Warum Membranen verwenden?

Die Unterteilung der Zelle hat viele Vorteile und Zwecke. In Koshlands Essay aus dem Jahr 2002 wurde die Abschottung als eine der sieben Grundsäulen des Lebens beschrieben. Im Großen und Ganzen schaffen Membranen unterschiedliche Bedingungen (chemisch und biologisch) innerhalb der Zellen. Dies ermöglicht ein effizienteres Funktionieren und eine fortgeschrittene katabole und metabolische Verarbeitung. Komplexere und anpassungsfähigere Systeme wurden somit durch den Evolutionsprozess erreicht.

Warum ein Bi -Layer?

Es wurden mehrere Molekulardynamiksimulationen wie diese durchgeführt, um die Biophysikochemie der spontanen Doppelschichtanordnung zu untersuchen. Dort beginnen Lipide in zufälligen Orientierungen. Die geordneten Doppelschichten, die wir kennen und lieben, bauen sich spontan in weniger als 100 ns auf. Was tatsächlich auf molekulardynamischer Ebene passiert, ist die Selbstassoziation der hydrophoben Lipidschwanzgruppen, die entropisch durch Wasser angetrieben wird. Mit anderen Worten, die polaren (hydrophilen) Kopfgruppen „bevorzugen“ eine Wechselwirkung mit dem Wasser (als Grenzflächenbereich bezeichnet) und die hydrophoben Schwanzgruppen „bevorzugen“ keine Wechselwirkung mit dem Wasser. Wenn diese beiden Präferenzen im Spiel sind, bildet sich die Lipiddoppelschicht.

In kleinerem Maßstab bilden sich auch spontan Micellen , die jedoch nicht die für biologische Funktionen erforderliche Kompartimentierung bieten.

Es scheint, dass die Bedingungen für eine geordnete Doppelschicht so günstig sind, dass sie Vorrang vor jeder anderen Orientierung oder Kombination haben. Eine offensichtliche Ausnahme ist die Archael-Monoschicht. Sehen Sie sich die Antwort von @ WYSIWYG an, die sich auf die außergewöhnlichen Extremophilen bezieht, die eine Monoschicht verwenden. Ihr Kommentar fasst die Monoschicht prägnant zusammen:

Sie sind technisch einschichtig, ähneln aber zweischichtig. Wie eine Doppelschicht, die über eine kovalente Bindung verbunden ist. Diese Membranlipide haben zwei hydrophile Köpfe und einen hydrophoben "Torso".

Bildquellen

• Bild 1: http://www.perkepi.com/cell-membrane/
• Bild 2: https://en.wikipedia.org/wiki/Lipid_bilayer

Warum Bilayer und kein Monolayer

Lipid-Monolayer-Vesikel sind möglich, wie Sie erwähnt haben (z. B. Micellen ). Sie müssen jedoch verstehen, dass das Zellinnere, dh das Zytoplasma, wässrig ist und daher ein einschichtiges Vesikel wie Mizellen nicht funktionieren würde. Bei Micellen müssen die beiden Kompartimente – innen und außen – für die Stabilität der Micellen gegensätzlich sein. Mit anderen Worten, Sie können in einer normalen Mizelle keine wässrige Umgebung haben. Umgekehrt können Sie in einer inversen Mizelle keine unpolare Umgebung haben .

Da sowohl das Äußere als auch das Innere einer Zelle wässrig sind, müssen beide Membranoberflächen hydrophil sein. Dies ist nur im Falle einer Doppelschicht aus üblichen amphipathischen Lipiden mit einem hydrophilen Kopf und einem hydrophoben Schwanz möglich. Monoschichten sind jedoch in Lipiden möglich, die zwei hydrophile "Köpfe" an beiden Enden und einen verbindenden hydrophoben "Torso" haben. Solche Lipide werden in bestimmten Archaeen wie Thermoplasma und Ferroplasma gefunden , wie Miguel erwähnte (siehe diesen Artikel für weitere Details). Wie Sie sehen können, wären diese Monolayer-Membranen steifer als Doppelschichten, was der Grund sein könnte, warum sie sich in extremophilen Archaeen entwickelt haben.

^{Albers, Sonja-Verena und Benjamin H. Meyer. „ Die Archaea-Zellhülle. “ Nature Reviews Microbiology 9.6 (2011): 414-426.}

Tatsächlich gibt es in einigen extremophilen Archeons Monoschichten, bei denen beide Schichten der regulären Membranen durch kovalente Bindungen verbunden sind.

Der Hauptgrund ist jedoch, dass Membranen aufgrund hydrophober Wechselwirkungen gebildet werden. Phospholipide sind amphipathische Moleküle, die einen polaren "Kopf" (gegeben durch die negative Ladung der Phosphatgruppe) und einen hydrophoben "Schwanz" (normalerweise zwei aliphatische Ketten) haben.

Das Molekül versucht, den Zustand minimaler Entropie zu vermeiden, was in diesem Fall wäre, frei im Wasser zu "schwimmen". In diesem hypothetischen Zustand müssten sich Wassermoleküle orientieren, um den Kontakt mit dem hydrophoben Schwanz (das sind sehr große Molekülgruppen, die die polaren Wassermoleküle nicht anziehen) zu minimieren und den Kontakt mit dem Polkopf zu maximieren. Wenn dieses Molekül weitere Moleküle seiner Art findet, werden sie an ihren hydrophoben Schwänzen zusammenkleben, da dies den Drang verringert, Wassermoleküle zu organisieren, und dadurch die Entropie des Systems erhöht. Es gibt einige mögliche Konformationen, die dies ermöglichen, und je nach Zusammensetzung der Lipidmischung wird die eine oder andere entstehen.

Schließlich dienen Membranen hauptsächlich als selektive Barrieren, die das Innere der Zelle, deren Bedingungen reguliert werden, und das Äußere trennen. Membranen können eingebettete enzymatische Systeme wie Photosysteme, Atmungsketten oder einige wichtige Stoffwechselwege aufweisen. Außerdem enthalten sie meist empfindliche Proteine, die auf die äußeren Bedingungen reagieren und das Verhalten der Zelle regulieren. Andere Funktionen können gefunden werden, aber das sind die wichtigsten.