Membranlipide bilden das strukturelle Fundament biologischer Membranen und stellen eine selektive Barriere dar, die zelluläre und organelläre Grenzen definiert. Die amphipathische Natur der Membranlipide treibt ihre spontane Anordnung in Doppelschichten in wässrigen Umgebungen an.
Die Lipiddoppelschicht
Die Lipiddoppelschicht ist ein zweidimensionales Blatt aus amphipathischen Lipiden, die mit ihren hydrophoben Schwänzen nach innen und ihren hydrophilen Kopfgruppen zur wässrigen Umgebung auf beiden Seiten ausgerichtet sind. Diese Anordnung ist thermodynamisch stabil und selbstabdichtend. Die Doppelschicht ist etwa 5 nm dick und wirkt als Permeabilitätsbarriere für Ionen und polare Moleküle, während sie die freie Diffusion kleiner unpolare Moleküle ermöglicht.
Phospholipidvielfalt
Glycerophospholipide sind die häufigsten Membranlipide. Phosphatidylcholin ist das wichtigste Phospholipid in den meisten Säugetiermembranen und typischerweise auf der äußeren Schicht konzentriert. Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin sind in der inneren Schicht angereichert. Phosphatidylinositol ist ein Nebenbestandteil, dient jedoch als Vorläufer für wichtige Signalmoleküle. Cardiolipin kommt hauptsächlich in der inneren Mitochondrienmembran vor.
Sphingolipide sind in der äußeren Schicht der Plasmamembran angereichert, wo sie Mikrodomänen bilden, die Lipid Rafts genannt werden. Sphingomyelin ist das häufigste Sphingolipid in Säugetierzellen, während Glycosphingolipide wie Ganglioside in neuronalen Membranen reichlich vorhanden sind und bei der Zellerkennung fungieren.
Cholesterin in Membranen
Cholesterin lagert sich zwischen Phospholipiden in der Doppelschicht ein, wobei seine Hydroxylgruppe nahe den Ester-Carbonylgruppen der Phospholipide positioniert ist. Cholesterin moduliert die Membranfluidität, indem es Lücken zwischen ungesättigten Fettsäureketten füllt und die Beweglichkeit benachbarter Kohlenwasserstoffketten reduziert. Bei hohen Temperaturen verringert Cholesterin die Fluidität, indem es die Phospholipidbewegung einschränkt, während es bei niedrigen Temperaturen eine dichte Packung verhindert und die Fluidität aufrechterhält. Diese Pufferwirkung ist für die Aufrechterhaltung der Membranfunktion bei Temperaturschwankungen essentiell.
Membranfluidität
Die Membranfluidität wird durch die Lipidzusammensetzung und die Temperatur bestimmt. Ungesättigte Fettsäuren mit cis-Doppelbindungen führen Knicke ein, die eine dichte Packung verhindern und die Fluidität erhöhen. Kürzere Fettsäureketten erhöhen ebenfalls die Fluidität. Cholesterin moduliert die Fluidität wie oben beschrieben. Zellen regulieren ihre Membranfluidität, indem sie ihre Fettsäurezusammensetzung durch Desaturase-Enzyme anpassen, ein Prozess, der homeoviskose Adaptation genannt wird.
Lipid-Asymmetrie
Die beiden Schichten der biologischen Membran haben unterschiedliche Lipidzusammensetzungen. Die äußere Schicht ist angereichert mit Phosphatidylcholin und Sphingomyelin, während die innere Schicht den größten Teil des Phosphatidylethanolamins, Phosphatidylserins und Phosphatidylinositols enthält. Diese Asymmetrie wird durch ATP-abhängige Flippasen aufrechterhalten, die spezifische Phospholipide in die innere Schicht translokalisieren. Der Verlust der Asymmetrie, insbesondere die Exposition von Phosphatidylserin auf der äußeren Schicht, ist ein frühes Signal der Apoptose und löst die phagozytische Beseitigung aus.
Lipid Rafts
Lipid Rafts sind geordnete Mikrodomänen in der Plasmamembran, angereichert mit Cholesterin, Sphingolipiden und spezifischen Proteinen. Sphingolipide mit langen, gesättigten Acylketten packen sich eng mit Cholesterin zusammen, um eine flüssig-geordnete Phase zu bilden, die geordneter ist als die umgebende flüssig-ungeordnete Phase. Rafts konzentrieren Signalproteine wie GPI-verankerte Proteine, Rezeptor-Tyrosinkinasen und Src-Kinasen. Diese Proteinstruktur-Elemente fungieren als Plattformen für Signaltransduktion, Membrantransport und Zelladhäsion.
