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Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen

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Bio-Team
Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen kannst du es wiederholen und üben.
  • Ordne die verschiedenen Erkenntnisse über die Biomembran nach ihrer Entdeckung.

    Tipps

    Man erkannte erst später, dass Proteine auch in die Membran integriert sind.

    Lösung

    Das Modell der Biomembran entwickelte sich vom 19. bis zum 21. Jahrhundert stets weiter. Neue Forschungsmethoden ermöglichten auch neue Erkenntnisse, die immer genauere Details im Aufbau der Biomembran aufzeigten.

    Anfangs konnte man feststellen, dass die Membran lipophil sein muss, da lipophile Stoffe besser in die Membran eindringen konnten als lipophobe. Später erkannte man, dass die Membran tatsächlich aus Phospholipiden besteht. Aufbauend auf dieser Erkenntnis stellte man später fest, dass es sich sogar um eine Phospolipiddoppelschicht handeln muss (Bilayer-Modell). Erst nach der Entwicklung dieses Modells konnte man Untersuchungen entwerfen, um die Oberfläche der Membran besser zu verstehen. Man erkannte im Elektronenmikroskop, dass die Membran mit Proteinen überzogen ist (Sandwichmodell). Um alle Eigenschaften der Biomembran erklären zu können, musste das Modell aber noch weiter entwickelt werden. Man erforschte daraufhin, dass es sich um eine flexible Membran handelt, in der auch Proteine integriert sind (Flüssig-Mosaik-Modell).

  • Bestimme den richtigen Wissenschaftler zum entsprechenden Modell der Biomembran.

    Tipps

    Das Bilayer-Modell beschreibt die Biomembran als Phospholipiddoppelschicht.

    Das Sandwichmodell erweitert das Bilayer-Modell. Es beschreibt zusätzlich eine starre Proteinschicht, die an die Membran gelagert ist.

    Lösung

    Das Modell der Biomembran entwickelte sich mit Hilfe neuer Methoden stets weiter. Hinter jeder neuen Erkenntnis steckt aber auch ein Team aus Wissenschaftlern, denen dieses Modell zu verdanken ist. Die ersten Erkenntnisse über die Membran führten noch zu keinen konkreten Modellen. Overton entdeckte, dass die Membran lipophil sein muss, während Langmuir bereits Phospholipide als Bestandteil vermutete. Das erste namhafte Modell, das Bilayer-Modell aus einer Phospholipiddoppelschicht, geht auf Gorter und Grendel zurück. Danielli und Davson entwickelten dieses weiter zum Sandwichmodell, das bereits eine starre Proteinschicht auf der Membran berücksichtigte. Schließlich entwarfen Singer und Nicolson daraus das Flüssig-Mosaik-Modell, welches die Membran als flexibel beschreibt und integrierte Proteine berücksichtigt.

  • Bestimme, welche der Aussagen man aus dem Bilayer-Modell ableiten kann.

    Tipps

    Hydrophile Stoffe sind polar, lipophile Stoffe sind unpolar.

    Polare und unpolare Stoffe stoßen sich ab.

    Lösung

    Eine Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. Phospholipide bestehen aus einem lipophilen und unpolaren Schwanz und einem hydrophilen und polaren Kopf. Polare und unpolare Stoffe stoßen sich jedoch ab. Das Innenmedium einer Zelle ist jedoch auch polar. Die Phospholipide lagern sich daher so zusammen, dass ihre polaren Köpfe nach außen zeigen und ihre unpolaren Schwänze ein eingeschlossenes lipophiles Medium bilden. Das führt jedoch dazu, dass polare Substanzen dieses lipophile Medium nur schlecht durchdringen können. Polare Stoffe passieren die Biomembran daher nur schlecht. Proteine werden im Bilayer-Modell noch nicht berücksichtigt.

  • Bewerte die Gültigkeit des „Sandwichmodells“ der Biomembran.

    Tipps

    Diese Abbildung zeigt das Sandwichmodell.

    Proteine, die an der Außenseite der Membran sitzen, müssten polar sein.

    Lösung

    Das „Sandwichmodell“ der Biomembran von Danielli und Davson von 1950 beschreibt schon viele Details, die auch moderne Modelle berücksichtigen. Demnach ist die Biomembran eine Phospholipiddoppelschicht mit einem inneren lipophilen Milieu. Zudem befinden sich Proteine an der Membran. Bilder des Elektronenmikroskops zeigen jedoch, dass diese Proteine keineswegs wie im Modell als eine starre Schicht gleichmäßig über die Membran verteilt sind, sondern mal mehr und mal weniger auftreten. Man hat zudem mithilfe von Markierungen einzelner Proteine herausgefunden, dass sich Membranproteine innerhalb der Biomembran bewegen können und nicht an einem Ort verankert sind. Zudem weiß man heute, dass Proteine auch durch dir Membran durchreichen. Würden die Proteine nur an der Außenseite der Membran sitzen, würden sie ebenfalls polar sein. Diese durchgängigen Proteine weisen jedoch polare und unpolare Bereiche auf, um die gesamte Membran überbrücken zu können.

  • Ordne den Bestandteilen des Phospholipids die entsprechenden Eigenschaften zu.

    Tipps
    Lösung

    Phospholipide sind Hauptbestandteile von Biomembranen. Sie lagern sich dabei zu einer Phospholipiddoppelschicht zusammen. Der besondere Aufbau eines Phospholipids bestimmt dabei die Eigenschaft der Membran. Polare Stoffe sind hydrophil oder „wasserliebend“. Sie neigen sich zum Wasser, stoßen aber Fett (Lipide) ab. Unpolare Stoffe hingegen sind lipophil oder „fettliebend“. Sie neigen sich zu Fettstoffen hin, stoßen aber Wasser ab. In der Zelle lagern sich die Phospholipide in der Doppelschicht daher so zusammen, dass ihre polaren Köpfe nach außen zeigen und ihre unpolaren Schwänze miteinander verbunden sind.

  • Leite die Versuchsergebnisse aus dem Experiment von Gorter und Grendel ab.

    Tipps

    Ein „Lipidfilm“ meint eine dünne Schicht zusammenhängender lipophiler Stoffe.

    Gorter und Grendel entwarfen das Bilayer-Modell der Biomembran.

    Lösung

    Gorter und Grendel entwarfen das Bilayer-Modell der Biomembran. Dieses beschreibt die Membran als Phospholipiddoppelschicht. Sie entwickelten ihr Modell nach dem beschriebenen Experiment. Da die Membran aus Phospholipiden besteht (polarer Kopf, unpolarer Schwanz), lagern sich die Phospholipide zunächst mit der Kopfseite zum Wasser an. Die unpolaren bzw. lipophilen Schwänze ragen dabei in die Luft und bilden einen dünnen Fettfilm an der Wasseroberfläche. Die Oberfläche der gesamten Phospholipid-Fragmente war dabei doppelt so groß wie die Oberfläche der Blutzelle. Gorter und Grendel entwarfen das Modell der Phospholipiddoppelschicht, berücksichtigten jedoch noch keinerlei Proteine in ihrem Membranmodell.