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Aufbau Biomembran

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Biologie

Biomembranen sind für alle lebenden Zellen eine essentielle Grundeigenschaft. In allen Zellen dienen sie der Abgrenzung, der Aufteilung, der Regulierung des Stoffaustauschs und dem Schutz vor nachteiligen Umwelteinflüssen. Dabei umgeben Biomembranen nicht nur ganze Zellen, sondern teilen ebenfalls das Zellinnere in einzelne Kompartimente auf. 



Aufgaben der Biomembran


Menschen, Tiere und Mikroorganismen aller Variationen könnten ohne Biomembranen nicht existieren. Es gäbe z. B. keine trennenden Elemente, die ungewollte Diffusionsvorgänge verhindern könnten. Die Aufgaben und Funktionen einer Biomembran verdeutlichen, warum sie so wichtig für den Organismus ist. In den folgenden Kapiteln werden dir die wichtigsten Funktionen und der Aufbau der Biomembran einfach erklärt.


Kompartimentierung


Eine der wichtigsten Aufgaben der Biomembran besteht in der Kompartimentierung, also in der Abgrenzung. Durch die Kompartimentierung können Teilbereiche in der Zelle gebildet werden. So sind zum Beispiel alle Zellorganellen wie z. B. Mitochondrien von einer Biomembran umgeben. Dabei können in den einzelnen Teilen stark unterschiedliche Bedingungen vorliegen. 


Ein Beispiel sind die Lysosomen, bei denen die Enzyme ein saureres Milieu benötigen als im Rest der Zelle. Manche Zellbestandteile haben sogar eine doppelte Biomembran. Dies ist beispielsweise beim Zellkern und bei den Mitochondrien der Fall.


Diese unterschiedlichen Bedingungen beziehen sich auf unterschiedliche pH-Werte, Ionen- oder Gaskonzentrationen, Botenstoffe, Nukleinsäuren usw. zwischen den Kompartimenten.


Du kannst dir eine Zelle wie eine Wohnung vorstellen. Durch Biomembranen wird die Wohnung in verschiedene Zimmer aufgeteilt, in denen unterschiedliche Tätigkeiten zur selben Zeit durchgeführt werden können. Ohne diese Unterteilung, würde ein komplettes Durcheinander herrschen. 


Stelle dir vor du müsstest im Wohnzimmer für eine Klassenarbeit lernen, während dein Bruder Trompete übt, dein Vater kocht und deine Mutter telefoniert. 


Die Zellmembran


Die Zellmembran ist eine wichtige Biomembran, da sie einzelne Zellen zueinander abgrenzt. Sie schützt die Zelle vor Umwelteinflüssen, reguliert den Stoffaustausch und bedingt das Membranpotential. Durch eine Zellmembran wird eine stabilisierende Hülle um die Zelle gelegt, die den Verlust der Form verhindert, aber gleichzeitig mechanisch flexibel ist. 


Das Membranpotential entsteht durch eine ungleichmäßige Verteilung von Natrium-, Kalium- und Chlorid-Ionen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle. Treibende Kraft ist der aktive und passive Ionen-Transport durch Membranproteine in der Zellmembran.  


Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) schwimmen im Blut von Menschen und vielen Tieren. Sie besitzen keine Zellorganellen, sind aber von einer Biomembran umgeben. In ihrem Zytoplasma tragen sie das Protein Hämoglobin. Hämoglobin ist als roter Blutfarbstoff bekannt, und für den Sauerstofftransport zuständig. 


Die Biomembran verhindert also das freie Vorliegen von Hämoglobin im Blut, sodass es nicht in der Niere abgeschieden, oder enzymatisch abgebaut wird. 


Der pH-Wert des Blutes entscheidet, ob das Hämoglobin Sauerstoff aufnimmt oder abgibt. In mitochondrienreichen Geweben mit starker Zellatmungsaktivität (z.B. Muskeln) sinkt der pH-Wert des Blutes durch das Lösen von anfallendem Kohlenstoffdioxid im Blut. Dadurch ändert sich die Konformation des Hämoglobins und Sauerstoff wird freigegeben.



Aufbau einer Biomembran – Das Flüssig-Mosaik-Modell


Das bekannteste Modell einer Biomembran ist das Flüssig-Mosaik-Modell oder (englisch: fluid-mosaic-model). Es beschreibt den Aufbau einer Zellmembran als eine flexible Doppelschicht aus Phospholipiden. Membranproteine liegen frei schwimmend in dieser Doppelschicht vor, führen durch sie hindurch und ragen wie  "Eisberge" aus ihr heraus. Einen schematischen Aufbau der Biomembran findest du in Abbildung 1. 


Phospholipide


Alle Phospholipide haben in den Grundzügen den gleichen Aufbau. Sie bestehen aus einem hydrophilen Kopf und einem lipophilen Schwanz. Der hydrophile Kopf besteht aus einer Phosphatgruppe und einem organischen Rest, während der lipophile Schwanz den Fettsäureanteil eines Phospholipids ausbildet. 


Der Aufbau der Phospholipide bedingt die Ausbildung der Lipiddoppelschicht, da sich die hydrophilen Köpfe dem wässrigen Zytoplasma zuwenden, während sich die lipophilen Schwänze einander annähern. Eine schematische Übersicht findest du in Abbildung 1. 


Da sie die Grundbausteine einer jeden Biomembran darstellen, sind Phospholipide ebenfalls für die charakteristischen Eigenschaften einer Biomembran verantwortlich. Sie beeinflussen die Stabilität, Flexibilität und Semipermeabilität einer Membran. 


Wie das genau funktioniert erfährst du in den folgenden Kapiteln.


Aufbau Biomembran Aufbau Phospholipide StudySmarterAbbildung 1: Schematischer Aufbau von Phospholipiden, den Grundbausteinen einer jeden Biomembran. Quelle: StudySmarter


Membranproteine


Die Biomembran ist der Sitz der Membranproteine. Wie du bereits gelernt hast, liegen Membranproteine nicht starr in der Biomembran vor.  Sie lassen sich eher mit einem treibenden beweglichen Eisberg im Polarmeer vergleichen. In der Membran sind vor allem Transportproteine eingelagert, die den Stoffaustausch mit der Zellumgebung regulieren.


Beispiele für solche Transportproteine findest du in Abbildung 2. Es handelt sich um Carrier und Ionenkanäle. Kleine Moleküle können Biomembranen oft entlang eines Konzentrationsgefälles passieren, größere oder stark geladene Moleküle und Ionen müssen aktiv oder passiv transportiert werden. 


Im Gegensatz zum passiven Transport, benötigt der aktive Stofftransport Energie in Form von ATP.


Membranproteine können weiterhin in zwei Gruppen eingeteilt werden. Es handelt sich um die integralen Membranproteine (Transmembranproteine) und die peripheren Membranproteine. Integrale Membranproteine reichen durch die Membran hindurch. Periphere Proteine reichen lediglich teilweise in die Membran hinein und/oder sind kovalent an den Lipiden verankert. 


Weitere Arten der Membranproteine sind 

  • Transportproteine
  • Enzyme
  • Zellerkennungsproteine
  • Porenproteine
  • Hormonrezeptoren
  • photosensitive Proteine
  • Strukturproteine




Aufbau Biomembran Aufbau Biomembran Skizze StudySmarterAbbildung 2: Aufbau der Biomembran mit zwei beispielhaften Arten von Membranproteinen. Quelle: StudySmarter 


Wechselwirkungen innerhalb der Membran


Die Stabilität, Flexibilität und die Semipermeabilität einer Biomembran werden von den Wechselwirkungen der Membranbestandteile beeinflusst. Die wichtigsten Wechselwirkungen innerhalb der Membran sind 


  • Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Kohlenwasserstoff-Ketten der Lipidreste.  Sie sind zuständig für die enge räumliche Anordnung der Biomembran.


  • Elektrostatische Kräfte und Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den hydrophilen Köpfen der Phospholipide untereinander und mit der wässrigen Phase des Zytoplasmas.


  • Lipid rafts sind Mikrodomänen in der Membran, welche einen besonders hohen Cholesterin-Anteil besitzen. Dadurch sind diese Stellen weniger anfällig gegenüber Detergenzien (Membran-auflösende/zerstörende Substanzen).


Dabei ist die Affinität zur Ausbildung von Wasserstoff-Brücken-Bindungen und die Intensität der van-der-Waals-Kräfte ausschlaggebend für die Flexibilität und die Stabilität einer Membran. Die Fluidität der Membran wird ebenfalls durch die Intensität der van-der-Waals-Kräfte bedingt.


Weitere Bausteine der Biomembran


Innerhalb des Flüssig-Mosaik-Modells liegt der Fokus auf den Phospholipiden und der Membranproteinen. Allerdings sind Biomembranen in der Natur deutlich vielfältiger in ihrem Aufbau und ihren Bestandteilen. Nun gehen wir auf die einzelnen Bausteine noch etwas genauer ein. Grundsätzlich setzt sich eine Biomembran aus ganz verschiedenen Stoffen zusammen, welche von Membran zu Membran natürlich variieren können. 


Diese Bausteine sind: 


  1. Lipide
  2. Proteine
  3. Kohlenhydrate
  4. Cholesterin


Aufbau Biomembran Schematischer Aufbau Biomembran StudySmarterAbbildung 3: Schematische Darstellung einer Biomembran. Glykolipide und Glykoproteine sind jeweils die Kombination aus einem Lipid oder Protein mit einer oder mehreren Kohlenhydratketten. Quelle: StudySmarter



Lipide der Biomembran


Da du bereits den Aufbau der Grundbausteine der Biomembran gelernt hast, lernst du nun weitere Fette der Biomembranen kennen. 


Phospholipide


Die Phospholipide der Biomembran bestehen aus zwei Fettsäuren, welche an einem Aminoalkohol, dem Glycerin, befestigt sind. An diesem Glycerin hängt auf der anderen Seite noch ein Phosphatrest und daran ein Alkohol. Die Fettsäuren-Seite (lipophil) ist bei der Biomembran dann nach innen gekehrt, während die polare Kopfregion (hydrophil) nach außen zeigt. Beim Menschen kommen zudem noch die Sphingolipide vor. Dabei gilt als Phospholipid das Sphingomyelin, da es auch einen Phosphatrest besitzt.


In der Biomembran befinden sich außen häufig die Phospholipide Sphingomyelin und Phosphatidylcholin. Innen treten hingegen gehäuft Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin auf.


Glykolipide


Die Glykolipide der Biomembran sind alle ähnlich aufgebaut. Sie besitzen ein Sphingosinmolekül und dazu eine Fettsäure auf der einen Seite und einen Zucker auf der anderen Seite. Einfache Glykolipide haben nur einen Glucose- oder Galactose-Rest als Zucker und werden Cerebroside genannt. Komplexere Glykolipide mit mehreren teils verzweigten Zuckern werden als Ganglioside bezeichnet.


Auch die Blutgruppen-Antigene des AB0-Systems unterscheiden sich in soweit, als dass sie verschiedene Zuckerreste angehängt haben. Dadurch kommt es also zur Unterteilung deiner Blutgruppe.


Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide


Die Lipide in der Membran sind auch nicht ortsgebunden (fluid-mosaic-model) sondern wabern in dieser herum. Dabei tauschen sie immer mal wieder ihre Plätze. Je nach Art des Platztauschs kann dies schneller oder langsamer passieren. Eine Übersicht über die verschiedenen Bewegungsmöglichkeiten ist in Abbildung 4 dargestellt.


Laterale Diffusion


Bei der lateralen Diffusion der Membranlipide, tauschen diese nur ihren Platz mit einem Lipid auf der gleichen Seite der Membran. Das Lipid wechselt also seitlich (=lateral) mit einem anderen Lipid seinen Platz. Diese Art der Diffusion geschieht dabei recht schnell. Dabei gibt es auch die Möglichkeit, dass die Lipide sich um ihre eigene Achse drehen. Dies ist die Rotationsbewegung.


Tranversale Diffusion


Die transversale Diffusion läuft etwas anders ab. Dabei tauscht nämlich ein Lipid mit einem anderen Lipid seinen Platz, dabei wechseln diese nun aber die Seite von innen nach außen und umgekehrt. Diese Art der Diffusion wird manchmal auch Flip oder Flop genannt. 


Nun kann man sich schon vorstellen, dass die Durchdringung der Membran mit der liphophoben Kopfregion etwas schwieriger zu meistern ist. Dementsprechend langsam läuft diese Art des Wechsels der Membranlipide dann auch ab.



Aufbau Biomembran Bewegungsmöglichkeiten Phospholipide StudySmarterAbbildung 4: Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide. Quelle: studymed.at




Die Fluidität der Biomembran


Die Fluidität der Membran hängt von drei Kriterien ab. Diese entscheiden also, wie fluide (= flüssig/beweglich) eine Membran ist.


1. Die Lipidzusammensetzung in der Biomembran


Wie beweglich die Membran ist, hängt von den unterschiedlichen Lipiden ab, die in dieser enthalten sind. Grundlegend für die Stabilität und Fluidität ist hierbei, ob es sich um gesättigte oder ungesättigte Fettsäuren handelt. Ungesättigte Fettsäuren haben nämlich in ihrer Fettsäurekette eine Art Knick. 


Durch diesen Knick können sich die Phospholipide weniger eng aneinanderreihen und die Membran wird instabiler. Dadurch wird sie aber gleichzeitig fluider. Gesättigte Fettsäuren hingegen erzeugen eine festere Membran.


2. Der Cholesterinanteil der Membran


Cholesterin ist ein Stoff, welcher sich zwischen die Phospholipide in der Biomembran befinden kann. Dabei ist er aber wesentlich kleiner. Cholesterin ist ein Steroid-Abkömmling und sorgt bei der Membran für einen höheren Schmelzpunkt. Dadurch bleibt sie länger flüssig (=fluide) als eine Membran mit geringerem Cholesterinanteil.


3. Die Temperatur


Der dritte wichtige Faktor für die Fluidität der Biomembran ist die Temperatur, welcher sie ausgesetzt ist. Bei einer höheren Temperatur kann man davon ausgehen, dass die Membran wesentlich fluider ist, als bei niedrigen Temperaturen.



Die Permeabilität der Biomembran


Biologische Membranen sind nicht für alle Stoffe gleichermaßen passierbar. Wie eine Reihe von Türstehern vor einem Club entscheiden sie, welche Teilchen passieren dürfen. Dabei spielen Parameter wie die Größe, elektrische Ladung und die Polarität der Teilchen eine entscheidende Rolle. 


Passierfähige Moleküle


Die Biomembran gilt zwar als Barriere, ist aber auch semi-permeabel, also für manche Stoffe durchlässig. Das macht sie zu einem Filter dafür, welche Stoffe ungehindert nach innen dringen können, und welche beispielsweise nur manchmal gebraucht werden und deswegen Transporter benötigen.


Hydrophobe Moleküle

 

Hydrophobe Moleküle haben die Eigenschaft, dass sie ebenso fettliebend (lipophil) sind. Diese Stoffe können die Biomembran problemlos passieren. Dazu gehören zum einen die Gase im Organismus. Dort sind die häufigsten Vertreter beim menschlichen Körper die Gase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Weitere Moleküle, welche die Membran ungehindert durchdringen können, sind Benzene.


Kleine polare Moleküle


Polare Moleküle, die nicht sonderlich groß sind, können ebenfalls die Membran durchwandern. Dies liegt an ihrer Größe und ihrer Eigenschaft, sowohl lipophil als auch hydrophil zu sein. Ein Beispiel hierfür wäre das Molekül Ethanol.


Nicht passierfähige Moleküle


Große polare Moleküle


Wie bereits erwähnt, entscheidet oft die Größe, ob ein Teilchen eine Membran passieren kann.  Ist das Teilchen zu groß bzw. sperrig, kann es die Membran nichht passieren. Das heißt, dass die Membran für große polare Moleküle ihre oben genannte Barrierefunktion erfüllt. Ein Beispiel für ein solches Molekül im menschlichen Körper wäre der Einfachzucker Glukose.


Geladene Moleküle


Auch geladene Moleküle werden von der Biomembran daran gehindert, durch sie hindurch zu kommen. Dabei spielt die Art der Ladung (positiv oder negativ) keine Rolle. Deswegen können beispielsweise sowohl die negativ geladenen Chloridionen, als wie die positiv geladenen Natriumionen die Biomembran nicht passieren. Weitere bekannte Beispiele wären verschiedenste Aminosäuren wie beispielsweise Aspartat.



Die Charakterisierung der verschiedenen Biomembranen 


Da unterschiedliche Zellen und Organellen verschiedene Biomembranen besitzen, müssen diese auch unterteilt beziehungsweise charakterisiert werden können. Dies geschieht meistens durch die Dichte der Membranen, die sich je nach Bestandteilen unterscheiden kann. 


Meist liegt die Dichte bei ungefähr 1,12-1,22 in normalen Biomembranen. Abhängig ist die Dichte vom Gewichtsverhältnis der Proteine zu den Lipiden. Da die Membranen unterschiedliche Funktionen haben, schwanken auch die Werte entsprechend. Die Plasmamembran von E. coli  Bakterien besitzt eine Dichte von 2,4, während eine Myelinmembran nur eine Dichte von 0,25 besitzt.

 



Aufbau Biomembran - Das Wichtigste

  • Die Biomembran hat eine Schutz- und Barrierefunktion.
  • Der Grundbaustein der Biomembran ist dabei die Doppellipidschicht.
  • Sie besteht aus vielen Bausteinen, wobei die häufigsten Lipide und Proteine darstellen.
  • Die Membran ist nicht fest sondern wabernd (fluid-mosaic-model), kann aber verschieden beschaffen sein.
  • Es gibt Stoffe, welche die Membran passieren können und andere, welche dafür Transporter benötigen.


Häufig gestellte Fragen zum Thema Aufbau Biomembran

Biomembranen sind asymmetrisch aufgebaut, weil die plasmatische Seite dem Cytoplasma zugewandt ist, während die extraplasmatische Seite vom Cytoplasma abgewandt ist.

Die Biomembran findet man in nahezu allen Zellen. Sie dient der Abgrenzung, der Aufteilung, der Regulierung des Stoffaustauschs und dem Schutz vor nachteiligen Umwelteinflüssen. Dabei umgeben Biomembranen nicht nur ganze Zellen, sondern teilen ebenfalls das Zellinnere in einzelne Kompartimente auf. 

Verschiedene Zellotganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten und der Golgi-Apperat sind von einer Biomembran umgeben.

In allen Zellen dienen Biomembranen der Abgrenzung, der Aufteilung, der Regulierung des Stoffaustauschs und dem Schutz vor nachteiligen Umwelteinflüssen. Dabei umgeben Biomembranen nicht nur ganze Zellen, sondern teilen ebenfalls das Zellinnere in einzelne Kompartimente auf.

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