Cholesterol, Fettsäuren und Membranfluidität
Wie Cholesterol, Kettenlänge und Doppelbindungen der Fettsäurereste sowie die Temperatur bestimmen, wie flüssig eine Biomembran ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Membranfluidität beschreibt die Beweglichkeit der Lipide; im normalen, flüssig-kristallinen Zustand sind sie geordnet, aber beweglich, unterhalb von \(T_m\) liegt ein starrer Gelzustand vor.
- Cholesterol und seine Ester bzw. Glykoside sind Membranbestandteile; tierische Membranen enthalten mehr Cholesterol als pflanzliche.
- Das Sterangerüst geht hydrophobe Wechselwirkungen mit den Fettsäureketten ein und puffert die Fluidität: bei Wärme gegen zu flüssig, bei Kälte gegen zu starr.
- Langkettige gesättigte Fettsäurereste senken die Fluidität, cis-ungesättigte Reste erhöhen sie durch ihren Knick.
- Gegenüber Palmitinsäure erhöhen Myristin-, Öl-, Linol- und α-Linolensäure die Fluidität, Stearinsäure nicht.
Worum es geht
Eine Biomembran ist kein starrer Film, sondern eine bewegliche Lipidschicht. Wie beweglich sie ist, hängt von Temperatur, Sterolgehalt und Fettsäurezusammensetzung ab. Davon hängen Transportproteine, Rezeptoren und die Aufnahme lipophiler Arzneistoffe ab.
Was Fluidität bedeutet
Die Lipide einer Lipiddoppelschicht sind nicht fest verankert. Sie drehen sich, wandern seitlich und bewegen ihre Fettsäureketten. Das Maß für diese Beweglichkeit heißt Membranfluidität.
Im flüssig-kristallinen Zustand sind die Lipide als Doppelschicht geordnet wie in einem Kristall. Ihre Ketten bleiben aber beweglich wie in einer Flüssigkeit. Das ist der normale Arbeitszustand einer Biomembran.
Kühlt man eine Membran ab, strecken sich die Ketten und lagern sich dicht aneinander. Es entsteht ein starrer Gelzustand. Beim Erwärmen über die Phasenübergangstemperatur \(T_m\) wird die Membran wieder flüssig-kristallin. Die Fluidität ist also temperaturabhängig.
Wo \(T_m\) liegt, bestimmt die Zusammensetzung. Eine Membran ist deshalb je nach Lipiden und Temperatur mehr oder weniger flüssig-kristallin. Zwei Stellschrauben sind entscheidend: der Gehalt an Sterolen und die Art der Fettsäurereste.
Cholesterol in Membranen
Cholesterol (Cholesterin) ist ein regulärer Lipidbestandteil von Biomembranen. Es schädigt die Membran nicht, sondern stabilisiert sie. Tierische Membranen enthalten viel davon, die Plasmamembran besonders viel. Pflanzliche Membranen enthalten deutlich weniger Cholesterol. Sie nutzen stattdessen vor allem andere Sterole, die Phytosterole.
Sterole liegen in Membranen meist frei vor. Daneben kommen sie auch gebunden vor: als Cholesterolester mit einer Fettsäure an der OH-Gruppe oder als Glykosid mit einem Zuckerrest.
Wird im Examen gerne gefragt: Cholesterol und seine Ester bzw. Glykoside sind Membranbestandteile. Achte auf den Vergleich: Tierische Membranen enthalten mehr Cholesterol als pflanzliche, nicht umgekehrt.
Die Lage im Molekül erklärt die Wirkung. Die polare 3-OH-Gruppe sitzt an der Grenzfläche bei den Kopfgruppen der Phospholipide. Das flache, starre Sterangerüst liegt zwischen den oberen Abschnitten der Fettsäureketten. Dort geht es hydrophobe Wechselwirkungen mit den Ketten ein. Die Seitenkette ragt zur Membranmitte.
Daraus folgt eine Pufferwirkung. Bei hoher Temperatur hält das starre Ringsystem die benachbarten Ketten fest. Die tierische Membran wird dadurch nicht zu flüssig. Bei niedriger Temperatur schiebt sich Cholesterol als Abstandhalter zwischen die Ketten. Sie können sich nicht mehr dicht packen, und die Membran wird nicht zu starr. Man kann sich Cholesterol wie einen Stoßdämpfer vorstellen, der Ausschläge in beide Richtungen abfängt.
Cholesterol puffert die Fluidität: Wärme macht die Membran flüssiger, Cholesterol bremst. Kälte macht sie starrer, Cholesterol lockert.
Der Cholesterol- bzw. Sterolgehalt beeinflusst also die Fluidität. Er glättet vor allem den Übergang zwischen Gel und flüssig-kristallinem Zustand.
Fettsäurereste
Die zweite Stellschraube sind die Acylreste der Membranlipide. Die Grundlagen zu gesättigten und ungesättigten Fettsäuren setzen wir voraus. Hier zählt nur, wie dicht sich die Ketten packen.
Gesättigte Ketten sind gestreckt und liegen eng aneinander. Zwischen ihnen wirken viele Van-der-Waals-Kräfte. Je länger die Kette, desto stärker der Zusammenhalt. Ein hoher Anteil langkettiger, gesättigter Fettsäurereste senkt daher die Fluidität.
Doppelbindungen liegen in Membranlipiden physiologisch meist in cis-Konfiguration vor. Jede cis-Doppelbindung erzeugt einen Knick von etwa 30°. Geknickte Ketten halten Abstand zu ihren Nachbarn und können sich nicht dicht packen. Ein höherer Anteil ungesättigter Acylreste erhöht deshalb die Fluidität.
Fettsäuren nach ihrer Wirkung ordnen
So gehst du beim Vergleich vor:
- Doppelbindungen zählen: Jede cis-Doppelbindung lockert die Packung. Mehr Doppelbindungen bedeuten mehr Fluidität.
- Kettenlänge vergleichen: Bei gleicher Zahl an Doppelbindungen ist die kürzere Kette fluider.
- Gegen die Referenz stellen: Fluider als die Referenz ist, wer kürzer oder ungesättigter ist. Starrer ist, wer länger und ebenso gesättigt ist.
Als Referenz dient oft Palmitinsäure (C16:0). Die Tabelle zeigt den Effekt beim Einbau anstelle von Palmitinsäure.
| Fettsäure | Kurzformel | Fluidität gegenüber Palmitinsäure |
|---|---|---|
| Myristinsäure | C14:0 | höher, da kürzere Kette |
| Stearinsäure | C18:0 | niedriger, da längere gesättigte Kette |
| Ölsäure | C18:1 (cis) | höher, ein Knick |
| Linolsäure | C18:2 (cis) | höher, zwei Knicke |
| α-Linolensäure | C18:3 (cis) | höher, drei Knicke |
Stearinsäure ist länger als Palmitinsäure und ebenfalls gesättigt. Sie packt sich noch dichter und erhöht die Fluidität deshalb nicht. Die drei C18-Säuren mit cis-Doppelbindungen sind trotz längerer Kette fluider, denn der Knick wiegt schwerer als zwei zusätzliche Kohlenstoffatome. Innerhalb dieser Reihe steigt die Fluidität von Ölsäure über Linolsäure zu α-Linolensäure.
Quiz
Aussage 1
Das Sterangerüst des Cholesterols tritt in der Membran über hydrophobe Wechselwirkungen mit den Fettsäureketten in Kontakt.
Das Ringsystem liegt zwischen den Ketten, nur die 3-OH-Gruppe sitzt an der polaren Grenzfläche.
Aussage 2
In der Kälte schiebt sich Cholesterol zwischen die Fettsäureketten und verhindert so, dass eine tierische Membran zu starr wird.
Als Abstandhalter verhindert Cholesterol die dichte Packung der Ketten bei niedriger Temperatur.
Aussage 3
Biomembranen pflanzlicher Zellen sind reicher an Cholesterol als die tierischer Zellen.
Umgekehrt: Tierische Membranen enthalten mehr Cholesterol, Pflanzen nutzen vor allem Phytosterole.
Aussage 4
Doppelbindungen in den Fettsäureresten von Membranlipiden liegen physiologisch überwiegend in trans-Konfiguration vor.
Sie liegen meist in cis-Konfiguration vor, die den fluiditätssteigernden Knick erzeugt.
Aussage 5
Wird Palmitinsäure in Membranlipiden durch Stearinsäure ersetzt, steigt die Membranfluidität.
Stearinsäure (C18:0) ist länger und ebenfalls gesättigt, sie packt sich dichter und erhöht die Fluidität nicht.
Aussage 6
Myristinsäure macht eine Membran im Vergleich zu Palmitinsäure fluider.
Myristinsäure (C14:0) ist kürzer als Palmitinsäure (C16:0), die Ketten halten schwächer zusammen.
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