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Die Rolle von Cholesterin

Bei tierischen Mehrzellern wird die Fluidität der Membranen über den Einbau von Cholesterin reguliert. Die Lipide in den Membranen von Tierzellen bestehen bis zu ca. 25% aus Cholesterin [1], das ist ganz schön viel.

Struktur des Cholesterin-Moleküls

Das Cholesterin-Molekül
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Cholesterin-Molekül ist recht kurz und besitzt eine starre Ringstruktur. Daher setzt es sich in die Lücken zwischen den Phospholipid-Molekülen, die durch die Knicke in den ungesättigten Fettsäuren entstehen.

siehe Text

Cholesterin in der Lipid-Doppelschicht einer Zellmembran
Autor: Ulrich Helmich. Lizenz: siehe Seitenende.

Cholesterin stabilisiert die Membran und lockert sie gleichzeitig auf

Cholesterin hat durch seine vier Ringe eine relativ starre Struktur. Durch diese starre Struktur wird die Lipid-Doppelschicht bei Temperaturen um 37 ºC stabilisiert, der "Schmelzpunkt" der Membran erhöht sich [4,5]. Ohne Cholesterin würden die Phospholipide bei 37 ºC zu weit auseinanderrücken und kleinere Moleküle könnten die Membran ungehindert passieren. Die Membran wäre also keine Diffusion-Barriere mehr.

Bei tiefen Temperaturen tritt jedoch ein umgekehrter Effekt auf. Hier verhindert das Cholesterin eine Verfestigung der Membran, wenn es sich zwischen die Phospholipide setzt. Ohne Cholesterin könnten bei tiefen Temperaturen gar keine Stoffe mehr durch die Membran diffundieren, was natürlich auch nicht gut wäre [4,5].

Der Campbell Biologie[4] trifft hier den Nagel auf den Kopf, wenn er Cholesterin als "Fluiditätspuffer" bezeichnet.

Verteilung des Cholesterins

Am "liebsten" hält sich das Cholesterin-Molekül in der Nähe von gesättigten Fettsäuren auf. Ungesättigte Fettsäuren mit einer oder mehreren C=C-Doppelbindungen haben eine weitaus geringere Affinität zu Cholesterin [2].

Das Cholesterin ist nicht gleichmäßig in der Lipid-Doppelschicht verteilt. Sowohl die Zellmembran wie auch die Membranen der Zellorganelle besitzen cholesterinreiche Mikro-Domänen [2], die auch als Lipid-Rafts (deutsch: Lipid-Flöße) bezeichnet werden. In diesen Rafts ist nicht nur Cholesterin angereichert, sondern auch Sphingolipide sind hier höher konzentriert als in den anderen Bereichen der Membran. Die "Rafts" können sich lateral (seitwärts) in der Membran bewegen und sich mit speziellen Proteinen verbinden. Untersuchungen mit Antikörpern und Fluoreszenz-Farbstoffen haben ergeben, dass diese Rafts typischerweise einen Durchmesser von 50 nm haben. Die Rafts können durch Methyl-ß-cyclodextrin zerstört werden. Diese Verbindung baut das Cholesterin ab, und ohne Cholesterin halten die Lipid-Rafts offenbar nicht zusammen. Auch manche Antibiotika, die Cholesterin binden, zerstören die Lipid-Rafts [7].

Die genaue Funktion der Lipid-Rafts ist noch unbekannt, aber man vermutet, dass sie eine Rolle bei der Zellkommunikation und bei der Endocytose spielen könnten [6]. Viele Rezeptorproteine der Zellmembran sind beispielsweise mit Lipid-Rafts assoziiert [7].

Der ca. 20 bis 25%ige Anteil des Cholesterins an der Lipid-Doppelschicht ist das Ergebnis eines evolutionären Optimierungsprozesses. Ein höherer Cholesterin-Anteil hätte bei Temperaturen um 37 ºC eine instabile Membran zur Folge; reines Cholesterin könnte bei der Temperatur überhaupt keine Membranen mehr bilden. Und ohne Cholesterin wären die Membranen der Säugetiere bei niedrigen Temperaturen zu "flüssig"; eine künstliche Lipid-Doppelschicht nur aus Phospholipiden und ohne Cholesterin hat ähnliche Eigenschaften wie Olivenöl.

Cholesterin

Dieser Artikel befindet sich auch im Biologie-Lexikon, ist dort aber um weitere Abschnitte ergänzt worden, vor allem die HDL- und LDL-Lipoproteine werden dort behandelt, auch auf ernährungsphysiologische Aspekte wird auf der Lexikonseite eingegangen.

Quellen:

  1. Savada, Hillis, Heller, Hacker: Purves Biologie, Springer Verlag Deutschland 2019, 10. Auflage. Herausgegeben von Jürgen Markl.
  2. Luckey, Mary: Membrane Structural Biology. Cambridge University Press 2014.
  3. Alberts, Bruce et al. Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, 5. Auflage, Weinheim 2021.
  4. Urry, Cain, Wassermann, Minorsky, Reece. Campbell Biologie, Hallbergmoos 2019, 11.Auflage.
  5. engl. Wikipedia, Artikel "membrane fluidity".
  6. "Structure of the plasma membrane" auf der NCBI-Webseite.
  7. Harvey Lodish et al. Molecular Cell Biology, New York 2004