EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

242 242 Lipide – Phospholipide Lipide – fettähnliche Substanzen mit biologischen Funktionen Lipide sind Naturstoffe mit fettähnlichen Eigenschaften (wasserunlöslich, löslich in lipo- philen Lösungsmitteln). Phospholipide und biologische Membrane Phospholipide sind fettähnliche Substanzen mit Phosphorsäureestergruppen. Sie wirken als Emulgatoren , da sie ein stark hydrophiles Ende (Phosphorsäure, verestert mit weiteren hydrophilen Verbindungen) und ein stark hydrophobes Ende (Reste der Fettsäuren) haben. Lecithin ist ein Beispiel für eine solche Verbindung (Abb. 242–1). Es ist in verschiedenen Pflanzenölen und in der Butter enthalten. Butter ist eine natürliche Emulsion von Wasser (ca. 16 %) mit Fett und enthält Lecithin zur Stabilisierung. Das Lecithin stammt aus der Milch, wo es die Emulsion des Milchfettes (ca. 4 %) im Wasseranteil bewirkt. Besonders im Eigelb findet sich viel Lecithin (ca. 10 %). Davon stammt auch der Name (griech. lekithos für Eidotter). Heute wird Lecithin in großen Mengen aus Sojaöl gewonnen und in der Lebensmittel- industrie verwendet. Bei der Herstellung von Backwaren ermöglicht es das Aufschlagen fetthaltiger (wie Eigelb im privaten Backbereich) Teige. Bei der Herstellung von Margarine, Schokolade, Speiseeis wird Lecitin als Emulgator eingesetzt, ebenso bei der Herstellung von Trockensuppen, Sojaerzeugnissen (Milchersatz für Veganer) und vielen Instantproduk- ten in der Lebensmittelproduktion. Die wichtigste Funktion der Phospholipide im Organismus ist der Aufbau von biologischen Membranen . Solche Membrane umschließen die Zellen, aber sie begrenzen auch inner- halb der Zelle Bereiche, wie zB die Organellen. Die Membrane bestehen immer aus einer Doppelschicht von Lipiden (häufig Phospholipiden). Der hydrophobe (lipophile) Anteil der Lipide bildet das Innere der Membran, nach außen ist die Membran hydrophil (Abb. 242–2). Durch den hydrophoben Innenteil ist die Membran eine Barriere gegen stark hydrophile Teilchen wie zB Ionen oder größere hydrophile Moleküle. Um größere hydrophile Teilchen durch die Membran zu schleusen, bedarf es der Hilfe von Carrier-Molekülen. Die Membran selbst ist eigentlich eine Flüssigkeit in zwei Dimensionen. Sie ist sehr flexibel. Damit sie flüssig ist, müssen die Fettsäuren, die an ihrem Aufbau beteiligt sind, ungesättigt sein. Daher spielen die essenziellen Fettsäuren dabei eine besonders wichtige Rolle. An der Oberfläche der Membran sind häufig Eiweißstoffe eingebaut. Reaktionen im Stoff- wechsel laufen praktisch immer über mehrere Schritte ab und werden von Enzymen (Ei- weißstoffen) katalysiert. Diese Enzyme sitzen an einer Membran so nebeneinander, dass die Reaktionen hintereinander ablaufen können und der Stoff von einem Enzym zum nächsten weitergegeben wird, was eine viel schnellere Reaktion ermöglicht als bei räum- lich getrennten Enzymen. Eine weitere wichtige Funktion der Eiweißstoffe an Membranen ist das gezielte und re- gulierte Durchschleusen von Ionen durch die Membran. Das Durchschleusen von Ionen zum Konzentrationsausgleich ist ein freiwilliger Prozess. An Membranen können aber auch Konzentrationsunterschiede gezielt erzeugt werden. Dies kostet Energie. Man spricht dann von aktivem Transport oder Ionenpumpen . Werden gezielt Ionen einer Ladung auf eine Seite der Membran gepumpt, so entsteht an der Membran eine elektrische Spannung (Membranpotenzial). Die Erregungsleitung in den Nervenzellen wird durch solche Membranpotenziale verursacht. Sie funktioniert über einen Transport von Natrium- und Kaliumionen durch die Nervenzellmembran. Im Ruhezu- stand herrscht im Zellinneren ein Überschuss an Kaliumionen, außerhalb einer an Natri- umionen. Das Zellinnere ist außerdem negativ geladen (weniger Kaliumionen als Anionen). Bei der Reizleitung wird plötzlich ein Einströmen von Natriumionen in die Zelle ermöglicht (freiwilliger Vorgang). Die elektrische Spannung kehrt sich kurzzeitig um. Danach muss der ursprüngliche Zustand wieder durch Ionenpumpen hergestellt werden. Auch die Speicherung von chemischer Energie funktioniert über solche Membranpotenzi- ale. Bei der Photosynthese wird die Lichtenergie zur Herstellung des Membranpotenzials genutzt, im „Zellkraftwerk“, dem Mitochondrium , wird die Energie bei der stufenweisen Oxidation des Wasserstoffs aus den Nährstoffen zur Erzeugung des Membranpotenzials verwendet. Beim Abbau des Membranpotenzials wird wieder Energie frei. Diese wird zur Herstellung energiereicher Moleküle (ATP Adenosintriphosphat) genutzt. (Siehe Kap. 10.6) Abb. 242–1: Das Phospholipid Lecithin Phospholipide (zB Lecithin) bilden Membranen und wirken als natürliche Emulgatoren. Im Bild ist der mit Phosphorsäure veresterte Alkohol Cholin grau unterlegt. Bei den verschiedenen Phospholipiden können auch andere Alkohole mit Phosphorsäure verestert vorliegen. R C O O CH H 2 C H 2 C O C R O O P O CH 2 CH 2 N CH 3 H 3 C CH 3 O O Hydrophiler Molekülteil Hydrophober Molekülteil Protein Protein Protein Protein hydrophobe Teilchen hydrophile Teilchen Carrier Lipid-Doppelmembran hydrophil hydrophil hydrophob Carrier Abb. 242–2: Aufbau einer biologischen Membran Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv