Semipermeable Biomembranen sind sowohl in eukaryotischen als auch in prokaryotischen Organismen zu finden. Sie trennen den Innenraum (Intrazellularraum) einer Zelle von ihrem Außenraum (Extrazellularraum).
Definition – semipermeable Membrane
Der Begriff semipermeabel lässt sich in zwei Komponenten aufteilen:
- "semi" = halb/teilweise
- "permeabel" = durchgehen/passieren
Die semipermeable Membran ist also eine halbdurchlässige Trennwand. Das heißt, sie ist für bestimmte Substanzen transparent, für andere jedoch nicht. Dies wird als selektive Permeabilität bezeichnet.
Die Biomembran trennt auch Zellorganellen von Zellkompartimenten. Alle Membranen, die in unserem Körper Zellen oder Zellbestandteile voneinander abgrenzen, sind semipermeabel. Die Durchlässigkeit der Membran hängt im Allgemeinen von der Molekülgröße, der Ladung und der Polarität ab.
Permeable Membran, selektiv permeabel oder semipermeabele Membran?
Umgangssprachlich wird die semipermeable Membran auch als permeable Membran bezeichnet. Da sie aber nicht vollständig durchlässig, also permeabel, sondern nur halbdurchlässig ist, also semipermeabel, ist diese Bezeichnung fachlich nicht korrekt. Der Zusatz "semi" sollte also immer genannt werden.
Alternativ kann die semipermeable Membran auch als selektiv permeabel bezeichnet werden. Die beiden Begriffe können synonym verwendet werden.
Der Aufbau der Biomembran
Eine Biomembran besteht aus Proteinen und Phospholipiden. Diese Stoffe sind in einer speziellen Formation angeordnet.
Ein Phospholipid besteht aus einem Phosphatkopf und einem Fettsäurerest, der auch als Fettsäureschwanz bezeichnet wird. Der Schwanz ist hydrophob, der Kopf ist hydrophil. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Schematischer Aufbau von Phospholipiden, den Grundbausteinen einer Biomembran
Der Begriff hydrophob bedeutet wassermeidend und bezeichnet Stoffe, die wasserabweisend agieren. Als Synonym für hydrophob kann der Begriff lipophil verwendet werden. Er bedeutet "fettliebend".
Hydrophil hingegen lässt sich mit "wasserliebend" übersetzen. Hydrophile Stoffe drehen sich also Richtung Wasser. Auch hierfür gibt es einen synonymen Begriff: lipophob, also "fettmeidend".
Die Doppellipidschicht der Biomembran
Biomembranen des Körpers bestehen aus einer Doppellipidschicht. Hier lagern sich zwei Phospholipide immer so zusammen, dass sie mit dem Fettsäurerest zueinander zeigen. Dies siehst Du in Abbildung 1 bereits angedeutet. Dadurch befinden sich die hydrophilen Köpfe an der Außenseite und kommen gleichzeitig mit dem wasserähnlichen Zellplasma in Kontakt. Die hydrophoben Bestandteile lagern sich zusammen und wenden sich deshalb vom wasserhaltigen Milieu ab.
Diese Phospholipide reihen sich in dieser Formation aneinander und bilden die Doppellipidschicht. Demnach ist die Lipid-Doppelschicht innen lipophil und außen hydrophil.
Die Membranproteine der Biomembran
Die Membranproteine sind in der Membran (integrale Proteine) und auf der Oberfläche der Membran (periphere Proteine) verteilt.
Integrale Proteine erstrecken sich durch die gesamte Lipid-Doppelschicht und können verschiedene Funktionen übernehmen. Mehrere Proteine bilden beispielsweise Membranporen, die eine wichtige Rolle beim Transport von größeren Molekülen durch die Biomembran spielen.
Membranporen dienen dem Stofftransport. Größere Moleküle können mit ihrer Hilfe durch die Membran befördert werden. Ohne sie wäre dieser Transport durch die semipermeable Membran nicht möglich.
Lies gerne im Artikel "Aufbau einer Biomembran" mehr dazu.
Die Funktion der Semipermeablen Membran
Die semipermeable Membran grenzt Zellen und Zellkompartimente voneinander ab. Sie gewährleistet damit einen geregelten Stoff- und Energiehaushalt innerhalb der Zelle. Zusätzlich trägt sie zum spezialisierten Stofftransport zwischen Zellen und Zellkompartimenten bei.
Die Kompartimentierung
Indem die Membran die Zellorganellen voneinander abgrenzt, entstehen einzelne Kompartimente. Dies bezeichnet man als Kompartimentierung der Zelle. Hier können unterschiedliche Stoffwechselprozesse gleichzeitig und unabhängig voneinander ablaufen. Es bilden sich also innerhalb der Zelle verschiedene Reaktionsräume, die von der semipermeablen Membran abgegrenzt sind.
In einer Zelle laufen viele Prozesse gleichzeitig ab. In einer Pflanzenzelle beispielsweise findet innerhalb der Chloroplasten die Fotosynthese statt. Gleichzeitig spielt sich die Zellatmung in einem anderen Zellkompartiment ab.
Der Stofftransport durch die Semipermeable Membran
Der Stofftransport durch die halbdurchlässige Membran erfolgt durch verschiedene Transportmechanismen. Der grundlegende Unterschied liegt darin, ob beim Transport zusätzliche Energie benötigt wird oder nicht.
Der passive Transport
Die Diffusion ist die Grundbedingung für den Ablauf des passiven Transports.
Die Diffusion ist ein passiver Stofftransport, bei dem sich Teilchen im zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig verteilen. Dies geschieht so lange, bis ein Konzentrationsausgleich der Stoffe vorliegt. Dieser Vorgang liegt der physikalischen Eigenbewegung der Teilchen zugrunde.
Die Stoffe bewegen sich entlang des Konzentrationsgradienten, also vom Ort der hohen Konzentration, hin zum Ort der niedrigen Konzentration. Dieser Konzentrationsunterschied ist die Triebkraft für die Diffusion. Deshalb wird keine von außen zugeführte Energie benötigt.
Die erleichterte Diffusion
Teilchen, die nicht durch die semipermeable Membran diffundieren können, benötigen spezielle Kanäle. Diese Kanäle werden von den integralen Membranproteinen gebildet.
Die Stoffe bewegen sich dabei entlang des Konzentrationsgradienten. So ein Transportvorgang wird als erleichterte Diffusion bezeichnet. Sie kann beispielsweise durch eine Membranpore erfolgen.
Da der Transport durch Membranporen eine Form der Diffusion ist und somit keine Energie benötigt, wird die erleichterte Diffusion dem passiven Stofftransport zugeordnet.
Aktiver Transport
Findet der Stofftransport entgegen des Konzentrationsgradienten statt, handelt es sich um einen aktiven Transport. Membranporen benötigen dafür die Unterstützung von Adenosintriphosphat (ATP), also Energie.
Das ATP ist die häufigste Energiewährung unseres Körpers. In Reaktionen wird ATP unter Abspaltung eines Phosphatrestes zu ADP umgewandelt. Die frei werdende Energie kann in Reaktionen, wie beispielsweise als Antrieb für den aktiven Transport, verwendet werden.
Dieser Mechanismus dient dem kontrollierten Austausch einiger Stoffe, die nicht durch passiven Transport befördert werden können.
In der folgenden Abbildung sind die verschiedenen Prozesse des aktiven und passiven Transports durch die semipermeable Membran dargestellt.
Abbildung 2: Verschiedenste Formen des aktiven Transports.
Wenn Du mehr über die aktiven Transportprozesse durch die semipermeable Membran lernen möchtest, kannst Du Dir gerne den Artikel "Stofftransport" durchlesen.
Passierfähigkeit der y Teilchen
Die semipermeable Biomembran ist für verschiedene Teilchen passierbar. Gleichzeitig wirkt sie aber auch als Barriere für spezielle Stoffe.
Passierfähige Moleküle
Durch Biomembranen können polare kleine Moleküle wie etwa Wasser transportiert werden. Auch unpolare kleine Teilchen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff können diffundieren.
Nicht passierfähige Moleküle
Ionen (geladene Teilchen) oder große hydrophile Teilchen können die semipermeable Membran hingegen nur schwer oder gar nicht durchdringen. Für sie stellt sie eine Barriere dar. Hieran lässt sich erkennen, was selektiv permeabel beziehungsweise semipermeabel bedeutet.
Für einige geladene Teilchen gibt es jedoch spezifische Ionenkanäle, die einen Transport durch die Membran ermöglichen.
Semipermeable Membran – Osmose
Mit Osmose bezeichnet man den gerichteten Fluss von Teilchen durch die semipermeable Membran.
Osmose ist die Diffusion durch eine semipermeable Membran. Sie zählt ebenfalls zu den passiven Transportprozessen und wird durch den angestrebten Konzentrationsausgleich angetrieben.
Für diesen Prozess wird ein Lösungsmittel, der gelöste Stoff und eine semipermeable Membran benötigt. Die Membran funktioniert hier wie ein Sieb, indem sie nur das Lösungsmittel hindurchlässt. Größere Moleküle werden durch die Membran zurückgehalten.
Man nehme ein Glas Wasser und teile dieses in der Mitte durch eine semipermeable Membran. Dadurch entstehen zwei Räume, die durch die Membran voneinander abgegrenzt sind.
Nun füllt man die linke Seite mit drei, die rechte Seite mit einem Löffel Salz. Die Teilchenkonzentration der rechten Seite ist dadurch höher (hypertonisch) als die der linken Seite (hypotonisch).
Da die Salzmoleküle die Membran nicht durchdringen können, strömen die Wassermoleküle jetzt auf die linke Seite, bis sich der Konzentrationsausgleich der gelösten Stoffe eingestellt hat.
Abbildung 3: Vergleich von Diffusion und Osmose.
Semipermeable Membran – Das Wichtigste
- Die semipermeable Membran ist eine zum Teil durchlässige Membran.
- Sie besteht aus einer Lipid-Doppelschicht und Proteinen. Dabei zeigen die Fettsäurereste (lipophil) zueinander hin, die polaren (hydrophilen) Köpfchen zeigen nach außen
- Alle Membranen im menschlichen Körper sind semipermeabel. Diese Semipermeabiliät ist die Grundvoraussetzung dafür, dass ein Stoffaustausch zwischen Zellen stattfinden kann.
- Die semipermeable Membran stellt für manche Stoffe eine Barriere dar. Solche Stoffe gelangen nur selektiv in die Membran, beispielsweise über Transporter.
- Die Stoffe können durch passiven oder aktiven Transport durch die semipermeable Membran gelangen. Beim passiven Transport ist die Triebkraft die Konzentration des Stoffes. Der Konzentrationsausgleich geschieht durch die Diffusion der Teilchen.
- Der aktive Transport hingegen benötigt Energie, meist in Form von ATP.
- Die semipermeable Membran sorgt für eine Kompartimentierung der Zelle. Damit wird der Innenraum vom äußeren Milieu abgegrenzt.
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