Biomembran
Biomembranen, auch Einheitsmembranen genannt, sind häutchenartige Abgrenzungsstrukturen (Membranen) einer lebenden Zelle. Biomembranen umgeben die Zelle als Zellmembran und definieren sie so als Einheit. Innerhalb der Zelle werden Biomembranen von Organellen verwendet, um sich vom Cytoplasma abzugrenzen.
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Aufbau einer Biomembran
Eine Biomembran ist eine geschlossene "Blase" aus einer Lipid-Doppelschicht. Sie bildet also nach innen und außen eine geschlossene, hydrophile Oberfläche.thumb|Schema einer Lipid-Doppelschicht
Die Bausteine der Lipid-Doppelschicht sind Phospholipide. Das sind amphiphile Moleküle aus Phosphat, Glycerin und zwei Fettsäuren. Das Glycerin ist mit den Fettsäuren und dem Phosphat verestert. Das Phosphat wiederum ist mit kleinen, stark polaren Molekülen wie Ethanolamin, Serin oder Cholin verestert.
Die Lipide der Membran bewegen sich leicht in der Ebene (seitlicher Platztausch), ein Austausch zwischen den beiden Schichten ist sehr selten. Für eine gezielte Bewegung von einer Membranseite zur anderen, Flipflop genannt, wird ATP benötigt.
Die Fluidität der Membran hängt von der Art der Fettsäurereste der Lipide und von der Zahl der integralen (eingelagerten) Moleküle ab:
Je mehr ungesättigte Doppelbindungen in den Fettsäurenresten sind, desto flüssiger ist die Membran, je weniger, desto zähflüssiger. Cholesterin zum Beispiel vermindert einerseits die Fluidität, verhindert aber bei niedrigen Temperaturen, dass sich die Membran gelartig verfestigt.
[[Bild:TocopherolMembran.png|thumb|100px|Einbau eines Vitamin-E-Moleküls (Tocopherol) in eine Biomembran]] Vitamin E ist ein Antioxidans (wie Vitamin C), es schützt die ungesättigten Fettsäurereste der Phospholipide der Biomembran vor der Zerstörung (Lipidperoxidation) durch freie Radikale.
Jede Zelle identifiziert sich mit Hilfe ihrer peripheren Proteine nach außen hin (siehe Antigen). Diese peripheren Moleküle liegen oder "schwimmen" auf der Membran. Zusätzlich dazu hängen zur Markierung an der Außenseite der Zellmembran oft kurzkettige, teilweise bäumchenartig verzweigte Kohlenhydratverbindungen an den Proteinen und an den Lipiden. Man spricht dann von Glykoproteinen bzw. Glykolipiden. Die nach außen ragenden Strukturen der Zellmembran haben vielfach Rezeptor-Funktion. Diese Glykoproteine und Glykolipide bilden auch die Glykokalyx die bei Zellen ohne Zellwand für Stabilität sorgt.
Integrale Proteine sind Moleküle, die vollständig durch die Lipid-Doppelschicht ragen. Dabei sorgen Transportproteine für den Stoffaustausch mit der Umwelt. Sie bilden unter anderem Ionenkanäle (Tunnelproteine). Andere sitzen in der Membran, wobei hydrophobe Bezirke an ihrer Oberfläche mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle in Wechselwirkung treten können und hydrophile Bezirke nach außen gekehrt werden. Andere wichtige Vertreter der integralen Proteine sind die Carrier-Proteine. Diese "Pumpen" transportieren aktiv unter ATP-Verbrauch Moleküle entgegen dem Konzentrationsgefälle. Dies ist zum Beispiel wichtig beim Aufrechterhalten des Ruhepotentials bei Axonen von Nervenzellen. Darüber hinaus werden so auch Systeme wie Second messenger möglich.
Geschichte der Modell-Entwicklung
- 1925 wurde von den niederländischen Wissenschaftlern Gorter und Grendel das Bilayer-Modell entwickelt: Phospholipide mit hydrophilen Gruppen sind als Doppelschicht in der Membran so angeordnet, dass die hydrophilen Gruppen der Lipide jeweils nach außen zeigen, die hydrophoben in das Innere der Doppelschicht. Allerdings ließen die beiden Forscher mit ihrem Modell den großen Proteinanteil der Biomembran völlig außer Acht.
thumb|Schema einer Lipid-Doppelschicht mit peripheren Proteinen (Sandwich-Modell)
- 1936 stellten J. F. Danielli und H. Davson das klassische Modell zum Bau einer Biomembran vor: Die Biomembran besteht aus einer bimolekularen Lipidschicht. Die hydrophoben Schwänze der Lipide stehen sich gegenüber, die hydrophilen Köpfe sind von Proteinen überzogen. Kurz: Protein - Lipiddoppelschicht - Protein ("Sandwich"-Struktur). Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Biomembranen lassen einen dreischichtigen Aufbau erkennen: zwei äußere Schichten (je 2,5 nm dick) und eine mittlere Schicht (3 nm dick).
- 1972 entwickelten S. J. Singer und G. L. Nicolson das noch heute gültige Flüssig-Mosaik-Modell ("fluid mosaic model") für eine Biomembran:
Globuläre Proteinmoleküle "schwimmen" in einem bimolekularen Lipidfilm. Der Lipidfilm verhält sich wie eine zähe Flüssigkeit, die Lipidmoleküle sind parallel der Membranebene beweglich, ebenso können sich die Proteinmoleküle in der Membran parallel verlagern. Membranen werden deswegen auch als zweidimensionale Flüssigkeiten bezeichnet. Integrale Proteine, auch assoziierte Proteine genannt, reichen durch die Membran hindurch. Periphere Proteine sind der Lipid-Doppelschicht aufgelagert.
Eigenschaften von Biomembranen
Biomembranen sind semi-bzw. selektivpermeabel:
- Nach der Lipid-Filter-Theorie sind Membranen von winzigen Poren (Durchmesser ca. 0,4 nm) durchsetzt. Daher können kleine hydrophile Moleküle, wie Wasser-, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid-Moleküle leicht durch die Membranen dringen.
- Hydrophile Moleküle mit einer Molekülmasse von über 80 u können jedoch meist nicht mehr hindurch.
- Da ein Großteil der Membran aus Lipiden aufgebaut ist, zerstören Lipidlösungsmittel und Lipasen die Membranen.
- Wenn sich zwei Membranen berühren ordnen sich die Lipidmoleküle aufgrund der ähnlichen Grundstruktur aller Biomembranen so um, dass sie zu einer kontinuierlichen Struktur verschmelzen. Daher können auch größere Partikel die Membran passieren, ohne dass dabei "Löcher" auftreten, indem die Partikel von der Membran umgeben werden. Bei der Exozytose wird die Fläche der Zellmembran größer, bei der Endozytose kleiner. (siehe auch Phagozytose und Pinozytose)
- Aus diesem Grund hinterlässt selbst ein Einstich mit einer Pipette kein "Loch" in der Membran.
Funktionen von Biomembranen
- Das Cytoplasma einer Zelle wird durch die Zellmembran nach außen abgegrenzt. Diese Biomembran nennt man Plasmamembran, Plasmalemma oder Membrana cellularis.
- Biomembranen sorgen für eine Kompartimentierung der Zelle: Die meisten Zellen enthalten unterschiedlich gestaltete Reaktionsräume (Kompartimente wie Zellorganellen und Vakuolen), die gegeneinander durch Biomembranen abgegrenzt sind.
- Alle Biomembranen trennen einzig und allein plasmatische Phasen von nicht plasmatischen Phasen ab. Um zwei plasmatische Bereiche voneinander zu trennen, wird eine Doppelmembran benötigt.
- Biomembranen stellen eine Diffusionsbarriere dar und halten Stoffkonzentrationsgefälle zwischen verschiedenen Zellkompartimenten aufrecht. Damit erfüllen sie eine wesentliche Aufgabe bei der Aufgabenverteilung der Organellen.
- Sie dienen der Transportvermittlung und regulieren das Fließgleichgewicht zwischen den Zellkompartimenten, sind also essentiell für den Stoffwechsel.
- Als Vesikel dienen sie der Stoffkontrolle und dem Transport.
Weblinks
- Bau der Biomembran
- Biomembranen
- Membranen: Diffusion, Permeabilität, Osmose, Turgor, passiver und aktiver Transport
- Unterschiedliche Membrantypen - Kompartimente und deren Bedeutung