Aufgaben: Die Ultrastruktur der Membran

Welche zwei Arten von Bestandteilen sind nach dem Flüssig-Mosaik-Modell in der Zellmembran am häufigsten? Erklären Sie, was das „Mosaik“ darstellt und worauf sich der Begriff „flüssig“ bezieht.

Betrachten Sie das Schema der Zellmembran und benennen Sie die mit den Nummern 1, 2, 3 und 4 gekennzeichneten Strukturen.

Die Phospholipide der Membran bilden eine Doppelschicht. Erklären Sie, wie die Köpfe und die Schwänze der Phospholipide in Bezug auf das Wasser im Zellinneren und außerhalb der Zelle ausgerichtet sind, und begründen Sie, warum sich diese Anordnung spontan bildet.

Erklären Sie die Funktion der folgenden Bestandteile in der Zellmembran: Cholesterin, Glykokalyx und Transportproteine.

Warum sagt man, die Zellmembran sei selektiv permeabel? Nennen Sie ein Beispiel für einen Stoff, der sie frei durchquert, und eines für einen Stoff, der Hilfe zum Durchqueren braucht, und erklären Sie den Unterschied.

Die Fluidität der Membran ändert sich mit der Temperatur. Erklären Sie, welche Rolle das Cholesterin bei hoher und bei niedriger Temperatur spielt, um die Fluidität innerhalb geeigneter Grenzen zu halten.

Bei einer Nachstellung des Experiments von Frye und Edidin wurden menschliche und Mauszellen, die mit Fluorophoren unterschiedlicher Farbe markiert waren, unter zwei Bedingungen fusioniert: Ansatz A wurde bei $37\ \text{°C}$ und Ansatz B bei $4\ \text{°C}$ inkubiert. Nach 40 Minuten hatten sich die Fluorophore nur in Ansatz A über die gesamte Hybridmembran vermischt; in Ansatz B blieben sie auf ihre jeweiligen Hälften beschränkt. Außerdem erfolgte die Durchmischung der Fluorophore mit gleicher Geschwindigkeit, als Ansatz A ein Stoffwechselgift zugesetzt wurde, das die ATP-Synthese vollständig aufhob. Deuten Sie anhand dieser Ergebnisse, welche Eigenschaft der Membran damit belegt ist, und begründen Sie, ob die Bewegung der Proteine direkt von der Zufuhr von Stoffwechselenergie abhängt oder ein passiver, vom physikalischen Zustand der Lipide bestimmter Vorgang ist.

Ein experimenteller Wirkstoff löst die Verbindungen zwischen dem Cytoskelett und den Membranproteinen. Sagen Sie voraus, welche Auswirkungen dies auf die Form der Zelle und auf die Verteilung der Proteine in der Membran haben könnte, und begründen Sie Ihre Antwort.

Im Labor wird die Lipidzusammensetzung der Zellmembranen zweier Organismen untersucht: Probe A enthält einen Anteil von $68\,\%$ kurzkettiger mehrfach ungesättigter Fettsäuren und wenig Cholesterin; Probe B weist einen Anteil von $22\,\%$ mehrfach ungesättigter Fettsäuren, längere Kohlenwasserstoffschwänze und viel Cholesterin auf. Beide Proben werden schrittweise von $37\ \text{°C}$ auf $2\ \text{°C}$ abgekühlt. Dabei geliert die Doppelschicht von Probe B bei $16\ \text{°C}$ drastisch und der Transmembrantransport wird blockiert, während Probe A bei $2\ \text{°C}$ noch eine funktionsfähige Fluidität behält. Begründen Sie, welche der beiden Proben von einem antarktischen Fisch und welche von einem Landsäugetier stammt, und sagen Sie begründet voraus, welche Folgen ein plötzlicher Temperaturanstieg auf $38\ \text{°C}$ für Probe A hätte, wenn sie ihre Lipidzusammensetzung nicht anpassen könnte.