Mosaike sind die kleinen bunten Steine, die Du zu einem schönen Bild zusammensetzen kannst. Du musst sie aber nicht regelmäßig anordnen, sondern Mosaike mit vielen bunten Steinen durcheinander sehen auch schön aus. Diese vielen farbigen Steine, die alle letztlich ein großes buntes Bild ergeben, sind die Grundvorstellung des Flüssig-Mosaik-Modells.
Dieses Bild lässt sich auf die Biomembran übertragen. Die bunten Steine stellen dabei im Flüssig-Mosaik-Modell verschiedenste Bestandteile der Biomembran dar, die Du in diesem Artikel näher kennenlernst.
Flüssig-Mosaik-Modell bei Biomembranen
Die Biomembran setzt sich, wie oben schon erwähnt, aus verschiedenen Bestandteilen zusammen.
Biomembranen sind in der Biologie dünne Abgrenzungsstrukturen der Zelle und ihrer Zellorganellen. Sie sorgen für die Abgrenzung zwischen den Bereichen und werden auch als Kompartimentierung bezeichnet.
So kann beispielsweise durch die Zellmembran ein unabhängiger Reaktionsraum innerhalb der Zelle geschaffen werden. Damit übernehmen die Membranen in der Biologie eine wichtige Barrierefunktion. Die wesentlichen Funktionen der Biomembranen sind:
- Schutzwand der einzelnen Kompartimenten und Zelle
- Regulierung des Stoffaustauschs zwischen den Kompartimenten und Zellen
Der Aufbau einer Biomembran besteht aus diversen Bausteinen, um somit verschiedenste Funktionen zu gewährleisten. Jede Zellmembran stellt eine Biomembran dar und auch einzelne Zellkompartimente können von einer Biomembran umgeben sein.
Zu den Zellorganellen, die von einer Biomembran umgeben sind, zählen in der Biologie sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien und der Golgi-Apparat. Die Kernmembran der Zelle, soweit vorhanden, ist auch eine Biomembran.
Die Biomembran ist aber kein starres Gerüst, sondern sehr flexibel. Trotzdem behält etwa die Zellmembran ihren Aufbau bei, sie umgibt also die gewünschten Kompartimente. Diesen beweglichen, aber doch zusammenhängenden Aufbau, versucht das Flüssig-Mosaik-Modell darzustellen.
Der Aufbau einer Biomembran
Das Flüssig-Mosaik-Modell der Biologie versucht die Begebenheiten und die Struktur der Biomembran zu beschreiben. Der Aufbau einer Biomembran besteht aus dem Grundbaustein der Phospholipide, die Du in Abbildung 1 erkennen kannst. Diese lagern sich in einer Doppelschicht zusammen, die in der Biologie als Doppellipidschicht bezeichnet wird.
Da das Milieu außerhalb und innerhalb des abzugrenzenden Raumes wässrig ist, ragt ihr wasserliebender (hydrophiler) Kopf nach außen. Dieser hydrophile Kopf wird als Phosphatgruppe bezeichnet. Die beiden fettliebenden (lipophilen) Anteile der Membran lagern sich nach innen gegenüber. Diese werden als Fettsäurekette oder Fettsäureschwanz bezeichnet.
Abbildung 1: Phospholipide als Grundbausteine der Biomembran.
Mehr zum Biologie Thema Aufbau der Biomembran und Zellmembran erfährst Du im Artikel Aufbau einer Biomembran hier auf der StudySmarter Seite.
Da die Biomembranen, je nach Zellkompartiment verschiedene Aufgaben übernehmen müssen, unterscheidet sich ihre Zusammensetzung. Dies lässt sich auch im Flüssig-Mosaik-Modell erkennen. Der Grundbaustein der Phospholipide bleibt bestehen, es sind nur zusätzlich verschiedene andere Bausteine in den Biomembranen zu finden. Die anderen Bestandteile der Biomembran können mit einzelnen Mosaik-Bausteinen innerhalb des Flüssig-Mosaik-Modells verglichen werden.
Beispiele für solche anderen Bausteine in den Membranen sind verschiedene Membranproteine, die als Kanal durch die Biomembran dienen können.
Proteine können laut Modell auch an die Membran angelagert sein oder Zuckerketten tragen, je nach Aufgabe der Zelle oder des jeweiligen Kompartiments.
Bestimmte Zuckerketten (Oligosaccharide) an Proteinen auf der Zellmembran sorgen dafür, dass in der Biologie eine Erkennung der bestimmten Zellen stattfinden kann. Fremde Zellen und Erreger mit einem anderen Zuckergerüst auf der Zellmembran können damit leichter von den Abwehrzellen des Körpers erkannt werden.
Flüssig-Mosaik-Modells Definition
Nun kennst Du die Zusammensetzung der Biomembran. Diese sieht im Modell der Biologie meistens sehr starr aus. Allerdings deutet bereits der Name des Modells darauf hin, dass diese Starre wohl in der Realität der Biologie nicht der Fall ist.
Das Flüssig-Mosaik-Modell (engl. fluid mosaic model) ist ein Modell, das die Beschaffenheit von Biomembranen beschreibt. Nach dem Modell bestehen Biomembranen aus einer flüssigen Phospholipid-Doppelschicht, in der Membranproteine wie Eisberge schwimmen.
Die Grundlage für das Flüssig-Mosaik-Modells ist, dass die Bestandteile der Zellmembran, etwa Proteine, in dieser Membran herum wabern können. Sie sind nicht an einem Ort in der Zellmembran verankert. Dabei bleiben die Proteine immer innerhalb der Biomembran.
Wenn man von außen auf die Zellmembran schaut, ist diese laut Modell ständig in Bewegung. Dabei bewegen sich sowohl die Grundbausteine der Membran, also die Phospholipide, als auch die spezifischen Bestandteile, wie die Proteine. Trotz der Bewegung bleibt der grobe Aufbau und die Form der Zellmembran relativ konstant. Das Bild, welches dabei entsteht, gleicht dem Aufbau eines flüssigen Mosaik-Musters.
Ein anderer anschaulicher Blick auf die Gegebenheiten des Modells und den Aufbau in der wabernden Biomembran kannst Du durch das Modell einer Fußgängerzone nachvollziehen. Nehmen wir für dieses Modell an, Du stehst auf einem Balkon und schaust herunter auf eine sehr belebte Fußgängerzone.
Das Erste, was Du siehst, ist eine große Masse unterschiedlicher Menschen. Das ist das starre Modell der Biomembran. Nun kannst Du aber auch einen einzelnen Menschen betrachten, der sich seinen Weg durch die anderen Menschen bahnt. Dieser Mensch und die anderen ändern die Position, die Masse und der generelle Aufbau der Menschenmasse ändert sich dadurch jedoch nicht.
Die Entstehung des Flüssig-Mosaik-Modells
Das Flüssig-Mosaik-Modell wurde 1972 von Seymour Jonathan Singer und Garth Nicolson entworfen. Vor Singer und Nicolson forschten allerdings schon zahlreiche Wissenschaftler*innen in der Biologie an Modellen der Stoffaufnahme von Organismen. Sie konnten bereits semipermeable Membranen und deren Aufbau erkennen. In der Forschung kamen jedoch immer neue Erkenntnisse auf. Dadurch passte die zuvor angenommenen Sichtweisen und Modelle nicht mehr und waren mit diesen Erkenntnissen nicht vereinbar.
Vor über 100 Jahren war man in der Biologie der Meinung, die Biomembran sei nur eine einfache Schicht, bis in den 1920er-Jahren das Modell der Doppelschicht bewiesen wurde. In den 1950er-Jahren entwickelte man das Sandwich Modell, bei dem die Phospholipid Doppelschicht damit ergänzt wurde, dass beidseitig eine Proteinschicht vorliegt.
In den 1970er-Jahren entwickelten Nicolson und Singer ein neues Modell. Sie konnten zeigen, dass die Biomembran mit ihren Bestandteilen mosaikartig vorliegt. Das bedeutet, dass Stoffe der Biomembran nicht fest verankert sind, sondern in der Membran herum wabern können. Dieses Flüssig-Mosaik-Modell ist die Grundlage unseres heutigen Verständnisses einer Biomembran.
Mit diesem Modell konnten die beiden Wissenschaftler Vorgänge, wie den Stofftransport durch die Membran oder die Kommunikation mit Botenstoffen, erstmals erklären.
Nachweis des Flüssig-Mosaik-Modell
Um das Flüssig-Mosaik-Modell der Biologie besser zu verstehen, hilft Dir vielleicht der Versuch der Wissenschaftler Frye und Edidin. Sie führten gleichzeitig zu Singer und Nicholson Experimente zu Biomembranen und ihrem Aufbau durch.
Dabei wurden die Proteine der Biomembran zweier Zellen mit unterschiedlicher Farbe markiert. Diese verschmolzen im Verlauf des Experiments miteinander zu einer großen Biomembran.
Wäre die Biomembran starr, würden die Membranbausteine der einzelnen Zellen auf ihrer Seite bleiben. Es müssten also zwei klar getrennte Farben an der fusionierten Biomembran erkennbar sein. Dem war aber nicht so. Nach einer gewissen Zeit konnte man erkennen, dass sich die Farben von selbst verteilten und mischten. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass die Membranbestandteile sich in der Membran bewegen müssen und nicht starr an ihrem Ort bleiben. Damit erbrachten Frye und Edidin einen experimentellen Beweis für das Flüssig-Mosaik-Modell.
Natürlich gibt es auch heutzutage einige Aspekte, die nicht mehr zu den Darstellungen des Flüssig-Mosaik-Modells passen. Wie schon erwähnt, sieht die Membran in der Realität detaillierter aus. Zudem passen einige Dimensionen nicht. Membranproteine liegen in sehr hoher Konzentration vor, sodass sie einander beeinflussen und nicht ungehindert auf respektive in der Lipidschicht schwimmen. Zudem sind manche Proteine der Membran viel größer als die Doppellipidschicht und reichen weit aus ihr heraus. Neue Strukturen der Biomembran werden in den letzten Jahren unter dem Begriff "Lipid-Rafts" erforscht.
Flüssig-Mosaik-Modell Skizze
Eine Skizze des Flüssig-Mosaik-Modell ist schwer in einer Abbildung darzustellen, da die Membran ständig in Bewegung ist. Trotzdem kannst Du in Abbildung 2 einen Versuch sehen, das Wabern der Teilchen durch die Biomembran darzustellen. Dargestellt sind die verschiedenen Arten von Membranproteinen und Kanalproteine in der Biomembran.
Integrale Membranproteine reichen durch die Lipiddoppelschicht hindurch, während periphere Membranproteine halb in, oder auf der Lipiddoppelschicht schwimmen.
Abbildung 2: Aufbau einer Biomembran nach dem Flüssig-Mosiak-Modell.
Die Bewegungsmöglichkeiten der Phospholipide
Die Phospholipide haben verschiedene Möglichkeiten, durch die Membran zu wandern. Sie wechseln vielfach ihren Platz mit dem Phospholipid direkt neben sich. Dieser Vorgang läuft permanent und zügig ab und wird als laterale Diffusion bezeichnet. Der Vorgang ist in Abbildung 3 dargestellt.
Auf dem Bild sieht es aus, als wäre diese laterale Diffusion zwischen Phospholipiden von links nach rechts und umgekehrt möglich. Die echte Biomembran, welche unter anderem Zellen umgibt, ist aber eine Kugel. Die Proteine können in alle Richtungen, also auch nach vorn und hinten diffundieren.
Die Drehung der Phospholipide um die eigene Achse (Rotation) und die Bewegung der Fettsäureketten (Flexion) findet ständig statt.
Zusätzlich können die Phospholipide mit dem gegenüberliegenden Phospholipid den Platz tauschen, was als transversale Diffusion bezeichnet wird. Diese ist weniger günstig, da der wasserliebende Kopf durch die Fett liebenden Anteile geschleust werden muss. Deswegen geschieht die transversale Diffusion seltener als die laterale Diffusion.
Abbildung 3: Bewegungen innerhalb der Membran.
Die Fluidität der Membran
Die Fließfähigkeit der Membran kann durch verschiedene Faktoren variieren. Der Fachbegriff hierzu lautet Fluidität. Diese bestimmt, wie sehr die Teilchen in der Membran herum wabern.
Es gilt: Je dünnflüssiger die Membran ist, desto größer ist die Fluidität und je dickflüssiger die Membran ist, desto geringer ist die Fluidität.
Die Temperatur
Da bei hoher Temperatur Teilchen stärker schwingen, als bei niedriger Temperatur, steigt auch das Ausmaß an lateraler Diffusion. Die Fluidität der Biomembran nimmt also bei Anstieg der Temperatur zu.
Zusammensetzung der Fettsäuren
Durch langkettigen und gesättigte Fettsäuren, liegt eine recht starre Struktur vor. Sie liegen sehr kompakt aneinander und bieten wenig Raum für Bewegung. Die Fluidität ist hierbei schwach ausgeprägt. Bei kurzkettigen und ungesättigten Fettsäuren in der Membran handelt es sich um das Gegenteil. Hier ist die Fluidität stärker ausgeprägt, da die Struktur durch die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren weniger kompakt ist, als sie es bei gesättigten Fettsäuren ist.
Gesättigte Fettsäuren besitzen keine Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Fettsäure. Ungesättigte Fettsäuren besitzen keine Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen.
Einlagerung von Cholesterin
Unter Cholesterin versteht man in der Biologie einen Stoff, der diverse Aufgaben im Stoffwechsel übernimmt und in sehr vielen tierischen Fetten vorkommt. Für Dich ist an dieser Stelle nur wichtig zu wissen, dass Cholesterin einen hydrophilen und lipophilen Anteil besitzt und sich deswegen in die Membran einlagern kann.
Cholesterin sorgt für die Erhöhung des Schmelzpunktes und daher dafür, dass die Membran länger flüssig bleibt. Umso mehr Cholesterin in der Membran, desto länger bleibt die Fluidität erhalten.
Flüssig-Mosaik-Modell - Das Wichtigste
- Das Flüssig-Mosaik-Modell beschreibt die Struktur und den Aufbau von Biomembranen.
- Das Modell wurde in den 1970ern von Seymour Singer und Garth Nicholson entwickelt und durch ein Experiment von Frye und Edidin bestätigt.
- Es besagt, dass Biomembranen flüssige Strukturen sind, die aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut sind. Weitere Membranbestandteile wie Proteine liegen nach dem Modell nicht starr in der Biomembran vor, sondern sind ständig in Bewegung. Die Membranbestandteile treiben in der Lipiddoppelschicht herum wie Eisberge in einem Meer.
- Neben den beweglichen Proteinen können auch Phospholipide in der Membran wandern. Dies geschieht durch transversale Diffusion oder laterale Diffusion.
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