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Originalpublikation

Cristina Stefaniu, Ivan Vilotijevic, Daniel Varón Silva, Mark Santer, Gerald Brezesinski, Peter H. Seeberger
Subgel Phase Structure in Monolayers of Glycosylphosphatidylinositol Glycolipids

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Wie in Zellmembranen geordnete Strukturen entstehen, wird jetzt klarer. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben herausgefunden, wie sich komplexe Verbindungen aus Zucker und Fett – so genannte Glykolipide – in Rafts, das heißt in kleinen, hoch organisierten Domänen, in den Zellmembranen anordnen. Die Anordnung von Glykolipiden auf der Oberfläche von pflanzlichen und tierischen Zellmembranen reguliert viele zelluläre Prozesse. Kommt es dabei zu Fehlern, können Krankheiten wie etwa paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie oder BSE entstehen.
Modell einer Zellmembran mit eingelagerten Glykolipiden, genauer Glycosylphosphatidylinositolen oder GPIs (links) sowie die Ausbildung eines Molekülgitters in einer Monoschicht an der Wasser-Luft Grenzfläche (rechts). Bild vergrößern
Modell einer Zellmembran mit eingelagerten Glykolipiden, genauer Glycosylphosphatidylinositolen oder GPIs (links) sowie die Ausbildung eines Molekülgitters in einer Monoschicht an der Wasser-Luft Grenzfläche (rechts). [weniger]

Lipide, also Fette und fettähnliche Substanzen, kommen überall im menschlichen Körper vor und sind deren wichtigster Energiespeicher und die entscheidenden Strukturkomponenten in Zellmembranen. Komplexe Zuckerbausteine in Verbindung mit Fetten nennt man Glykolipide. Sie sind in den Membranen jeder menschlichen Zelle lebenswichtige Kommunikatoren, da sie beständig Informationen über Zellart und -zustand austauschen. Zahlreiche Stoffwechselvorgänge sind davon abhängig und auch das Immunsystem orientiert sich daran: Es erkennt und bekämpft viele Krankheitserreger anhand bestimmter Zuckerstrukturen, die sich auf deren Zelloberfläche befinden.

Glycosylphosphatidylinositole (GPIs) gehören zu den natürlichen Glykolipiden. Sie befinden sich auf der Oberfläche von pflanzlichen und tierischen Zellmembranen. Dort findet man sie entweder als freie Moleküle oder als Membrananker für verschiedene Proteine. Die Anordnung in Clustern und ihre Vorliebe für dichtere und teilweise hoch organisierte Mikrodomänen in der Membran gelten als essentiell für eine gut funktionierende Zelle. Diese winzigen Cluster sind für die Regulation von vielen zellulären Prozessen außerordentlich wichtig, und ihre Fehlfunktion kann gravierende Folgen haben. So ist es nachgewiesen, dass die Anhäufung oder Veränderung von GPI-verankerten Molekülen ernsthafte Krankheiten wie etwa BSE oder paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie (PNH)  auslösen kann. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm haben nun neue Einsichten gewonnen, wie sich GPIs in Membranen strukturieren.

Kristalline Bereiche wurden bei Membranlipiden noch nie beobachtet

Bislang wurde angenommen, dass der wasserabweisende, in der zellulären Membran eingebettete Teil der Glykolipide, die Anordnung der GPIs in Clustern und Rafts bestimmt. Tatsächlich ist die chemische Struktur der wasserabweisenden Enden ursächlich für starke Wechselwirkungen mit ähnlich starren Nachbarmolekülen. Ist die Anzahl der miteinander wechselwirkenden Moleküle groß genug, kann es dazu kommen, dass starre und teilweise organisierte Domänen in der Membran auftauchen wie Eisberge auf der Meeresoberfläche.

Nun haben Cristina Stefaniu und ihre Kollegen herausgefunden, dass neben den wasserabweisenden Enden hauptsächlich die großen, zuckerhaltigen GPI-Kopfgruppen bei der Raftbildung mitwirken. Das bedeutet, dass der wasseraffine Teil des Moleküls in der Lage ist, starke Wechselwirkungen mit den GPI-Nachbarmolekülen aufzubauen. Dieser Molekülteil befindet sich genau an der Grenze zwischen der Membranoberfläche und dem flüssigen Medium. „Die Wechselwirkungen zwischen benachbarten GPI-Molekülen führen dann zu kristallinen Ordnungen, die vorher noch nie bei anderen Membranlipiden beobachtet wurden“, sagt Cristina Stefaniu.

Wasserstoffbrücken vernetzen die wasserliebenden Kopfgruppen

Zu den neuen Erkenntnissen über die Ordnung in Membranen gelangten die  Wissenschaftler, indem sie ein Modellmolekül untersuchten. Hierbei handelt es sich um ein GPI-Fragment, welches in den Gruppen von Peter Seeberger und Daniel Varón Silva synthetisiert wurde und das Verhalten von ganzen GPIs imitiert. Dies bildet auf der Wasseroberfläche einen sehr dünnen Film von der Stärke nur eines Moleküls aus. Diese so genannte Monoschicht ist das vereinfachte Modell einer halben Zellmembran, das die Forscher mittels Synchrotron-Röntgen-Strahlung analysiert haben. „Überraschenderweise wird die hoch geordnete Struktur in der GPI-Monoschicht vorrangig von den sperrigen wasserliebenden Kopfgruppen bestimmt, die sich über Wasserstoffbrücken vernetzen“, sagt Stefaniu. Eine Wasserstoffbrücke ist eine relativ schwache chemische Bindung und verknüpft meist zwei Moleküle, indem sich ein Wasserstoffatom des einen Moleküls an ein Sauerstoff- oder Stickstoffatom des anderen Moleküls anlagert. Die Monoschichten werden also sowohl durch die Ordnung der wasserabweisenden Lipidketten als auch durch die kristalline Anordnung der GPI Kopfgruppen charakterisiert.

„Die hier beobachteten Molekülgitter wurden für Lipid-Monoschichten bislang noch nicht beschrieben“, sagt Cristina Stefaniu. „Eine ähnliche Ordnung bildet sich in Lipid-Bischichten, wenn sie bei Temperaturen nahe Null Grad Celsius gelagert werden.“ Nur der Zusatz einer hoch konzentrierten Lösung von Harnstoff, der die Wasserstoffbrücken bricht, hebt die starken Wechselwirkungen der Kopfgruppen auf und zerstört das Molekülgitter. Darüber hinaus wiesen die Wissenschaftler nach, dass in Mischungen des GPI-Fragments mit typischen Membranlipiden, die nur ungeordnete Filme bilden, geordnete Cluster entstehen können. Damit sind die GPIs fähig, Ordnung im Chaos einer Membran zu erzeugen. Diese besondere Fähigkeit könnte eine wichtige Bedeutung für die GPI-Wechselwirkungen in echten Zellmembranen haben.

KS/PH

 
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