Biomembran – Bedeutung für die Zelle
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Grundlagen zum Thema Biomembran – Bedeutung für die Zelle
In diesem Video erfährst du mehr über die Biomembran. Du wirst sehen, wie die Lipiddoppelschicht aufgebaut ist und dass sich ganz verschiedene Proteine darin befinden. Dabei wirst du die Eigenschaften und Funktionen von Tunnelproteinen, Ionenpumpen und auch Rezeptoren kennen lernen. Außerdem werden wir uns auch verschiedene Funktionen der Biomembran ansehen, denn die Biomembran ist beispielsweise für die Abgrenzung von Zellbereichen, die Regulation des Stoffaustausches oder die Erkennung von Signalmolekülen verantwortlich.
Transkript Biomembran – Bedeutung für die Zelle
Hallo! Dass eine Biomembran aus einer Lipiddoppelschicht besteht, weißt du bestimmt. Aber wie kann man sich den Aufbau genau vorstellen und wo kannst du z.B. bestimmte Membranproteine finden? Das werde ich dir in diesem Video erklären und dabei auch auf die Funktionen der Biomembran eingehen.
Selbst als man den genauen Aufbau der Biomembran noch nicht kannte, hatte man schon beobachtet, dass lipophile, also fettlösliche Substanzen, eine Membran viel leichter passieren können als hydrophile, also wasserlösliche Substanzen. Daraus schloss man, dass eine Biomembran aus fettartigen Molekülen besteht.
Heute weiß man, dass es sich bei diesen fettartigen Molekülen um Membranlipide handelt. Sie bestehen aus einem unpolaren, lipophilen Schwanz und einem polaren, hydrophilen Kopf. Eine Biomembran besteht aus zwei Lagen solcher Membranlipide und bildet eine Lipiddoppelschicht. Die beiden Lagen der Membranlipide sind so aneinander gelagert, dass die lipophilen Molekülteile einander zugewendet sind.
Die hydrophilen Molekülteile zeigen nach außen. Dieser Aufbau macht die Funktion der Biomembran deutlich: Sie grenzt nämlich verschiedene Zellen oder Zellbereiche voneinander ab.
Auf diese Weise werden veschiedene Zellen mit unterschiedlicher Funktion voneinander abgegrenzt. Aber auch unterschiedliche Zellräume wie z.B. die Organellen oder auch die Vakuole werden durch eine Biomembran von der übrigen Zelle abgegrenzt. In den unterschiedlichen Zellen und Zellräumen können dann ganz verschiedene Reaktionen ablaufen.
Für Wasser und andere kleine Moleküle ist eine Biomembran durchlässig. Für Ionen und größere Moleküle ist sie allerdings nicht permeabel. Eine Biomembran ist demnach also selektiv permeabel oder semipermeabel.
Eine Biomembran besteht aber nicht nur aus Membranlipiden. In einer Biomembran kannst du verschiedene Proteine, so genannte integrale Proteine, finden. Diese machen sogar 30-70% einer Membran aus. Du kannst dir eine Membran am besten wie ein Meer vorstellen, auf dem Eisberge schwimmen.
Das Meer stellt dabei die Lipiddoppelschicht dar, während die Eisberge die in der Membran vorkommenden Proteine widerspiegeln. Die Konsistenz einer Biomembran ist aber nicht starr, sondern vielmehr wie eine zähe Flüssigkeit, in der sich die Proteine hin und her bewegen können. Einige Proteine ragen auch durch die gesamte Membran hindurch und werden dann als Transmembranproteine bezeichnet.
Die in der Membran enthaltenen Proteine sind verschieden aufgebaut und erfüllen demzufolge auch unterschiedliche Funktionen. Kanal- oder Tunnelproteine z.B. durchziehen die Membran und ermöglichen es bestimmten Molekülen, die Membran zu passieren. Das können z.b. bestimmte Ionen sein.
Denn Ionen können eine Membran normalerweise nicht passieren. Durch Öffnen oder Schließen solcher Kanalproteine kann der Ein- und Ausstrom bestimmter Ionen von der Zelle reguliert werden. So wird der Austausch von Stoffen zwischen Zellen und ihrer Umgebung und auch zwischen den Zellorganellen und dem Cytoplasma geregelt.
Bei der Signalweiterleitung in Nervenzellen sind dir solche Kanalproteine bestimmt schon einmal begegnet. Auch spezielle Ionenpumpen sind am Stoffaustausch beteiligt. Sie können Moleküle sogar gegen ein Konzentrationsgefälle transportieren. Also eine Substanz z.B. auch in die Zelle transportieren, wenn in der Zelle schon eine enorm hohe Konzentration dieser Substanz vorherrscht. Allerdings muss dabei Energie aufgewendet werden.
Einige Proteine sind Rezeptoren. Sie ragen durch die Membran hindurch. Rezeptoren können einen Stoff wie z.B. ein Hormon an der Zelloberfläche binden und das Signal ins Zellinnere weiterleiten. Das machen sie, indem sie im Zellinneren eine bestimmte Reaktion auslösen. Beispielsweise das Abspalten eines Moleküls vom Rezeptorprotein oder die Aktivierung einer Enzymfunktion.
Biomembranen besitzen noch weitere Funktionen. Beispielsweise sorgen sie für Verbindungen zwischen verschiedenen Zellen und ermöglichen somit auch die Entstehung von bestimmten Geweben. Außerdem ermöglichen sie der Erkennung bestimmter Zellen. Dafür sind unteranderem Kohlenhydratseitenketten verantwortlich. Diese Kohlenhydratketten befinden sich an Proteinen oder direkt auf Membranlipiden. Sie werden deshalb auch Glykoproteine bzw. Glykolipide genannt.
Außerdem können von der Zellmembran kleine Membanstücke ,sogenannte Endosomen, abgeschnürrt werden und so Stoffe in die Zelle aufgenommen werden. Dieser Vorgang heißt Endozytose. Alternativ können Membranvesikel aus dem Cytoplasma mit der Membran verschmelzen und so die Abgabe von Stoffen durch die Zelle ermöglichen. Dieser Vorgang heißt Exozytose.
Zusammenfassung
Jetzt weißt du mehr über den Aufbau einer Biomembran als nur die Tatsache, dass es sich dabei um eine Lipiddoppelschicht handelt. In einer Biomembran findest du viele verschiedene Proteine wie beispielsweise Kanalproteine oder Rezeptoren. Vorstellen kannst du dir eine Membran am besten wie ein Meer, auf dem sich Eisberge bewegen. Eine solche Vorstellung spiegelt die zähe Konsistenz und die Beweglichkeit der Membranproteine wider.
Die Funktionen der Biomembran sind vielfältig: Neben der Abgrenzung von verschiedenen Zellen und Zellräumen gehören auch die Regulation des Stoffaustausches, die Erkennung von Signalmolekülen oder die Verbindung von Zellen dazu. Tschüss und bis zum nächsten Mal!
Biomembran – Bedeutung für die Zelle Übung
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Bestimme die Funktionen einer Biomembran für die Zelle.
TippsStell dir die Biomembran als Meer mit Eisbergen vor. Die Lipiddoppelschicht ist in dem Fall das Meer, während die Eisberge die Membranproteine darstellen.
LösungDie Biomembran erfüllt für eine Zelle zahlreiche Funktionen. Zunächst grenzt sie eine Zelle ab und ermöglicht so einen regulierten Reaktionsraum im Inneren. Sie reguliert ganz genau, welche Stoffe in diesem Raum hinein und heraus dürfen. Zudem enthält sie zahlreiche Rezeptoren und Signalstrukturen zur Erkennung von Hormonen und anderen Zellen. Sie regelt daher auch die Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung. Da die Biomembran jedoch eher zähflüssig ist, erfüllt sie keine direkte Schutzfunktion gegen mechanische Außeneinwirkungen. Pflanzen besitzen hierfür eine zusätzliche stabile Zellwand, während Tiere kompakte Zellverbände bilden, die sich gegenseitig stabilisieren und an Skelettstrukturen befestigt sind.
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Beschreibe, welche Stoffe ungehindert durch die Biomembran hindurch gelangen und welche nicht.
TippsLipophile Stoffe sind fettlöslich, hydrophile Stoffe sind wasserlöslich.
Hormone sind meist sehr große Molekül.
LösungDie Regulation des Stofftransportes ist eine der wichtigsten Aufgaben der Biomembran. Sie reguliert, welche Stoffe in eine Zell hineinkommen und welche Stoffe herauskommen. Sie lässt dabei nur bestimmte Stoffe passieren, man sagt auch, die Biomembran ist semipermeabel. Für manche Stoffe ist die Membran jedoch sehr gut durchlässig. Diese diffundieren ganz einfach durch sie hindurch. Hierzu zählen vor allem kleine Moleküle, Gase, Wasser und lipophile Stoffe. Werden die Stoffe jedoch zu groß oder haben sie eine Ladung wie Ionen, benötigen sie bestimmte Kanäle zum Transport in die Zelle. Wasserlösliche Stoffe kommen ebenfalls nur schlecht durch die Membran, sofern sie nicht sehr kleine Moleküle wie das Wasser selbst sind.
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Ermittle die Eigenschaften der Biomembran.
TippsNatrium-Ionen gelangen nur sehr schwer durch die Membran und benötigen diesen Kanal, um in die Zelle zu gelangen.
Hormone sind Botenstoffe.
LösungDie Aufgaben einer Biomembran sind vielseitig. So regulieren sie zunächst den Stofftransport, indem sie nur bestimmte Stoffe hinein- oder hinaustransportieren. Zudem sitzen in ihr Proteine und Kohlenhydratketten, die zum einen den gezielten Stofftransport ermöglichen, zum anderen aber auch die Zellkommunikation gewährleisten. Einige Proteine in der Membran sind auch für wichtige Stoffwechselvorgänge wie die Photosynthese oder der Zellatmung notwendig. Die Membran dient diesen Proteinen als Gerüst. Außerdem erkennt die Membran Botenstoffe wie Hormone, um Signale auch von entfernten Zellen und Geweben zu empfangen und eine spezifische Reaktion auszulösen.
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Charakterisiere die Eigenschaften der Stoffe anhand ihrer Fähigkeit zur Diffusion durch die Biomembran.
TippsÜberlege dir zunächst, welche Eigenschaften Stoffe haben, die leicht durch die Membran diffundieren können.
Die Biomembran ist innen lipophil.
LösungDie Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht und ist semipermeabel. Im Inneren ist die Membran sehr lipophil, stößt hydrophile Stoffe also ab. Welche Stoffe gut durch die Membran gelangen und welche nicht, ist gut an den Eigenschaften der jeweiligen Stoffe einzuschätzen. Generell diffundieren sehr kleine Stoffe wie Gase sehr gut durch die Membran, egal ob sie lipophil oder hydrophil sind. Je größer die Stoffe werden, umso schwieriger gelangen sie durch die Membran. Große Moleküle gelangen nur leicht durch die Membran, wenn sie einen starken lipophilen Charakter besitzen und daher nicht vom Inneren der Membran abgestoßen werden. Eine große Barriere für den Stofftransport durch die Biomembran, stellt jedoch eine Ladung dar. Egal ob positiv geladen oder negativ, sobald ein Stoff eine Ladung trägt (wie Ionen), gelangt er nur sehr schwer durch die Biomembran. Solche Stoffe und große Moleküle benötigen Hilfsstrukturen, die ihren Transport ermöglichen. Diese Transportkanäle sind in die Membran gelagert und sehr spezifisch für eine bestimmte Stoffgruppe.
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Bestimme die richtige Grundstruktur der Biomembran.
TippsDas Zellinnere ist hydrophil.
LösungDie Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. Es lagern sich immer zwei Phospholipide zusammen. Ein einzelnes Phospholipid besteht aus nur einem hydrophilen (Wasser liebenden) Kopf und zwei lipophilen (Fett liebenden) Schwänzen. Diese beiden Komponenten werden in einer Molekülstruktur zusammengehalten, obwohl sich hydrophile und lipophile Stoffe eigentlich abstoßen. Das Medium in einer Zelle ist hydrophil. Darum lagern sich die Phospholipide der ersten Schicht mit ihren hydrophilen Köpfen auch in in Richtung des Zellinneren an. Dadurch strecken sie ihre lipophilen Schwänze nach außen. Die zweite Schicht der Phospholipide lagert sich daher so an, dass sie die lipophilen Schwänzen in Richtung der ersten Phospholipidschicht ausrichten. Ihre hydrophilen Köpfe ragen deshalb von der der Schicht der Phospholipide weg.
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Leite aus den Graphen Aussagen zur einfachen Diffusion und zum spezifischen Transport ab.
TippsProportional bedeutet, dass sich Werte immer im selben Verhältnis zueinander verändern. Wird der deine Wert verdoppelt, verdoppelt sich auch der andere Wert.
Beim spezifischen Transport müssen Stoffe erst an einen Carrier binden und dann wieder abgegeben werden, bevor ein neuer Stoff gebunden werden kann.
LösungDie Semipermeabilität der Biomembran beruht auf ihrer inneren Struktur. Stoffe, die leicht durch die Membran diffundieren, sind meist sehr klein oder lipophil, während andere Stoffe besondere Hilfsstrukturen benötigen. Bei der einfachen Diffusion bewegt sich ein Stoff vom Ort der geringen Konzentration zur hohen Konzentration. Je höher die Differenz der beiden Konzentrationen, umso schneller bewegen sich die Stoffe hindurch. Eine doppelt so hohe Differenz, führt zu einer doppelt so hohen Geschwindigkeit. Geschwindigkeit und Konzentrationsdifferenz verhalten sich proportional. Carrier sind hingegen solche Hilfsstrukturen, die eine bestimmte Stoffgruppe zunächst binden, durch die Membran schleusen und wieder frei geben. Erst dann können sie ein neues Molekül dieser Stoffgruppe binden. Je mehr Carrier in der Membran vorhanden sind, umso schneller kann dieser Stoff daher durch die Membran geschleust werden. Wenn alle Carrier jedoch an ihrer maximalen Arbeitsgeschwindigkeit angelangt sind, ist die Transportgeschwindigkeit maximal. Auch eine höhere Konzentration erhöht dann die Transportgeschwindigkeit nicht mehr.
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Hallo Herr Habermaier
sehr gutes Video
Super Video, tolle Qualität und sehr gut erklärt.
Sehr gut erklärt
Besser als mein Lehrer ;)
Hallo :)
Die Durchlässigkeit von Wasser ist aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten. Du zitierst dass die Membran für Wasser "nahezu undurchlässig ist", denn etwas Wasser diffundiert tatsächlich durch die Membran, natürlich nicht in großen, Mengen, sonst würde sich das Cytoplasma ja ständig verdünnen oder aus der Zelle laufen. Tatsächlich gibt es sogar sogenannte Aquaporine ("Kanal-Proteine") in der Membran die den Wassertransport erleichtern. Außerdem solltest du wissen, dass Wasser aber immer bei jedem Ionentransport druch die Membran transportiert wird, denn kein Ion in deinem Körper ist "nackt", sondern immer von einer "Wasserschicht" umzogen, das nennt man solvatisisert.
Wikipedia und mein Buch sagen mir das eine Lipiddoppelschicht so gut wie Wasser undurchlässig ist. Aber hier im Video dringt Wasser durch die Lipiddoppelschicht. Was ist denn nun richtig?
"In Wasser bildet sich, als eine Folge des hydrophoben Effektes, eine Doppelschicht, bei der die hydrophoben Schwänze nach innen und die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen. Wegen des hydrophoben Kerns ist eine solche Lipiddoppelschicht nahezu undurchlässig für Wasser und wasserlösliche Moleküle" (Wikipedia)