht bekannt. Eine Theorie besagt, dass sich zwischen den beiden Doppelschichten ein stark gekrümmter "Stiel" bilden muss. Befürworter dieser Theorie glauben, dass sie erklärt, warum Phosphatidylethanolamin, ein stark gekrümmtes Lipid, die Fusion fördert. Im letzten Fusionsschritt schließlich wächst dieser Punktdefekt und die Komponenten der beiden Doppelschichten vermischen sich und diffundieren von der Kontaktstelle weg.

Schematische Darstellung des Fusionsprozesses durch Halmbildung.
Diagramm der Wirkung von SNARE-Proteinen, die ein Vesikel zur Exozytose andocken. Komplementäre Versionen des Proteins auf dem Vesikel und der Zielmembran binden und wickeln sich umeinander, wodurch die beiden Doppelschichten enger zusammengezogen werden.

Die Situation wird noch komplizierter, wenn man eine Fusion in vivo betrachtet, da die biologische Fusion fast immer durch die Wirkung membranassoziierter Proteine reguliert wird . Die ersten dieser Proteine, die untersucht wurden, waren die viralen Fusionsproteine, die es einem umhüllten Virus ermöglichen, sein genetisches Material in die Wirtszelle einzubringen (behüllte Viren sind solche, die von einer Lipiddoppelschicht umgeben sind; einige andere haben nur eine Proteinhülle). Eukaryontische Zellen verwenden auch Fusionsproteine, von denen die SNAREs am besten untersucht sind . SNARE-Proteine ​​werden verwendet, um den gesamten vesikulären intrazellulären Verkehr zu steuern. Trotz jahrelanger Studien ist noch vieles über die Funktion dieser Proteinklasse unbekannt. Tatsächlich gibt es immer noch eine aktive Debatte darüber, ob SNAREs mit dem frühen Andocken verbunden sind oder später am Fusionsprozess teilnehmen, indem sie die Hemifusion erleichtern.

In Studien der Molekular- und Zellbiologie ist es oft wünschenswert, eine Fusion künstlich herbeizuführen. Die Zugabe von Polyethylenglycol (PEG) bewirkt eine Fusion ohne signifikante Aggregation oder biochemische Zerstörung. Dieses Verfahren wird heute in großem Umfang angewendet, beispielsweise durch die Fusion von B-Zellen mit Myelomzellen . Das resultierende „ Hybridom “ aus dieser Kombination exprimiert einen gewünschten Antikörper, wie durch die beteiligte B-Zelle bestimmt, wird aber aufgrund der Melanomkomponente immortalisiert. Die Fusion kann auch künstlich durch Elektroporation in einem als Elektrofusion bekannten Prozess induziert werden . Es wird angenommen, dass dieses Phänomen auf die während der Elektroporation gebildeten energetisch aktiven Kanten zurückzuführen ist , die als lokaler Defektpunkt für die Keimbildung des Stielwachstums zwischen zwei Doppelschichten dienen können.

Modellsysteme

Lipiddoppelschichten können im Labor künstlich hergestellt werden, damit Forscher Experimente durchführen können, die mit natürlichen Doppelschichten nicht möglich sind. Sie können auch im Bereich der Synthetischen Biologie verwendet werden , um die Grenzen künstlicher Zellen zu definieren . Diese synthetischen Systeme werden als Modelllipiddoppelschichten bezeichnet. Es gibt viele verschiedene Typen von Modelldoppelschichten, die jeweils experimentelle Vor- und Nachteile haben. Sie können entweder mit synthetischen oder natürlichen Lipiden hergestellt werden. Zu den gängigsten Modellsystemen gehören:

Kommerzielle Anwendungen

Bis heute war die erfolgreichste kommerzielle Anwendung von Lipiddoppelschichten die Verwendung von Liposomen zur Wirkstoffabgabe, insbesondere zur Krebsbehandlung. (Anmerkung – der Begriff „Liposom“ ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit „ Vesikel “, außer dass Vesikel ein allgemeiner Begriff für die Struktur ist, während sich Liposom nur auf künstliche, nicht natürliche Vesikel bezieht.) Die Grundidee der liposomalen Wirkstoffabgabe besteht darin, dass das Medikament in Lösung innerhalb des Liposoms dann in den Patienten injiziert. Diese arzneimittelbeladenen Liposomen wandern durch das System, bis sie an der Zielstelle binden und aufbrechen, wodurch das Arzneimittel freigesetzt wird. Theoretisch sollten Liposomen ein ideales Arzneimittelabgabesystem darstellen, da sie nahezu jedes hydrophile Arzneimittel isolieren können, mit Molekülen gepfropft werden können, um auf spezifische Gewebe abzuzielen, und relativ ungiftig sein können, da der Körper biochemische Wege zum Abbau von Lipiden besitzt.

Die erste Generation von Arzneimittelabgabe-Liposomen hatte eine einfache Lipidzusammensetzung und litt an mehreren Einschränkungen. Die Zirkulation im Blutkreislauf war sowohl aufgrund der renalen Klärung als auch der Phagozytose extrem eingeschränkt . Die Verfeinerung der Lipidzusammensetzung zur Abstimmung von Fluidität, Oberflächenladungsdichte und Oberflächenhydratation führte zu Vesikel, die weniger Proteine ​​aus dem Serum adsorbieren und daher vom Immunsystem weniger leicht erkannt werden . Der bedeutendste Fortschritt auf diesem Gebiet war das Aufpfropfen von Polyethylenglycol (PEG) auf die Liposomenoberfläche, um „heimliche“ Vesikel zu erzeugen, die über lange Zeiträume ohne Immun- oder Nierenreinigung zirkulieren.

Die ersten Stealth-Liposomen wurden passiv auf Tumorgewebe gerichtet . Da Tumore eine schnelle und unkontrollierte Angiogenese induzieren , sind sie besonders „undicht“ und lassen Liposomen viel schneller aus dem Blutkreislauf austreten als normales Gewebe. In jüngerer Zeit wurde daran gearbeitet, Antikörper oder andere molekulare Marker auf die Liposomenoberfläche zu pfropfen, in der Hoffnung, diese aktiv an einen spezifischen Zell- oder Gewebetyp zu binden. Einige Beispiele für diesen Ansatz befinden sich bereits in klinischen Studien.

Eine weitere potenzielle Anwendung von Lipiddoppelschichten ist der Bereich der Biosensoren . Da die Lipiddoppelschicht die Barriere zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle darstellt, ist sie auch der Ort einer umfangreichen Signalübertragung. Forscher haben im Laufe der Jahre versucht, dieses Potenzial zu nutzen, um ein auf zwei Schichten basierendes Gerät für die klinische Diagnose oder die Erkennung von Bioterrorismus zu entwickeln. In diesem Bereich wurden nur langsam Fortschritte erzielt, und obwohl einige Unternehmen automatisierte Detektionssysteme auf Lipidbasis entwickelt haben, richten sie sich immer noch an die Forschungsgemeinschaft. Dazu gehören Biacore (jetzt GE Healthcare Life Sciences), das einen Einwegchip für die Verwendung von Lipiddoppelschichten in Studien zur Bindungskinetik anbietet, und Nanion Inc., die ein automatisiertes Patch-Klemmsystem entwickelt hat. Andere, exotischere Anwendungen werden ebenfalls verfolgt, wie die Verwendung von Lipid-Doppelschicht-Membranporen für die DNA-Sequenzierung durch Oxford Nanolabs. Bis heute hat sich diese Technologie nicht als kommerziell rentabel erwiesen.

Eine wie oben beschriebene unterstützte Lipiddoppelschicht (SLB) hat als Screening-Technik zur Messung der Permeabilität von Arzneimitteln kommerziellen Erfolg erzielt. Dies p arallel a Syntetisch m embrane p ermeability a ssay PAMPA Technik misst die Durchlässigkeit gegenüber speziell formulierten Lipid Cocktail (n) stark korrelierte mit gefunden werden , Caco-2 Kulturen, der Magen - Darm - Trakt , Blut-Hirn - Schranke und die Haut.

Geschichte

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten Wissenschaftler, dass Zellen von einer dünnen ölartigen Barriere umgeben sind, aber die strukturelle Natur dieser Membran war nicht bekannt. Zwei Experimente im Jahr 1925 legten den Grundstein, diese Lücke zu schließen. Durch Messung der Kapazität von Erythrozytenlösungen stellte Hugo Fricke eine Zellmembrandicke von 3,3 nm fest.

Obwohl die Ergebnisse dieses Experiments korrekt waren, interpretierte Fricke die Daten falsch, um zu bedeuten, dass die Zellmembran eine einzelne molekulare Schicht ist. Prof. Dr. Evert Gorter (1881–1954) und F. Grendel von der Universität Leiden gingen das Problem aus einer anderen Perspektive an und verteilten die Erythrozytenlipide als Monolayer auf einem Langmuir-Blodgett-Trog . Als sie die Fläche der Monoschicht mit der Oberfläche der Zellen verglichen, fanden sie ein Verhältnis von zwei zu eins. Spätere Analysen zeigten bei diesem Experiment mehrere Fehler und falsche Annahmen, aber diese Fehler wurden zufällig aufgehoben und aus diesen fehlerhaften Daten zogen Gorter und Grendel die richtige Schlussfolgerung – dass die Zellmembran eine Lipiddoppelschicht ist.

Diese Theorie wurde Ende der 1950er Jahre durch den Einsatz der Elektronenmikroskopie bestätigt . Obwohl er nicht die erste elektronenmikroskopische Studie von Lipiddoppelschichten veröffentlichte, behauptete J. David Robertson als erster, dass die beiden dunklen elektronendichten Banden die Kopfgruppen und assoziierten Proteine ​​zweier aneinanderliegender Lipidmonoschichten seien. In dieser Arbeit stellte Robertson das Konzept der „Einheitsmembran“ vor. Dies war das erste Mal, dass die Doppelschichtstruktur allen Zellmembranen sowie Organellenmembranen universell zugeordnet wurde .

Etwa zur gleichen Zeit bestätigte die Entwicklung von Modellmembranen, dass die Lipiddoppelschicht eine stabile Struktur ist, die unabhängig von Proteinen existieren kann. Durch „Malen“ einer Lipidlösung in organischem Lösungsmittel über eine Öffnung konnten Mueller und Rudin eine künstliche Doppelschicht erzeugen und feststellen, dass diese seitliche Fließfähigkeit, einen hohen elektrischen Widerstand und Selbstheilung als Reaktion auf eine Punktion aufweist, alles Eigenschaften einer natürlichen Zellmembran. Einige Jahre später zeigte Alec Bangham , dass sich Doppelschichten in Form von Lipidvesikeln auch einfach durch Aussetzen einer getrockneten Lipidprobe mit Wasser bilden lassen. Dies war ein wichtiger Fortschritt, da gezeigt wurde, dass sich Lipiddoppelschichten spontan durch Selbstorganisation bilden und keine gemusterte Trägerstruktur benötigen.

1977 wurde von Kunitake und Okahata eine vollständig synthetische Doppelschichtmembran aus einer einzigen organischen Verbindung, Didodecyldimethylammoniumbromid, hergestellt. Es zeigt deutlich , dass die Doppelschichtmembran durch die Van - der - Waals - Wechselwirkung aufgebaut wurde .

Siehe auch

Verweise

Externe Links