Biomembran

Die Biomembran ist sowohl in eukaryotischen als auch in prokaryotischen Zellen zu finden. Sie umfasst den intrazellulären Raum und grenzt die Zelle von dem extrazellulären Raum ab. Sie ist jedoch auch innerhalb einer Zelle zu finden. Dort umschließt sie einzelne Organelle. Dieses Phänomen wird Kompartimentierung genannt. Die Zellmembran ist, anders als die Zellwand einer pflanzlichen Zelle, sehr beweglich. Das liegt an der Doppelschicht aus Phospholipiden, aus denen die Membran besteht.

Aufbau der Biomembran

In Abbildung 1 findest Du den Aufbau einer Membran. Sie ist sehr beweglich und wird von verschiedensten Proteinen durchzogen oder ummantelt.

Phospholipiddoppelschicht

Hauptsächlich besteht die Membran aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden. Die Phospholipide besitzen einen hydrophilen, also wasserliebenden Kopf, und zwei hydrophobe, also wasserabstoßende Schwänzchen. Das Modell zeigt, dass die hydrophilen Köpfchen nach außen zeigen, während die hydrophoben Schwänzchen im Inneren der Biomembran liegen. Das hat zur Folge, dass die Biomembran nach außen hin wasserlöslich ist. Da das Phospholipidmolekül sowohl einen hydrophilen als auch einen lipophilen Teil besitzt, wird es als amphipatisch bezeichnet.

Glykolipide

An der Außenseite der Membran liegen die Glykolipide. Sie haben einen oder mehrere Mehrfachzucker (Polysaccharide) kovalent an sich gebunden. Sie dienen als Erkennungssignal bei Wechselwirkungen zwischen Zellen.

Cholesterin

Membranproteine

Als Membranproteine bezeichnet man die Proteine, die sich an oder in der Doppelschicht der Biomembran befinden. Es gibt dabei zwei unterschiedliche Arten.

Integrale Proteine

Diese Proteine durchziehen die gesamte Biomembran von einer Seite zur anderen. Man bezeichnet diese deshalb auch als Transmembranproteine. Um die Biomembran durchziehen zu können, besitzen auch sie die amphipathischen Eigenschaften der Phospholipide. Die integralen Proteine können sich in der Membran frei bewegen und sind nicht fest an einem Ort verankert.

Periphere Proteine

Diese Proteine liegen auf der Membran auf. Sie sind nicht verankert und können sich an der Membranschicht fortbewegen. Periphere Proteine sind nicht-kovalent an eines der hydrophilen Köpfchen gebunden.

Kanalproteine

Kanalproteine ermöglichen die Diffusion bestimmter Stoffe durch die Membran. Dabei können die Stoffe nur entlang des Konzentrationsgefälles diffundieren. Kanalproteine können unter anderem liganden- oder spannungsabhängig sein. Sie öffnen sich also erst, wenn sie mit Liganden binden oder wenn eine gewisse Spannung im Kanal erreicht ist.

Funktion der Biomembran

Hauptaufgabe der Zellmembran ist der Stofftransport innerhalb und außerhalb der Zelle. Aufgrund der Semipermeabilität kann die Zellmembran kontrollieren, welche Stoffe den intrazellulären Raum in welchem Maße betreten oder verlassen dürfen. Der Biomembran liegen aber noch viele weitere Aufgaben zugrunde:

• Kompartimentierung
• Gerüst für biochemische Aktivität
• Selektive Permeabilität
• Transport gelöster Stoffe
• Signalübertragung
• Interzelluläre Wechselwirkung
• Oberflächenvergrößerung

Kompartimentierung

Die Kompartimentierung beschreibt die Unterteilung einer Zelle in verschiedene Bereiche. Dies geschieht durch die Biomembran. Sie umschließt z. B. den Zellkern, das Mitochondrium, den Golgi-Apparat oder die Ribosomen.

Transportmechanismen der Biomembran

Der Stofftransport ist eine Aufgabe der Zellmembran. Es wird zwischen dem aktiven und dem passiven Transport unterschieden.

Abbildung 2: Passiver und aktiver Transport

Passiver Transport

Der passive Transport ist eine Transportart, bei dem keine zusätzliche Energiezufuhr (zum Beispiel durch ATP) aufgewendet wird. Kanalproteine und Carrier-Proteine sind in der Lage, Stoffe passiv zu transportieren.

Carrier-Proteine sind auf bestimmte Moleküle spezialisiert. Erst, wenn diese Moleküle "andocken", kann der Transport beginnen. Dies wird auch als "Schlüssel-Schloss-Prinzip" bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel für ein Carrier-Protein ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

Kanalproteine kannst Du Dir dagegen wie einen langen Tunnel vorstellen, durch den die Stoffe entlang des Konzentrationsgefälles strömen. Es gibt Kanäle, die dauerhaft geöffnet sind, aber auch Kanäle, die spannungsgesteuert sind. Das bedeutet, dass sich diese Kanäle erst zur Nutzung öffnen, wenn ein bestimmter Spannungswert erreicht worden ist.

Aktiver Transport

Wenn Stoffe entgegen ihres Konzentrationsgradienten an der Zellmembran transportiert werden sollen, muss dem Prozess zusätzlich Energie hinzugeführt werden. Dies wird als aktiver Transport bezeichnet. Die zwei häufigsten Arten des aktiven Transports sind die folgenden:

Primär aktiver Transport

Bei dieser Transportart wird ATP hydrolisiert und so für den Vorgang genutzt. ATP ist hierbei der Energielieferant. Deshalb können Carrier-Proteine Stoffe auch entgegen ihres Konzentrationsgradienten pumpen. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist vermutlich das bekannteste Carrier-Protein, das von dieser Transportart Gebrauch macht.

Sekundär aktiver Transport

Bei dem sekundär aktiven Transport wird das ATP nicht direkt von Carrier-Proteinen genutzt. Stattdessen wird es aufgebraucht, um einen Konzentrationsgradienten aufzubauen. Dieser Konzentrationsgradient führt dazu, dass die Stoffe nun ohne weiteren Energiezufluss in ihre gewünschten Richtungen diffundieren können.

Signalübertragung

Durch die Signalübertragung ist es möglich, dass unser Körper auf äußere Reize reagiert. An der Signalübertragung sind viele verschiedene Enzyme und Transmitter beteiligt. Zu den erregbaren Zellen zählen Neuronen und Muskelfasern. Nicht alle Zellen im menschlichen Körper sind jedoch erregbar. Die nicht-erregbaren Zellen sind augrund ihrer Beschaffenheit nicht in der Lage, Signale zu transduktieren.

Ruhepotential

Die flexible Biomembran grenzt die Zelle von der umliegenden Umgebung ab. Mithilfe von Kanalproteinen ist die Zellmembran in der Lage zu steuern, welche Ionen und Moleküle die Zelle verlassen oder betreten dürfen.

An der Transmembranspannung sind folgende Ionen beteiligt:

• Intrazellularraum: negativ geladene Anionen (A-) und positiv geladene Kaliumionen (K+)
• Extrazellularraum: viele positiv geladene Natriumionen (Na+) und negativ geladene Chloridionen (Cl-)

Die Semipermeabilität der Membran lässt jedoch nicht alle Ionen passieren: Die Transportkanäle vom Kalium sind geöffnet und die Ionen strömen entlang des Konzentrationsgradienten in Richtung Extrazellularraum. Den Anionen ist es jedoch nicht möglich, die Membran zu passieren, da sie zu groß sind. Chlorid- und Natriumionen strömen in kleineren Mengen durch die Membran, wobei Natriumionen einen sogenannten "Leckstrom" (also kleine, ungewollte Lücken in der Membran) nutzen.

Da alle Ionen nach einem Konzentrationsausgleich streben, strömen sie auf die Seite der Zelle, auf der sich momentan weniger gleichartige Ionen befinden:

• Natrium- und Chloridionen strömen in den intrazellulären Raum
• Kaliumionen passieren die Biomembran in Richtung des Extrazellularraums

Nach einer gewissen Zeit wären dann auf beiden Seiten ähnlich viele Ionen jeder "Sorte" zu finden. Dagegen wirkt jedoch das elektrische Potential der Ionenladungen: Die entstandene Ladungstrennung sorgt dafür, dass sich der Ausstrom der positiven Kaliumionen verringert, da sie von der bereits positiv geladenen Außenseite abgestoßen werden.

Gleichzeitig sorgt die Ladungstrennung sogar für einen Rückstrom von Kaliumionen, da diese von der negativen Ladung des Intrazellularraums wieder angezogen werden.

So wird ein Gleichgewichtspotential zweier entgegengerichteter Kräfte (elektrischer und chemischer Gradient) geschaffen. Dieses Gleichgewicht wird ebenfalls durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.

Das daraus resultierende Ruhemembranpotential liegt bei ca. -70mV und wird auch als Ruhepotential bezeichnet.

Aktionspotential

Das Membranpotential einer Zelle bleibt nicht immer gleich. Besonders bei Nerven- und Sinneszelle gibt es einige Variationen, z. B. immer dannn wenn ein Impuls aufgenommen wird.

Das Aktionspotential ruft eine Änderung der Transmembranspannung hervor. Durch den kurzzeitigen hohen Ausstrom von Natriumionen kommt es zum sogenannten Overshoot, bei dem das Membranpotential positiv ist und bei etwa +50 mV liegt. Bei der späteren Hyperpolarisation sinkt das Membranpotential auf bis zu -90 mV hinab. Diese Veränderungen des Potentials werden impulsartig in Richtung Gehirn weitergeleitet. Dadurch ist es uns erst möglich, Reize wahrzunehmen und auf diese zu reagieren.