Information

Warum stoßen die Köpfe von Phospholipid-Doppelschichten hydrophobe Moleküle nicht ab?

Warum stoßen die Köpfe von Phospholipid-Doppelschichten hydrophobe Moleküle nicht ab?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Was ich zu wissen glaube: Hydrophile und hydrophobe Dinge stoßen sich gegenseitig ab. Da die Zellmembran hydrophobe Schwänze enthält, ist es für hydrophile Moleküle schwierig, die Zellmembran zu passieren.

Frage: Warum stoßen die Köpfe von Phospholipid-Doppelschichten hydrophobe Moleküle nicht ab? Mit anderen Worten, wenn die Phospholipidmembran sowohl hydrophile als auch hydrophobe Teile aufweist, warum wirken dann nur die hydrophoben Teile als Abwehrmittel?

Vorgabe: Ich benötige ein Zitat aus einem Lehrbuch, einer Universität oder einer anderen glaubwürdigen Quelle.

Nachweise früherer Forschungen:

Warum können lipophile Moleküle trotz 2 hydrophiler Schichten eine Phospholipid-Doppelschicht passieren?: Diese Frage enthält einen Kommentar, der eine Grafik aus einem Lehrbuch verlinkt. Ich kann die Grafik an sich nicht verstehen. Es gibt keine weiteren Referenzen.

Verstehen, was durch die Plasmamembran geht und was nicht: Alle Referenzen behandeln das Thema, aber keiner beantwortet die Frage.

Ich verstehe, dass dieses Thema häufig angesprochen wird, aber die Frage, die ich stelle, wird nie beantwortet. Texte neigen dazu, etwas zu sagen wie: "Ionen können aufgrund ihrer Ladung nicht durch den Kern gelangen" und das Konzept der Lipide, die durch die Köpfe gelangen, völlig übersehen. Bitte tun Sie dies nicht als Hausaufgabenfrage ab, für die ich mir nicht die Zeit genommen habe zu recherchieren. Dies ist mein zweiter Versuch, diese Frage zu stellen (auf dieser Website); Ich habe Stunden damit verbracht, eine Antwort zu finden.


Ihre Frage beruht auf einem Missverständnis des hydrophoben Effekts. Hydrophile und hydrophobe Moleküle stoßen sich nicht ab, sondern ziehen sich durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen an. Die Tendenz hydrophober Moleküle, in wässriger Lösung zu aggregieren (dh der hydrophobe Effekt) wird statt einer gewissen Abstoßungskraft tatsächlich entropisch getrieben. Ich glaube nicht, dass ich darauf im Detail eingehen werde, da es an vielen Stellen gut erklärt wurde. Das heißt, es wird an vielen Stellen auch sehr schlecht erklärt (was Sie, wie ich vermute, kennengelernt haben). Ich empfehle diese Website, um mehr darüber und andere intermolekulare Wechselwirkungen zu erfahren.

Wenn Sie dies erst einmal im Griff haben, bedenken Sie, dass ein hydrophobes Molekül, damit es eine Plasmamembran erreichen kann, bereits von Wasser solvatisiert sein muss. Die Übertragung eines Hydrophoben von einer hydrophilen Umgebung (Wasser) in eine andere (Kopfgruppen der Phospholipide in der Plasmamembran) sollte energetisch vernachlässigbar sein. Der limitierende Schritt für die passive Diffusion durch eine Membran ist der Transfer von der hydrophilen Umgebung der Phospholipid-Kopfgruppen in die hydrophobe Umgebung ihrer Schwänze. Tatsächlich nimmt die Diffusionsrate durch eine Plasmamembran mit der Hydrophobie zu.


Zellmembran vs. Phospholipid-Doppelschicht markiert

Zellmembran vs. Phospholipid-Doppelschicht. Führt die Zellmembran ein, an der sich Phospholipidmoleküle orientieren, um die notwendigen Eigenschaften bereitzustellen, um eine Zelle in einer wasserbasierten Umgebung zu erhalten. % Fortschritt. Die Zellmembran der Zelle ist eine Phospholipid-Doppelschicht, die viele verschiedene molekulare Komponenten enthält, darunter Proteine ​​und Cholesterin, von denen einige mit Kohlenhydratgruppen verbunden sind.

EIN Bakteriendiagramm ermöglicht es uns grundsätzlich, von diesen unverheirateten Zellorganismen, die weder membranbegrenzten Nukleolus noch Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten haben, mehr zu profitieren. Sie sind definitiv eine Ursache von Krankheiten bei Menschen und Tieren, aber ihre hilfreichen Elemente können nicht ignoriert werden. Zum Beispiel produzieren bestimmte Bakterien wie Actinomyceten Antibiotika wie Streptomycin und Nocardicin. Im Allgemeinen zeigt das Bakteriendiagramm Organellen an, die wie folgt membransicher sind. Enodspore, das sind Sporen, die Trockenheit, übermäßiger Temperatur oder verschiedenen Umweltgefahren widerstehen und sich in Bakterien wie Clostridium botulinium befinden. Zusätzlich in der Abbildung dargestellt sind Pille aus Schichten von Polysacchariden und schützt die Zelle. Eine äußere Membran, die eine Lipiddoppelschicht ist, die Lipopolysaccharid, eine giftige Substanz, produziert, ist ebenfalls abgebildet.

Andere enthalten eine Zellwand aus Peptidoglycan, die die allgemeine Form der Zelle fortsetzt und aus Polysacchariden und Proteinen besteht. Diese Zellen haben jedoch drei spezielle Formen, nämlich kugelförmig, stäbchenförmig und spiralförmig. Die einzige Ausnahme sind Mycoplasma-Bakterien, die keine Zellwand und daher keine besondere Form haben.
Das Bakteriendiagramm zeigt auch den periplasmatischen Raum, ein Zellkompartiment, das in einfachen Worten in Bakterien mit einer äußeren Membran und einem Plasma Membran.

PPT – Membran- und Transporthinweise PowerPoint-Präsentation … (Lewis Hudson)

Die Membran ist selektiv durchlässig, da die Lipide hydrophob sind (Wasser abstoßen). Während Phospholipid aus zwei Molekülen von Fettsäuren besteht, der Phosphatgruppe und einem Glycerinmolekül. Erfahren Sie mehr über diese Moleküle und die Doppelschicht selbst, indem Sie nach unten scrollen.


Fettsäuren

Fettsäuren sind kettenartige Moleküle, die wichtige Bestandteile verschiedener Arten von Lipiden sind. Die folgenden Abbildungen zeigen zwei verschiedene Fettsäuremoleküle. Jeder hat eine charakteristische Carboxylgruppe (das -COOH), die an eine Kohlenstoffkette mit Wasserstoffatomen an der Kohlenstoffkette gebunden ist. Zwei Dinge sind bemerkenswert. Erstens ist die Kohlenwasserstoffkette sehr unpolar und löst sich daher nicht sehr gut in Wasser auf. Kohlenwasserstoffketten assoziieren jedoch leicht miteinander. Zweitens ist zu beachten, dass der ungesättigten Fettsäure zwei Wasserstoffe entfernt wurden, und dies ermöglicht die Bildung einer Doppelbindung, d. h. einer stärkeren Bindung zwischen zwei der Kohlenstoffatome. Beachten Sie auch, dass die Doppelbindung dazu neigt, eine Biegung oder einen Knick in der Fettsäure zu erzeugen. Die Abbildung rechts zeigt zwei weitere übliche Fettsäuren: Stearinsäure, eine gerade Kette mit 18 Kohlenstoffatomen ohne Doppelbindungen, und Ölsäure, eine Kette mit 18 Kohlenstoffatomen mit einer einfachen Doppelbindung, die eine Krümmung des Kohlenstoffs verursacht Kette.


Phospholipid Doppelschicht

Laden Sie das Video von iTunes U oder dem Internetarchiv herunter.

OK. Heute werden wir also ein wenig Zeit mit elementarer Chemie verbringen, nur um unsere Sprache zu entwickeln, die wir miteinander verwenden. Und wenn ich Wasserstoffbrücken sage, starren Sie mich nicht ausdruckslos an und kratzen sich am Kopf. Viele von euch haben das schon gehabt.

Für viele von Ihnen ist dies eine Rezension, aber es ist eine nützliche Rezension.

Wir hier am MIT glauben daran, Dinge zwei- oder dreimal oft zu unterrichten, das gleiche Thema, aber mit zunehmender Verfeinerung.

Also mache ich das ohne Entschuldigung. Unser erstes Thema hier ist, wie werden Atome und Moleküle zusammengehalten? Und die bekannteste Art, Atome und Moleküle zusammenzuhalten, sind natürlich die kovalenten Bindungen. Und kovalente Bindungen haben eine Energie von etwa 80 Kilokalorien pro Mol. Und das ist eine ziemlich starke Energie, um zwei Atome zusammenzuhalten, denn die Energie, die thermische Energie, also die Energie bei, sagen wir, Körpertemperatur beträgt etwa 0,6 Kilokalorien pro Mol. Und wenn Sie also eine Bindung hätten, wenn es etwas gäbe, das die Dinge zusammenhält, das in diesem Bereich oder zwei-, drei- oder viermal höher ist, dann würde die einfache Wärmeenergie bei Raumtemperatur oder bei Körpertemperatur ausreichen, um solches auseinanderzubrechen Bindung. Aber tatsächlich ist diese Energie, die Energie einer kovalenten Bindung, so viel höher, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass thermische Energie eine bereits bestehende kovalente Bindung aufbricht. Und ich habe gestern gerade gelesen, wie Leute die mitochondriale DNA von einigen ausgegrabenen Neandertaler-Knochen analysierten. Der letzte Neandertaler lebte vor etwa 30.000 Jahren, unsere kürzlich verstorbenen Cousins.

Und sie analysierten die DNA-Sequenzen. Und sie erhielten aus diesen Analysen DNA-Abschnitte, die 200, 300 Nukleotide lang waren.

Und das ist wirklich ein erstaunliches Zeugnis dafür, dass komplexe biologische Moleküle unter sehr schwierigen Bedingungen dennoch erstaunlich lange überleben können, ja sogar solche, die durch die kovalenten Bindungen wie diese zusammengehalten werden.

Natürlich erinnern Sie sich an den Film Jurassic Park, in dem die PCR-Reaktion verwendet wurde, um die DNA von Dinosauriern wiederzubeleben. Das ist ein bisschen Fantasie, seit Dinosaurier uns vor etwa 150 Millionen Jahren verlassen haben, so ähnlich. Es gibt offensichtlich einen großen Unterschied zwischen 300.000 und 150 Millionen Jahren vor Jahren.

Tatsache ist, dass wir uns hier zum Beispiel ein Wassermolekül ansehen, wenn Sie sich die Art und Weise ansehen, wie Moleküle tatsächlich miteinander verbunden sind.

Idealerweise sollte dieses Molekül keine Ladung aufweisen.

Und tatsächlich gibt es keine Nettogebühr. Aber die Wahrheit ist, wenn man es offen sagen will, dass Sauerstoffmoleküle, und wir sind immer hier, dass Sauerstoffmoleküle eine größere Affinität zu Elektronen haben als Wasserstoffatome, d. h. sie sind elektronegativ.

Und das bedeutet also, dass die Elektronenschwärme, die das alles an den Orbitalen zusammenhalten, näher an die Sauerstoff- und Wasserstoffatome gezogen werden, d. h. die Protonen sind relativ bereit, ihre Elektronen abzugeben. Und das bedeutet, dass es eine ungleiche Verteilung gibt. Und als Konsequenz gibt es hier an diesem Ende des Moleküls einen Bruchteil einer negativen Ladung und hier gibt es einen Bruchteil positiver Ladungen, weil sie die Elektronen nicht vollständig aufgegeben haben, sondern die Elektronen mehr nach innen verschoben sind diese Richtung. Und dieses Molekül heißt deshalb ein polares Molekül, weil es hier einen Pluspol und hier einen Minuspol hat. Es gibt andere Molekülpaare, die relativ gleich elektronegativ sind.

Wenn wir zum Beispiel hier einen Kohlenstoff und einen Wasserstoff haben, sind diese beiden Atome in Bezug auf ihre Fähigkeit, Elektronen voneinander wegzuziehen, ungefähr gleich gleich. Infolgedessen gibt es keine Netto-Ladungsverschiebung.

Und denken Sie daran, dass dieses Delta, das ich hier zeige, nur ein Bruchteil einer elektronischen Ladung ist. Es ist nicht die gesamte elektronische Ladung verschoben. Aber das hat wichtige Konsequenzen für die gesamte Biochemie, auf die wir heute und am Montag eingehen werden. Wichtig, weil polare Moleküle wie dieses Wasser in der Lage sind, bestimmte Verbindungen aufzulösen.

Und unpolare Moleküle, die große Anordnungen solcher Bindungen oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweisen, sind in Wasser relativ unlöslich, und das hat wichtige Konsequenzen für die Organisation biologischer Membranen. Wir könnten hier eine Carbonylbindung haben, d. h. ein C geht über eine Doppelbindung zu einem O. Und hier haben wir wieder einmal eine Situation, in der der Sauerstoff viel begieriger ist in Bezug auf seine Bereitschaft und sein Interesse, Elektronen an sich heranzuziehen.

Und deshalb gibt der Kohlenstoff ein wenig von der Elektronenwolke ab und wird leicht elektropositiv.

Dagegen wird das Sauerstoffatom leicht elektronegativ.

Tatsache ist, dass es auch andere Bindungen gibt, die nicht kovalent und viel weniger energetisch sind. Reden wir zum Beispiel kurz über eine Wasserstoffbrücke.

Und es ist vielleicht am einfachsten, eine Wasserstoffbrücke zu demonstrieren, indem man sich die Struktur zweier benachbarter Wassermoleküle in einer ausgerechnet Wasserlösung ansieht. Und Tatsache ist, nehmen wir an, wir ziehen ein Wassermolekül hier unten und ein Wassermolekül hier unten. Was passieren wird, ist, dass dieses Sauerstoffatom hier aufgrund seiner Elektronegativität eine gewisse Affinität hat, dieses Wasserstoffatom an sich heranzuziehen. Und tatsächlich passiert im wirklichen Leben, was auch immer das auf molekularer Ebene ist, dass dieses Wasserstoffatom tatsächlich zwischen diesen beiden Sauerstoffatomen hin und her springt. Es kann schnell ein Austausch zwischen ihnen sein. Dieser Austausch verursacht eine starke Assoziation zwischen zwei benachbarten Wassermolekülen. Und stellt in der Tat den Grund dar, warum Wasser bei Raumtemperatur nicht verdampft, weil die Wassermoleküle eine starke Affinität oder Neigung zueinander haben.

Und deshalb, um nur ein paar Illustrationen aus dem Buch zu nehmen, so ist es im Buch illustriert.

Wahrscheinlich gut, einen Bildschirm unten zu haben. Und hier können Sie sehen, wie Wassermoleküle tatsächlich im Wasser angeordnet sind. Dies ist die untere Abbildung hier. Nur um Ihnen zu zeigen, dass die Wasserstoffatome nicht wirklich der Besitz, der Besitz eines Wassermoleküls sind. Sie werden nur ständig hin und her ausgetauscht. Und dieser hin und her Austausch, diese gemeinsame Nutzung eines Wasserstoffatoms ermöglicht es einer Wasserstoffbrücke von ungefähr 5 Kilokalorien Energie pro Mol, die Dinge zusammenzuhalten.

5 Kilokalorien sind nicht viel. Es ist nur eine Größenordnung über 0,6 anstatt zwei Größenordnungen.

Und deshalb, wenn man die Temperatur bis zum Siedepunkt erhöht, wenn die Temperatur hoch genug ist, ist die thermische Energie hoch genug, um diese Art von Assoziationen zu zerreißen.

Wenn wir nun hierher zurückkehren würden, um uns dieses Carbonylatom anzusehen, würden wir die folgende Situation vorfinden. Hier haben wir diese ungleiche Verteilung von elektropositiven und elektronegativen Bindungen.

Lassen Sie uns eine saure Gruppe wie diese setzen. Dies ist eine Carbonsäure genau hier. Hier sehen wir hier über dieses Sauerstoffatom eine Kohlenstoffbindung zu einem Hydroxyl. Auch hier haben wir ein elektronegatives Atom. Und in der Tat, wenn wir von einer ionisierten Säure sprechen, gäbe es normalerweise hier ohne Ionisierung eine Nettoladung von Null. Bei neutralem pH-Wert kann es aber durchaus sein, dass die Assoziation zwischen diesem Sauerstoff und diesem Wasserstoff aus verschiedenen Gründen den Wasserstoff bzw. das Proton, den Kern des Wasserstoffatoms, einfach abwandern lässt.

Und daher können wir uns vorstellen, dass hier eine negative Nettoladung vorhanden sein könnte. Als Ganzes hat dies ein volles Elektron, hier elektronegative Ladung, die Ladung eines Elektrons, und dieses Proton wird ionisiert sein, hat die Carboxylgruppe verlassen, aus der es stammt, und jetzt haben wir eine ionisierte Säuregruppe. Entweder vor oder sogar nach dieser Ionisierung besteht eine starke Affinität der Carboxylgruppe mit dem sie umgebenden Wasser, denn schauen wir uns an, was vor der Ionisierung passiert ist. Dieser Kohlenstoff hier ist stark und elektronegativ. Und daher wird es hier an Wasserstoffbrückenbindungen zum Wasserlösungsmittel teilnehmen, d.h.

., wird dieses Proton ein wenig zwischen dem Sauerstoff des Wassermoleküls und dem Sauerstoff hier geteilt. Ebenso wird dieser Sauerstoff hier aus den eben beschriebenen Gründen leicht elektronegativ sein.

Und hier kann es wieder einmal zu einer schwachen Wasserstoffbrückenbindung kommen.

Allerdings nicht so effektiv wie hier, wo wir eine Doppelbindung haben, wo wir eine große Konzentration einer Elektronenwolke haben, die zum Sauerstoffatom gezogen wird. Und dies beginnt uns Hinweise darauf zu geben, warum bestimmte Moleküle in Wasser löslich und andere unlöslich sind.

Betrachten wir zum Beispiel aliphatische Verbindungen.

Schauen wir uns eine Verbindung an, die so aufgebaut ist.

Ich denke, die meisten Leute würden das Pentan nennen. Und so können wir es auch nennen. Und dies hat keine Elektronegativität oder Positivität aufgrund der gleichen Affinitäten dieser beiden Arten von Atomen, das heißt des Wasserstoffs und des Kohlenstoffs für Elektronen. Als Konsequenz kann dieses keine Wasserstoffbrückenbindungen mit einem umgebenden Lösungsmittel bilden, wenn es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser handelt.

Es gibt hier also keine gute Bindung. Und dies wird in der Tat, auch wenn man dies in eine Wasserlösung gibt, alle Wassermoleküle auf eine bestimmte Weise aneinanderreihen, fast wie ein Quasi-Kristall um das aliphatische Molekül. Sie werden in einer bestimmten Schicht um das aliphatische Molekül herum angeordnet, ohne mit ihnen starke Wasserstoffbrückenbindungen eingehen zu können. Und diese Ordnung bedeutet einen Verlust an Chaos, einen Verlust an Entropie. Entropie ist Chaos. Es ist Unordnung.

Es passiert, sagen wir, um 10:55 Uhr, wenn wir alle den Raum verlassen, wird die Ordnung plötzlich chaotisch. Und hier, bevor diese Aneinanderreihung stattfand, waren die Wassermoleküle im Lösungsmittel chaotisch angeordnet. Nachdem diese Aneinanderreihung stattgefunden hatte, gab es einen Verlust an Entropie, es gab einen Verlust an Chaos.

Und die Thermodynamik sagt uns, dass die Anordnung von Molekülen im Allgemeinen ungünstig ist. Und folglich haben wir jetzt zwei Gründe, warum dieses Molekül nicht gerne in der Mitte von Wasser ist.

Erstens ist es nicht in der Lage, mit dem Lösungsmittel Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.

Und zweitens nimmt die Entropie ab, das Chaos, das entsteht, wenn dieses Molekül direkt dem Wasser gegenübersteht.

Und aus diesen beiden Gründen stellt sich heraus, dass dieses Molekül nicht gerne in Wasser ist. Das aliphatische Molekül, wie man das in der organischen Chemie nennen würde, mag nicht in Wasser. Und eine Abneigung gegen Wasser wird oft als Hydrophobie bezeichnet, oder wir nennen es oft Hydro, könnte es auch richtig buchstabieren, hydrophob, d.h. es hasst es wirklich, im Wasser zu sein.

Tatsächlich gibt es eine zweite Bedeutung für Hydrophobie, oder hydrophob hat eine zweite Bedeutung.

Alle fünf Jahre frage ich eine Klasse, wer weiß, was die zweite Bedeutung von Hydrophobie ist. Das ist wirklich undurchsichtig. Es tut uns leid?

Tollwut, richtig. Das dürfen die TAs nicht beantworten.

Wenn jemand Tollwut hat, in einem Stadium der Tollwut, fast im Endstadium, wird der Mensch hydrophob, weil er oder sie aus Gründen, die mir zumindest unklar sind, nicht gerne Wasser trinkt. Umgekehrt würden Moleküle mit einer Carboxylgruppe als hydrophil bezeichnet.

Und wie wir in diesem und im nächsten Vortrag sehen werden, haben diese hydrophoben und hydrophilen Tendenzen tendenziell große Auswirkungen auf das Gesamtverhalten von Molekülen. Stellen wir uns zum Beispiel eine Situation vor, in der wir einen langen aliphatischen Schwanz wie diesen haben. Tatsächlich können diese Schwänze in bestimmten aliphatischen Verbindungen bestehen. Sie können für 20 oder sogar 30 Kohlenstoffe weitermachen. Und am Ende setzen wir einfach willkürlich eine Carboxylgruppe. Und sagen wir, wir haben es ionisiert.

Hier ist also eine saure Gruppe, die ionisiert ist. Es hat sein Proton abgegeben.

Es hat tatsächlich eine negative Ladung erworben. Und jetzt haben wir etwas, dieses Molekül ist ein bisschen schizoid. Denn an einem Ende liebt es es, im Wasser zu sein, das andere hasst es, im Wasser zu sein.

Und das hat starke Auswirkungen. Es wird manchmal als amphipathisch bezeichnet, aber wir müssen uns um dieses Wort keine Sorgen machen. Und deshalb liebt es dieser Carboxylkopf, seinen Kopf zu stecken, seinen Kopf in Wasser zu tauchen. Und diese Dinge, der aliphatische Teil hasst es, in Wasser zu sein. Als Folge dieser ziemlich widersprüchlichen Gefühle, die diese Moleküle gegenüber Wasser haben, können wir uns nun die Frage stellen, was passiert, wenn wir solche Moleküle tatsächlich in Wasser geben? Und was wir hier sehen, ist folgendes. Wenn wir zum Beispiel ein Molekül wie hier konstruieren, sprechen wir in diesem Fall von einem Molekül mit zwei hydrophoben Schwänzen. Wir werden in Kürze auf seine detaillierte Struktur eingehen, aber stellen Sie sich für einen Moment vor, dass zwei lange hydrophobe Schwänze hier draußen mit einem hydrophilen Kopf enden.

Und wenn wir in solchen Situationen Tausende dieser oder Millionen dieser Moleküle in eine Wasserlösung geben, sehen wir dann keinen Hinweis? Gut. Zeiger?

Gut. Was wir dann sehen werden ist, dass die hydrophilen Kopfgruppen, die hier rot dargestellt sind, nach außen weisen, sie wollen ihre Köpfe ins Wasser stecken.

Und umgekehrt verbinden sich die hydrophoben Schwänze, die aus dem Wasser fliehen, tatsächlich miteinander. Und so haben Sie eine Struktur, die in diesem Fall eine Mizelle genannt wird, in der Sie diese kleine kugelförmige Kugel bilden, in der die Lipidschwänze versteckt sind.

Und sind daher tatsächlich vor direkter Wassereinwirkung geschützt. Diese Struktur hier unten, die Lipiddoppelschicht, ist tatsächlich, wie wir in Kürze noch genauer besprechen werden, die Gesamttopologie der Art und Weise, wie die meisten biologischen Membranen organisiert sind.

Tatsächlich praktisch alle. Warum ist das so? Denn biologische Membranen trennen zwei hydrophile oder zwei wässrige Räume.

Danke mein Herr. Ein Gentleman sind Sie. Hier ist also ein wässriger Raum und hier ist ein wässriger Raum. Und wie wir sehen, sind die hydrophilen Köpfe eingetaucht oder stecken ihre Köpfe in den hydrophilen Raum.

Dies wird als Lipiddoppelschicht bezeichnet. Und offensichtlich ist es für diese beiden wässrigen Kompartimente sehr effektiv.

In eukaryotischen Zellen wird, wie ich letztes Mal erwähnt habe, eine enorme Prämie auf die Trennung und Trennung verschiedener wässriger Kompartimente gelegt, was ausnahmslos durch die Konstruktion dieser Lipiddoppelschichten erreicht wird. Hier ist ein Vesikel. Ein Vesikel ist komplizierter als eine Mizelle. Denn wenn Sie sich die Membran ansehen, die das Vesikel auskleidet, sehen Sie, dass es sich tatsächlich um eine Lipiddoppelschicht handelt, die jedoch im dreidimensionalen Raum tatsächlich eine Kugel ist. Und bei diesem Vesikel können wir uns gut vorstellen, dass auf der Innenseite des Vesikels Wasser gespeichert wird, gespeichert werden kann und auf der Außenseite des Vesikels Wasser gespeichert werden kann.

Und viele der Membranen, die wir in den Zytoplasmen selbst sehen, sind tatsächlich auf dieser Art von Design aufgebaut.

Wenn wir zum Beispiel in diesem Fall den Golgi-Apparat zeichnen, den ich Ihnen beim letzten Mal beiläufig erwähnt habe, ist jede dieser Membranen hier offensichtlich als Doppellinie gezeichnet, aber immer wenn Sie eine Membran angezeigt sehen, implizit in dieser Zeichnung ist die Tatsache, dass jede dieser Membranen tatsächlich eine Doppelschicht ist. In lebenden Zellen gibt es niemals Monoschichten von Lipiden. Jedes dieser Vesikel, die Sie hier sehen, ist eigentlich eine Lipiddoppelschicht mit einer wässrigen Innenseite und einer wässrigen Außenseite. Auch hier wird ein Großteil der thermodynamischen Stabilität, die es diesen Vesikel ermöglicht, intakt zu bleiben, anstatt nur auseinander zu diffundieren, durch diese hydrophilen und hydrophoben Kräfte erzeugt, die solche Moleküle zusammenbinden oder auseinanderreißen.

Nun, in Wahrheit gibt es noch andere Arten von Kräften, die die Affinität von Molekülen zueinander bestimmen. Stellen wir uns zum Beispiel eine Situation vor, in der wir eine ionisierte Säuregruppe der Art haben, über die wir gerade gesprochen haben. Angenommen, ich ziehe die negative Ladung auf einen dieser beiden Sauerstoffe, wenn Sie das sehen können. Aber die Wahrheit ist, dass die Elektronen hin und her schwärmen, und so wird die negative Ladung gleichmäßig verteilt, die negative Ladung eines Elektrons wird gleichmäßig zwischen diesen beiden Sauerstoffatomen aufgeteilt. Und dies ist offensichtlich ein Bereich großer Elektronegativität. Unabhängig davon stellen wir uns hier oben eine basische Gruppe vor, sagen wir hier eine Amingruppe. Und Tatsache ist, Amingruppen, NH2-Gruppen, das ist ein Amin, hier ist eine Amingruppe. Dies ist eine Carboxylgruppe.

Und die in der Biochemie sehr häufig verwendete Amingruppe hat tatsächlich eine Affinität. Es hat einen ungepaarten Elektronensatz am Stickstoff und zieht daher gerne Protonen an, wodurch es als basisch bezeichnet wird.

Und diese Anziehung, das Auffangen von Protonen, vielleicht aus dem Wasser, wird dieser ganzen Gruppe hier offensichtlich eine positive Nettoladung geben, eine Ladung, die der Ladung eines Protons entspricht. Auch hier können wir uns dies als hydrophil vorstellen, da diese Ladungsgruppe auch wieder ganz innig mit wässrigen Lösungsmitteln assoziieren kann.

Nun, unabhängig von anderen Kräften, die hier existieren könnten, könnte man sich tatsächlich Situationen vorstellen, in denen ein Proton geteilt wird.

Und daher bildete sich zwischen diesen beiden eine Wasserstoffbrücke. Davon unabhängig ist die einfache elektrostatische Wechselwirkung dieser beiden Gruppen. Das ist die gegenseitige Anziehung positiver und negativer Gruppen zueinander. Und bei den elektrostatischen Wechselwirkungen können Sie nicht genau quantifizieren, wie viele Kilokalorien ein Mol enthält, da der energetische Wert der elektrostatischen Wechselwirkung gleich eins über r zum Quadrat ist, wobei r der Abstand zwischen diesen beiden geladenen Gruppen ist. Und je weiter man auseinander geht, desto schwächer wird natürlich die Anziehungskraft zueinander. Es gibt auch sogenannte Van-der-Walls-Wechselwirkungen. Sie sind vor allem für eine sehr kleine Gemeinschaft von Biochemikern von Interesse.

Sie werden diesen Begriff wahrscheinlich nie wieder in Ihrem Leben hören. Und Van-der-Waals-Wechselwirkungen entstehen dadurch, dass wir, wenn wir hier zum Beispiel zwei Moleküle hätten, die normalerweise nicht geladen sind, noch einmal über zwei aliphatische Ketten sprechen. Und ich werde nicht alle Protonen und alles hineingeben, sondern stell dir einfach eine Situation wie diese vor. Was passieren wird ist, dass wegen der Fluktuationen der Elektronen, weil die Elektronen hier die ganze Zeit herumschwimmen, sich von einem Bereich zum nächsten bewegen, sie nie gleichmäßig über einen langen Zeitraum gleichmäßig verteilt sind, wird es kurze Instanzen geben in Zeit, Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden, wenn hier drüben mehr Elektronen sind als hier.

Nur zufällig. Und dieser Bereich der ungleichen Verteilung der Elektronen wird wiederum die entgegengesetzte Art von Elektronenverschiebung in einem benachbarten Molekül hier unten induzieren.

Natürlich abhängig von der Entfernung zwischen ihnen.

Aber das Negative hier wird Elektronen hier unten abstoßen.

Das Positive hier zieht Elektronen hier unten an.

Und so werden Sie diese beiden quasi-polaren Anordnungen hier und hier haben, sehr kurzlebig, die für eine sehr kurze Übergangszeit andauern. Aber dennoch ausreichend, um eine sehr schwache Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen zu erzeugen, die möglicherweise nur für eine Mikrosekunde anhält und dann abgebaut wird, weil sich die Ladungen dann erneut umverteilen.

Und als Folge davon hat man sehr schwache Wechselwirkungen, die im Großen und Ganzen nur eine sehr untergeordnete Rolle in der Gesamtenergie spielen, die Moleküle zusammenhält. Lassen Sie uns nun vor diesem Hintergrund näher darauf eingehen, wie wir Moleküle mit interessanten Eigenschaften herstellen können, die es ihnen unter anderem ermöglichen, am Aufbau von Lipiddoppelschichten teilzunehmen, die das erste Ziel unserer Arbeit sein werden Aufmerksamkeit heute in Bezug auf die aktuelle Biochemie.

Hier ist also eine Fettsäure. Das sehen wir hier oben. Tatsächlich habe ich Ihnen hier schon einmal die Struktur einer Fettsäure auf den Weg gebracht. Und was wir sehen können, ist, dass wir durch eine Verknüpfung, die als Veresterung bekannt ist, dieses Molekül erzeugen können. Was meine ich mit Veresterung? Nun, in diesem Fall sprechen wir hier von einer Situation, in der wir hier ein Kohlenstoffatom wie dieses mit einer Hydroxylgruppe haben. Sie sehen es hier. Und was wir tun, ist, dass wir das dehydrieren, wir ziehen ein Netto-Wassermolekül heraus. Und jedes Mal, wenn wir dies bei drei verschiedenen Gelegenheiten tun, ist das, was wir letztendlich tun, eine kovalente Bindung zwischen diesen beiden zu schaffen, anstatt eine kovalente Bindung zu schaffen.

Und so ist das Endprodukt der Dehydratisierung, das Herausziehen eines Nettomoleküls Wasser, dass wir am Ende eine Struktur haben, die so aussieht.

Und Sie sehen, dass das bei mindestens drei verschiedenen Gelegenheiten passiert, hier, hier und hier. Nun, eigentlich sollte ich hier eine Kohle hinstellen.

Hier haben wir also drei Veresterungen.

Die Hydroxylgruppe reagiert hier jeweils mit einer Carboxylgruppe, wobei ein Wasser entzogen wird, und es entsteht jeweils das sogenannte Triacylglycercol oder Triglycerid. Triglycerid bezieht sich darauf, dass wir hier mit einem Glycerin angefangen haben und es nun verestert haben.

Tatsächlich gibt es hier bei dieser Art von Reaktion zwei Richtungen. Die Veresterung ist die Art der Verknüpfung, die wir hier gerade gezeigt haben. Und die Wahrheit ist, dass eine große Anzahl biochemischer Verknüpfungen durch Veresterungsreaktionen hergestellt und durch Reaktionen umgekehrt werden, die einfach Hydrolyse genannt werden.

Und in diesem Fall beziehen wir uns auf die Tatsache, dass, wenn man ein Wassermolekül wieder in jede dieser drei Bindungen eins, zwei und drei einführen würde, wir die Bindung aufbrechen und diese gesamte Struktur wieder in die beiden Vorläufer, die vor diesen drei Veresterungsreaktionen existierten oder vorher existierten.

Und Sie werden in den nächsten Wochen immer wieder sehen, dass Veresterungsreaktionen für den Aufbau unterschiedlicher Moleküle wichtig sind. Tatsache ist, dass wir andere Arten von Modifikationen eines solchen Glycerins vornehmen können.

Hier, was wir gemacht haben, anstatt eine dritte Fettsäure hinzuzufügen, notieren Sie, was hier gemacht wurde. Hier durch eine Veresterung, schauen wir uns diese hier an, anstatt eine dritte Fettsäure hinzuzufügen, haben wir uns eine der drei Gruppen des Glycerins reserviert.

Hier ist, was wir kurz zuvor gesehen haben. Wir haben eine der drei Gruppen des Glycerins gespeichert und stattdessen diese stark hydrophile Phosphatgruppe angezogen, wiederum durch eine Dehydratisierungsreaktion, eine Veresterungsreaktion. Und jetzt haben wir die Verletzung noch schlimmer gemacht, denn ohne dieses Phosphat hätte es hier ein leicht hydrophiles Hydroxyl. Aber jetzt sehen Sie, wie stark das aufgeladen ist. Hier sind zwei negative Ladungen, jeweils ein Elektron. Und das ist schon ein bisschen elektronegativ.

Hier haben wir also eine extrem potente hydrophile Entität.

Und hier wird der Grad der Schizophrenie zwischen einem Ende des Moleküls und dem anderen stark übertrieben. Hier ist diese nämlich extrem hydrophil.

Und deshalb steckt dieser gerne seinen Kopf ins Wasser. Und wenn wir deshalb darüber sprechen, zeichnen wir die Bilder von verschiedenen Arten von Membranen, wie ich Ihnen vor den beiden Schwänzen gezeigt habe. Hier haben Sie die beiden Schwänze gesehen, die ich zuvor in diesem Diagramm gezeichnet habe.

So können wir uns vorstellen, dass sie in realerer molekularer Hinsicht tatsächlich aussehen. Und die hydrophilen Köpfe, die im Wasser stecken, wiederholen nur, was wir zuvor gesehen haben, werden noch hydrophiler, wenn wir ein solches Molekül betrachten.

Schauen wir uns das Ding hier an. Hier ist ein sehr langer hydrophober Schwanz.

Hier noch einmal die beiden Glycerine. Hier ist das Phosphat.

Und denken Sie daran, dass Phosphat offensichtlich diese zusätzlichen Sauerstoff enthält.

Phosphat kann mit mehr als nur einem Partner reagieren, dem Glycerin hier unten. In diesem Fall haben wir diese Gruppe hier hinzugefügt. Und diese Gruppe hier oben ist wieder einmal ein Serin, das eine Aminosäure ist, die auch ziemlich hydrophil ist. Hier ist unser alter Freund, die basische Aminogruppe. Hier ist die Carboxylgruppe. Dies ist ein bisschen hydrophob, CH2. Und dann haben wir hier noch einmal den hydrophilen Kopf.

Und deshalb stellen wir uns vor, wenn wir uns ein sogenanntes raumfüllendes Modell ansehen, und ein raumfüllendes Modell soll uns wirklich zeigen, was man sich vorstellt, wenn man diese Vision hätte, die wir nicht haben, wie viel Raum jedes dieser Atome würde tatsächlich aufnehmen, wenn man sie sehen könnte.

Und hier sehen wir dieses raumfüllende Modell. Dieses Lipidmolekül hier ist mit seinem hydrophilen Kopf, der in den Wasserraum gesteckt ist, tatsächlich leicht geknickt. Und so sehen viele biologische Membranen in Bezug auf ihre Konstruktion aus.

Tatsache ist, dass dies der Zelle auch die Fähigkeit verleiht, Inhalte auf der einen oder anderen Seite der Lipiddoppelschicht, die sie zufällig aufgebaut hat, abzusondern. Und hier können wir über die Semipermeabilität sehen, wie durchlässig diese Membranen für verschiedene Arten von Molekülen sind. Permeabilität bezieht sich offensichtlich auf die Fähigkeit dieser Membran, die Migration von Molekülen von einer Seite zur anderen zu blockieren oder zu ermöglichen.

Ions, and these ions we see right here are obviously highly hydrophilic by virtue of their charge. That's explains, in fact, why, for example, table salt goes so readily into solution, because it readily ionizes into sodium, NA and CL, which then are avidly taken up by the water molecules.

So these are highly hydrophilic ions. And the questions is, can they go from one side of the membrane to the other?

And the answer is absolutely not or highly improbably. Wieso den?

Because these are so highly hydrophilic, the water molecules love to gather around them and form hydrogen bonds and electrostatic bonds with them. And if one of these ions ventures over here, it's going from an area where it's warmly embraced by the solvent molecules to an area where these molecules intensely dislike these ions. And, therefore, thermodynamically the entrance of any one of these ions into the membrane, into the hydrophobic portion of the membrane is highly disfavored, which makes the membrane essentially, for all practical purposes, impermeable. The same can be said of glucose which happens to be a carbohydrate. We'll talk about it shortly. But it's also nicely hydrophilic. It also can go in water. In fact, it can go through. And it's actually the case, to my knowledge, that one doesn't really understand to this day why lipid bilayers are reasonably permeable to water.

You would say, well, water shouldn't be able to go through. It clearly doesn't have to have a net positive or negative charge, but the physical chemist, if you asked them why does water, why is water able to go through lipid bilayers? They'll say, well, we've been working on that and we'll get you an answer in the next five or ten years. And they said that 40 years ago and 30 years ago, and they're still saying it. And we don't really understand why water goes through, which is an embarrassment because here's one of the fundamental biochemical properties of living matter that is poorly understood. Gases can go right through.

And amino acids, ATP, glucose 6 phosphate, highly hydrophilic, can also not go through. Now, the advantage of this is that a cell can accumulate large concentrations of these molecules either on the inside or it can pump them to the outside. In other words, it can create great gradients in the concentrations of different kinds of ions. For example, in many cells, the concentration of calcium, CA++ is a thousand times higher on the outside of the cell than on the inside of the cell which is a testimonial to how impermeable these lipid bilayer membranes are.

The fact of the matter is I'm fudging a little bit here because in the lipid bilayers of the plasma membrane of the cell, the outer membrane of the cell that we talked about in passing last time, there are ion pumps which are constantly working away pumping ions from one side to the other overcomes the little bit of leakage which may have occurred if a calcium ion happens to have snuck through in one direction or the other. And we end up expending a lot of energy to keep these ion gradients in appropriate concentrations on the outside and the inside. In fact, virtually all the energy that is expended in our brain, almost all of it is expended to power the ion pumps which are constantly insuring that the concentrations of certain ions on the outside and the inside of neurons are kept at their proper respective levels.

It could therefore be that actually more than half of our metabolic burden every day is expended just keeping the ions segregated on the outside and inside of cells. For example, potassium is at high levels inside cells, sodium is at high levels outside cells, just to site some arbitrary examples. There are also, by the way, as I mentioned last time, channels.

And channels are actually just little doughnut shaped objects which are placed, inserted into lipid bilayers in the plasma membranes and just allow for the passive diffusion of an ion through them, through the doughnut hole enabling an ion, so if here's the lipid bilayer, not showing its two things, these kinds of doughnut shaped protein aggregates will allow the passage of ions in one direction or another. And here energy is not being expended to enable this passage. It may just be through diffusion.

If there's a higher concentration of ion on side of the lipid bilayer and a lower one on this side, this diffusion will allow the ion to migrate through the bore of the ion channel from one side to the other.

In fact, even though this does not involve the expenditure of energy on the part of the cell, the cell may actually use a gating mechanism to open or close these channels.

When the channels are closed then the ions cannot move through.

When the channels are gated open then diffusion can take over and insure the transfer, the transportation of ions from one side to the other. Now, having said that, we can begin to look at yet other higher level structures.

Here, by the way, is a better drawing than the one I provided you.

This comes from your book of what a vesicle looks like.

Here's what it looks like under the electron microscope and here's what it looks like when a talented rather than hapless and hopeless artist like myself tries to draw it. So let's just say that's our intro into lipids and membranes. And let's move onto the next layer of complexity. And the next layer of complexity in terms of molecules represents carbohydrates.

And when we talk about a carbohydrate amongst ourselves we're talking about a molecule which, roughly speaking, has one carbon atom for every water molecule. And we'll shortly indulge ourselves in talking about all kinds of different carbohydrate molecules.

Here is really one of the most important carbohydrate molecules, glucose. And what should we note about glucose?

Well, the first thing you should see is that glucose has six carbon atoms. And, therefore, as a consequence it's called a hexose. We're going to talk about pentoses very shortly. They only have five, to state the obvious. Glycerol, which we talked about before, is also considered in one sense a carbohydrate, but it's been called by some people a triose.

It only has three carbon atoms. And you can imagine, therefore, in principal that there are certain biochemical mechanisms which indeed exist which enable one to join two glycerol molecules, one to the other, to create something like a hexose, glucose.

In fact, what we see from this drawing, expertly drawn by yours truly, is that the hexose molecule isn't really a linear molecule in solution. What happens is that because of various steric and thermodynamic forces it likes to cyclize. So let me just mention, I've just used two words that are useful to know about.

Steric or stereochemistry refers to the 3-dimensional structure of a molecule. And, obviously, the stereochemistry of a molecule is dictated by the flexibility with which participating atoms can form bonds, whether we have a trivalent atom like nitrogen or a tetravalent atom like carbon or a monovalent like hydrogen. And these structures, the stereochemistry is dictated both by what atoms are present here and by thermodynamic considerations which cause this particular hexose, indeed virtually all hexoses, to cyclize. When I say cyclize, obviously I mean to form a circular structure. Here we note one thing.

You can see how the hydroxyl here actually attacks the positively charged carbon here in order to form this cyclic structure.

You see one of the six points on this hexagonal structure here is oxygen. It's not carbon at all. So there is one oxygen and five carbons. And one of the carbons is relegated, is exiled to outside of the circle. It's sometimes called an extracyclic because it's sticking out from the actual circle. And this is the structure in which glucose actually exists inside cells. And, in fact, there is, in truth, two alternative ways by which glucose can cyclize, whether the oxygen attacks the carbon on the carbonyl group underneath or on top.

And you see that gives us two alternative structures.

What's different about them? Well, if we think about this hexose as existing in a plane, or the hexagon is in a plane In this case the oxygen is above the plane and the hydrogen is below the plane. With equal probability you can have these two atoms reversed where hydrogen is now above the plane and hydroxyl is below the plane. And both of these structures, these alternative structures can fairly be considered to be glucose. Now, let's get a little bit more complicated. Here we have fructose and we have galactose.

And what we see here is, by the way, that we have exactly the same number of carbon atoms and hydrogen atoms and oxygen atoms but they're hooked up slightly differently. And here now we begin to get very picky about the disposition, the orientation of these different kinds of hydroxyls and hydrogens.

And note, by the way, here that in many cases one doesn't even put in the H for the hydrogen. It's just implied by the end of this line. And here, if you were to look at this, you'll see here now we have two extra cyclic carbons.

Here's galactose which is yet another hexose.

These are all hexoses, but their stereochemistry creates quite different kinds of structures. And it turns out that this stereochemistry is extremely important. These molecules function very differently, one from the other.

And, for example, to the extent that glucose is used in different kinds of energy metabolism and to the extent that galactose is not, there must be certain biochemical mechanisms in which one has catalysts, the catalysts that we call enzymes that ensure that one can convert one of these hexoses through an enzyme into, let's say a less useful one into a more useful one, glucose, which can readily be burnt up by the energy-generating machinery. Here we've gone yet another order of magnitude more complex because we've gone from a monosaccharide, i.e., one or another hexose, to a disaccharide. And here's common table sugar.

And here you see that it's formed once again through an esterification reaction, i.e. there is a dehydration reaction between this hydroxyl here and this hydroxyl here.

And biochemists take the orientation of these hydroxyl and hydrogen groups very seriously. Now, you can say they're a bit obsessive. Indeed they probably are.

But, nonetheless, we can admit that the specific orientations of all these things dictate very importantly the difference between here, in this case sucrose, and in this case lactose. Why is this important? Well, this is the sugar in milk sugar. This is the dominant sugar in milk sugar, lactose. And half the world, as adults, cannot absorb this.

All kinds of unpleasant things happen when they actually drink milk. How many people here are lactose intolerant? It's nothing to be ashamed of. I'm married to a very lactose intolerant person. She's otherwise very nice.

The fact is that the enzyme to break down lactose, it's an enzyme which is called lactase. And here we have yet another nomenclature item. So lactase is the enzyme which breaks down lactose. And, by the way, this is just the harbinger of many other enzymes we're going to talk about in the future that end in A-S-E. Whereas, carbohydrates, many of them end in O-S-E, as you've already sensed.

So it turns out that the enzyme lactase is made in large amounts by most mammals very early in life. Wieso den? To be able to breakdown the milk sugar that comes in their mother's milk.

But once mammals are weaned there's no reason on earth for them to continue to make lactase, in their stomach for example.

And, as a consequence, in most mammals the production of lactase is shut down later in life. And for some weird quirk of human history, a significant proportion of humanity has learned how to retain the ability to make lactose through adulthood. And, as a consequence, people can go and have ice cream until the age of 70, 80 or 90 without becoming very bloated. And we don't need to get into all the details, but you can begin to imagine. And what happens is, therefore, the lactase enzyme is shut down in their stomach.

Es hängt davon ab, ob. Sometimes they lose it at the age of 10 or 15 or 20.

And then, for the rest of their lives, whenever they have a milk containing product, in fact, my son is also lactose intolerant. I'm surrounded by these people. Again, he is otherwise a tolerant person but he's lactose intolerant.

So this lactose molecule will go into the stomach, it will remain undigested, it will remain a disaccharide instead of being cleaved into two monosaccharides.

The two monosaccharides are no problem because they can readily be interconverted. The galactose can be readily converted into glucose, and glucose is the universal currency of carbohydrate energy. And so this disaccharide passes through the stomach unaltered and it gets into the intestines, in the small intestine and the large intestine.

And it turns out we have more bacterial cells in our gut than we have our own cells in the rest of the body. Stell dir das vor.

And there are a lot of bacteria that are waiting around in the gut for just a little gulp of lactose. And they never get it because most people break down their lactose long before it gets into the intestine.

But here we have these lactose intolerant people.

The disaccharide gets into the gut and the bacteria go to town.

They've been waiting around for years, decades for a little bit of lactose. And now it finally arrives and they go to town, ad they start metabolizing it and they ferment and they produce lots of gas and other kinds of byproducts. And, as a consequence, this makes people very uncomfortable. Just to show you, now, the fact is that lactose intolerance people can perfectly well break down sucrose, obviously. This is one of the great energy sources from plants. But they cannot break this down.

And I emphasize that point to indicate that the stereochemical differences between different kinds of carbohydrates makes a very important difference. An enzyme like sucrase will break down the sucrose but it will not touch lactose.

So there's a high degree of stereospecificity as it's called in the trade. Here we now go to another step forward that we're going to pursue in much greater detail next time.

Because here, for the first time, we talk about polymerization. We're making polymers. Where the large number of hydroxyl groups on these monosaccharides affords one many opportunities to make very long linear aggregates end-to-end like this or even side branches. If you imagine that each one of these hydroxyls, in principle, represents a site for possible esterification, i.e., the formation of a bond to a neighboring side chain.

Here we see these two linear chains and here we see the branch which is afforded, which is made possible by the availability of these unutilized hydroxyl side chains which are just waiting around to participate, if the opportunity allows them, in some kind of esterification reaction to form a covalent bond. Here is, by the way, glycogen, which is the way we store a lot of sugar in our liver.

Here's a starch, which is what we get from many plants. And here's another very interesting polysaccharide.

It's called cellulose. And we cannot digest cellulose, but termites can. And why they can is something we'll have to wait until next time to learn about. Have a great weekend. See you on Monday.


Why don't the heads of phospholipid bilayers repel hydrophobic molecules? - Biologie

A lipid is a group of compounds that have one thing in common, at least part of the molecule they have little to no affinity to water, due to the presence of a fatty acid chain. They have a varied chemical composition among the different lipids, but this they do have in common. They are hydrophobic. This hydrophobia is due to the nonpolar nature of the carbon to hydrogen bonds that exist on the ends of fatty acids chains.

There are three groups of lipids: fats, phospholipids, and steroids.

Fats function as energy storage. A fat is defined as a glycerol molecule attached to a fatty acid chain. The fatty acid is a non-polar chain of carbons attached by single bonds to several hydrogens. Those bonds can be broken up in order to go through ATP synthesis. ATP is how all organisms on Earth use chemical energy to do physical work inside the cell. Of the fats, the fatty acid tail is the part that is hydrophobic. If it comes into contact with water, the fatty acid tails turn away from it.

Saturated fats are solid at room temperature. Butter is a great example of a saturated fat. And the reason it is called a saturated fat is because there are no double bonds within the fatty acid tail. Unsaturated fats are liquid at room temperature. Oils are very typically saturated fats. They differ from saturated fats in that they have at least one double bonds. The reason that saturated fats are solid at room temperature is that the molecules are able to pack much closer together. Think of a package of dry spaghetti noodles. The reason that saturated fats are liquids at room temperature is that they can’t fill nearly as much space with the same number of molecules. Think of a bag of dry macaroni noodles. There is a lot of space in there, compared to the spaghetti bag.

Saturated fats have a glycerol with a fatty chain completely absent of double bonds. Monounsaturated fats have one double bond in its fatty acid chain. Polyunsaturated fats have more than one double bond in the fatty acid chain. Saturated fats are considered bad fats whereas monounsaturated fats and polyunsaturated fats are considered good fats. And you might be wondering why. As it turns out, even though bond strength is higher at double bonds, they are also sites for chemical reactions to take place. Your body has to work a whole lot harder to break apart the saturated fatty acid chains than it does to break apart the unsaturated ones. Once those bonds are broken, they can be used by the body to produce ATP, in order to do the work of the cell. Another reason that Saturated fats are “bad” is that they can break off from the glycerol and reform to produce cholesterol. And cholesterol is another lipid, which are even harder to break down.

You have probably heard that trans-fats are bad. But what are they. Chemicals can have the same molecular formula but two different orientations. The two fats pictured to the right have 10 Carbons, 2 Oxygen, and 18 Hydrogens. However, you can see that they look different. This is due to orientation. The one that is bent is said to have a “cis” orientation. It is where the 2 Hydrogen on are on the same side of the double bond. And since like charges repel, the hydrogens repel each other and produce a kink. Trans fats have fatty acids chains that have a hydrogen on opposite sides of the double bond, evening out the charge, leading to a much straighter fatty acid chain. So why does it matter. The kink in the cis fatty acid allows a protein to attach to it causing the fatty acid to get broken down with a lot less energy. The trans fatty acid gets broken down similar to a saturated fat, but once the enzyme reaches the double bond, it requires a lot of energy to break that specific bond.

Phospholipids are a group of lipids which are composed of two fatty acids tails combined with a phosphate group. One of those fatty acid tails has a double bond, causing a kink in it. These fatty acids are hydrophobic, they are repelled by water. In contrast, the other part of a phospholipid is hydrophilic. It loves water. It turns toward it. The reason it is attracted to water is that due to its phosphate group. That is the phosphorous atom attached to all the oxygens.

Phospholipids have one side that is attracted to water, and the other is repelled by water. So what happens when you put it in water. There are two possibilities. The simplest structure is where all of the hydrophilic heads face the water and all the tails face away from it, touching tail to tail. This is called a micelle. It reminds of a group of elephants circling up to protect their young ones from predators. But if water gets into the center of that structure, the fatty acid tails turn away from it, while the polar regions turn toward it, creating a lipid bilayer and a structure known as a liposome.

Steroids are also hydrophobic. They are defined by a carbon skeleton made up of 4 Carbon rings combined together. On the end of one of those rings is a fatty acid chain, which makes it hydrophobic. Cholesterol is one of the most basic steroids that humans have. It is the precursor for most other steroids that the body produces and uses. Some examples of other steroids are estrogen and testosterone. Steroids are important chemical messages that communicate instructions to the internal cellular machinery.

A cell membrane is a lipid bilayer embedded with proteins. Just like there were reporters embedded when the troops surged into Iraq. There are proteins embedded in a field of phospholipids. Cell membranes are selectively permeable. They let some things in with no problem. They let other things in with permission, and other things can’t ever get in. It is kind of like a prison gate in that respect. Air can come and go prison guards and visitors can come and go under specific conditions. But those prisoners are stuck. Therefore, a prison is selectively permeable.

Remember phospholipids have hydrophilic heads and hydrophobic tails. When they are in water, the hydrophilic heads turn toward the water and the hydrophobic tails turn away from it. This causes a bilayer (two layers) with water on both sides. This is the basic structure of the cell membrane

Cellular permeability is how easily it is to get across the cell membrane. There two basic types. First, there is passive diffusion. This happens when a chemical requires no energy to move across the membrane. Those molecules move from high concentration to low concentration. Active diffusion is the opposite. It requires energy to cross the cell membrane. Specifically, it requires ATP and molecule move from high concentration to low concentration.

To the right, we have an example of a high concentration of molecules on the outer part of the cell membrane. Inside is a low concentration. The molecules in this example move across the membrane freely until the concentrations on both sides equalize. Water does this in cells. And we have a special term for simple diffusion of water. And that term is osmosis. Here we have three different types of osmotic conditions. A regular healthy cell is said to be isotonic. If you eat too much salt, you create a condition in which there are more salt molecules in the space between your cells that in your cells, and water will leave the cells creating a hypertonic condition. On the flip side, it is actually possible to die from drinking water. That’s right, it is possible to die from drinking too much water. Marathon runners have to be acutely aware of their water intake because the tendency is to drink water to cool down. There have been incidences where marathon runners have consumed too much water to the point where their cell become so hypotonic that they burst. But you shouldn’t worry too much it is pretty hard to do. Facilitated diffusion is another type of passive transport. Certain chemicals are too big to fit through the pores of the cell membrane. However, they are allowed to move from high concentration to low concentration through proteins. Here we have two different examples of how bigger materials move through the cell membrane with the help of proteins. On the left, we have a protein channel, Anything that can fit in that channel can move freely into and out of the cell. On the right, we have carrier proteins. These proteins have a specific shape that is the complement of certain molecules. Just like a lock and key. Once that key fits in that lock, the protein changes shape and releases the molecule to the other side of the membrane. Think of it like a revolving door.

Active transport requires energy to move substances from one side of the membrane to the other. Primary active transport uses ATP direkt to transport molecules from one side of the membrane to the other. The classic example of this is the sodium-potassium pump. There are these cup shaped proteins that bind specifically with sodium ions. ATP comes by release energy which causes the shape of the cup to invert, forcing the sodium ions to get spit out the other side of the membrane. This is important because sodium is not very useful to a cell and it needs to get rid of it. On the flip side, Potassium is needed by the cell and has to be pumped in. But the interesting thing is that it pumped in by the same proteins. However, to get in doesn’t require any more energy. The protein is like two sea-saws working in sync. Right after the sodium gets spit out, the potassium binds to the protein and gets forced into the cell. This produces a cell with the insides of a high potassium concentration and a low sodium concentration.

Exocytosis. Within the cell, certain molecules that have no use to the cell are imprisoned by a liposome (made up of a phospholipid bilayer) or a secretory vesicle. Secretory vesicles move towards the cell membrane. The phospholipids of the secretory vesicle fuse with the cell membrane, eventually releasing the molecules to the extracellular space, a process known as exocytosis.

Endocytosis is the reverse of exocytosis, in which vesicles merge with a cell membrane depositing molecules. The simplest form of endocytosis is pinocytosis. Cell membranes can form cavities, which fill with particles outside the cell. The cell membrane pinches off the cavity into a vesicle and the phospholipid bilayer of the membranes attaches to itself producing a package of solutes that can float around the cell. Another type of endocytosis is receptor-mediated endocytosis. We said that the cell membrane is embedded with proteins. Some of these proteins from receptors. These receptors are like outfielders are to baseballs. They snatch them up. When those receptors fill, they cause a chemical reaction which causes the cell membrane to pinch in and eventually form a vesicle that floats around inside the cell. The advantage of this over pinocytosis is that specific chemicals are selected (hand-picked, if you will) to go into the cell. Where, in the case of pinocytosis, any solute that is there will make it into the cell.

It is thought the first cell developed 4.0-4.3 billion years ago. That is nearly, right after the Earth came to be. There are several theories about how it came to be. The first cells could have blasted onto earth by meteorites, or spontaneously generated from deep-sea vents or by lightning. It is assumed that RNA was the first self-replicating molecule, and that the first cells were heterotrophs. In other words, they could not make their own energy. They were reliant on other energy sources. Plants, in contrast, make their own energy and are consider to be autotrophs. Humans are heterotrophs. We can produce our own food. We are reliant on plants. The cell theory of biology states that cells are the basic units of life. And there can not be cells with out cell membranes. The first cells probably included two elements a cell membrane enclosing RNA. Those two components are fundamental. In water, phospholipids spontan form bilayered vesicles. This could have preceded the genesis of RNA (or not). They very well could have arisen independently, and merged into a beautiful marriage, which evolved into what we now know as life.


Phospholipid bilayer

Phospholipid bilayers form the plasma membrane that surrounds all cells. The molecules that make up the cell membrane are called phospholipids.

Phosholipid Structure

Phospholipids are amphipathic molecules. This means that they have a hydrophilic, polar phosphate head and two hydrophobic fatty acid tails. These components of the phospholipids cause them to orientate themselves, so the phosphate head can interact with water and the fatty acid tails can't, hence forming a bilayer. This arrangement can also be called a bio-molecular sheet, as the hydrophobic tails from each individual lipid sheet interact with one another forming a hydrophobic interior that acts as a permeability barrier [1] . The hydrophilic head is made up of Gycerol and a phosphate group - it is the phosphate group which makes the head hydrophilic. The hydrophobic tail is made up of 2 fatty acid chains, one of which usually contains a Cis double bond (C=C). This double bind causes the tail to 'kink' which affects the packing structure and fluidity of the bilayer. In mammalian plasma membranes 4 main structures of phospholipids can be found [2] :

As well as these, the membrane also contains various other types of lipid such as cholesterol and proteins. These molecules contribute significantly to the mass of the membrane. Some of the fatty acids in the phospholipid molecules are unsaturated, with one or more carbon-carbon double bonds in its hydrocarbon chain. These double bonds create a kink in the hydrophobic tails. These kinks prevent adjacent phospholipid molecules from packing too close together, which causes an increase in the fluidity of the bilayer. The length of the fatty acid tails also has an effect on the fluidity of the bilayer. If the bilayer has shorter fatty acid chains they are less likely to 'stick' together and they'll be less tightly packed together increasing the fluidity of the membrane. The bilayer is arranged so that the phospholipid heads face outwards and the fatty acid chains face inwards, with cholesterol and proteins scattered throughout the membrane. This structure is described as fluid because the phospholipids can diffuse along the membrane [3] [4] . The bilayer can form spontaneously when in an aqueous environment which means it is also self-sealing. This is due to how the hydrophobic tail and hydrophilic head react when they come in contact with water. The hydrophilic head is soluble in water due to it being charged or polar. This allows it to form electrostatic forces or hydrogen bonds with the water molecules. However, the hydrophobic tail is insoluble in water due to it being uncharged and non-polar meaning it cannot form any interactions with water molecules. Therefore as the bilayer forms, the phospholipids are arranged so that the tails are in the middle of the bilayer and the heads are on the outside [5] [6] .


What is Triglyceride

Triglyceride is a type of lipid that is composed of a glycerol backbone attached to three fatty acid chains. The name triglyceride is given due to the presence of these three fatty acid chains. When considering the chemical structure of a triglyceride, it can be recognized as an ester compound. This is due to the presence of –COOC- bond. Here, a glycerol molecule reacts with three alcohol molecules in order to form a triglyceride. A glycerol molecule has three carboxylic groups. These carboxylic groups are attached to the three alcohol groups, releasing a water molecule per each bond. Therefore, three water molecules are released when a triglyceride is formed.

Triglycerides are the major component of animal fat and vegetable fat. Therefore, it is called storage fat. Triglycerides can be found in saturated form or unsaturated form. This unsaturation is due to the presence of double bonds in the fatty acid molecules. The three fatty acid groups can be either identical or different. Therefore, according to the type of fatty acid present in the triglyceride, the properties are different from one triglyceride to another. Moreover, these triglycerides can be monounsaturated or polyunsaturated according to the number of double bonds present in the triglyceride.

Figure 2: An Unsaturated Triglyceride Molecule

Since triglycerides are storage fat in our body, they can provide us with the energy we require when there isn’t enough calories in our body. Furthermore, triglycerides are helpful in absorption of certain nutrients that are fat-soluble.


Can water pass through phospholipid bilayer?

Click to read more on it. Just so, what can pass through the phospholipid bilayer?

The structure of the lipid bilayer allows small, uncharged substances such as oxygen and carbon dioxide, and hydrophobic molecules such as lipids, to pass through the cell membrane, down their concentration gradient, by simple diffusion.

Likewise, why can't ions pass through phospholipid bilayer? The interior of the lipid bilayer is composed of carbon and hydrogen and is very non-polar. Ions cannot form favorable interactions with these hydrocarbon-like molecules and thus they won't leave the aqueous phase to enter and pass through die Membran.

Additionally, can water pass directly through the cell membrane?

Small molecules such as Wasser and carbon dioxide can pass directly through das Membran because of they are neutral and so small. The movement of water through das Membran is referred to as osmosis. Wasserdose Auch pass through das membrane through channel proteins called aquaporins (AQP).

How is the phospholipid bilayer selectively permeable?

The hydrophobic center to a cell membrane (also known as a phospholipid bilayer) gives the membrane selective permeability. The result of the hydrophobic center of the membrane is that molecules that dissolve in water are not capable of passing through the membrane.


What are the major roles of the phospholipid bilayer?

Phospholipid Bilayer. Die phospholipid bilayer consists of two layers of phospholipids, with a hydrophobic, or water-hating, interior and a hydrophilic, or water-loving, exterior. The hydrophilic (polar) head group and hydrophobic tails (fatty acid chains) are depicted in the single phospholipid molecule.

Furthermore, what is the importance of phospholipids? Importance of phospholipid: Forms bilayer which provides barrier around the cell and only let in certain molecules like carbondioxide and oxygen necessary for cellular respiration. During digestive process phospholipid form clusters to help move vitamins, nutrients and fat containing molecules through the body.

In respect to this, how is a phospholipid bilayer formed?

Being cylindrical, phospholipid molecules spontaneously form bilayers in aqueous environments. In this energetically most-favorable arrangement, the hydrophilic heads face the water at each surface of the bilayer, and the hydrophobic tails are shielded from the water in the interior.

What can enter the phospholipid bilayer?

Because of the chemical and structural nature of the phospholipid bilayer (hydrophobic core), only Lipid-soluble molecules and some small molecules are fähig freely pass through the lipid bilayer. Ions and large polar molecules cannot pass through the lipid bilayer.


Why don't the heads of phospholipid bilayers repel hydrophobic molecules? - Biologie

As we just learned, the main fabric of the membrane is composed of two layers of phospholipid molecules. The hydrophilic or “water-loving” areas of these molecules (which looks like a collection of balls in an artist’s rendition of the model) (Figure 1) are in contact with the aqueous fluid both inside and outside the cell. Thus, both surfaces of the plasma membrane are hydrophilic. In contrast, the interior of the membrane, between its two surfaces, is a hydrophobic or nonpolar region because of the fatty acid tails. This region has no attraction for water or other polar molecules (we will discuss this further in the next page).

Figure 1. The fluid mosaic model of the plasma membrane structure describes the plasma membrane as a fluid combination of phospholipids, cholesterol, proteins, and carbohydrates.

Hydrophobic , or water-hating molecules, tend to be non-polar. They interact with other non-polar molecules in chemical reactions, but generally do not interact with polar molecules. When placed in water, hydrophobic molecules tend to form a ball or cluster. The hydrophilic regions of the phospholipids tend to form hydrogen bonds with water and other polar molecules on both the exterior and interior of the cell. Thus, the membrane surfaces that face the interior and exterior of the cell are hydrophilic. In contrast, the interior of the cell membrane is hydrophobic and will not interact with water. Therefore, phospholipids form an excellent two-layer cell membrane that separates fluid within the cell from the fluid outside of the cell.

A phospholipid molecule (Figure 2) consists of a three-carbon glycerol backbone with two fatty acid molecules attached to carbons 1 and 2, and a phosphate-containing group attached to the third carbon.

This arrangement gives the overall molecule an area described as its head (the phosphate-containing group), which has a polar character or negative charge, and an area called the tail (the fatty acids), which has no charge. The head can form hydrogen bonds, but the tail cannot. A molecule with this arrangement of a positively or negatively charged area and an uncharged, or non-polar, area is referred to as amphiphilic or “dual-loving.”

Figure 2. A hydrophilic head and two hydrophobic tails comprise this phospholipid molecule. The hydrophilic head group consists of a phosphate-containing group attached to a glycerol molecule. The hydrophobic tails, each containing either a saturated or an unsaturated fatty acid, are long hydrocarbon chains.

This characteristic is vital to the structure of a plasma membrane because, in water, phospholipids tend to become arranged with their hydrophobic tails facing each other and their hydrophilic heads facing out. In this way, they form a lipid bilayer—a barrier composed of a double layer of phospholipids that separates the water and other materials on one side of the barrier from the water and other materials on the other side. In fact, phospholipids heated in an aqueous solution tend to spontaneously form small spheres or droplets (called micelles or liposomes), with their hydrophilic heads forming the exterior and their hydrophobic tails on the inside (Figure 3).

Figure 3. In an aqueous solution, phospholipids tend to arrange themselves with their polar heads facing outward and their hydrophobic tails facing inward. (Kredit: Änderung der Arbeit von Mariana Ruiz Villareal)


Schau das Video: Inside the Cell Membrane (Juni 2022).


Bemerkungen:

  1. Faekazahn

    Das hat etwas daran und es ist eine großartige Idee. Ich bin bereit, Sie zu unterstützen.

  2. Reshef

    Exakte Formulierung

  3. Gromuro

    Für dich neugieriger Verstand :)

  4. Halithersis

    Eigentlich wird es bald sein

  5. Fegrel

    Das ist absurd.

  6. Majinn

    Brad, warum das

  7. Barrett

    Ich schlage vor, Sie besuchen die Website, die viele Artikel zu dem Thema enthält, das Sie interessiert.



Eine Nachricht schreiben