Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen

Das Wort Membran kommt aus dem lateinischen Wort membrāna. Es kann wörtlich mit Häutchen übersetzt werden. Meistens ist dabei eine dünne Abtrennung gemeint, die eine selektive Durchlässigkeit besitzt. Eine Biomembran trennt das Innere der Zelle oder eines Zellorganells von seinem Außenraum.

Sowohl prokaryotische als auch eukaryotische Zellen besitzen Membranen. Die Zellmembran ist die Biomembran, welche die Zelle umgibt.
Zudem umgeben Biomembranen Zellorganellen wie beispielsweise den Zellkern oder Mitochondrien.

Biomembranen umgeben Zellkompartimente oder als Zellmembran die gesamte Zelle.

Die Membranlipide bilden eine Lipiddoppelschicht, welche quasi das Grundgerüst der Biomembran darstellt. Sie sind eine Barriere, welche die Zelle oder die Zellorganellen nach außen abgrenzt. In dieser Schicht sind Membranproteine und Kohlenhydrate ein- und aufgelagert. Sie bilden zelluläre Marker. Das sind Strukturen, die von anderen Zellen erkannt werden können und somit zum Beispiel eine wichtige Rolle für das Immunsystem spielen.
Viele Membranproteine sind zudem für den Stofftransport über die Membran zuständig. Membranproteine sind unter anderem wichtig für den Stofftransport an der Biomembran und aufgelagerte Kohlenhydrate spielen unter anderem eine wichtige Rolle für das Immunsystem.

Der Aufbau der Lipiddoppelschicht ermöglicht, dass Biomembranen auf beiden Seiten, also gegen innen und gegen aussen hydrophobe Teile aufweisen. Dazwischen ordnen sich die hydrophoben Molekülbereiche an. Dieser Aufbau dient zum einen der Stabilisierung, der Abgrenzung und der Flexibilität der Biomembran. Zum anderen wird so auch die Regulation und der Transport bestimmter Stoffe durch die Biomembran gewährleistet. Kleine, ungeladene Moleküle können die Biomembran problemlos passieren. Größere Moleküle oder Stoffe, die eine Ladung tragen (positiv oder negativ) benötigen Hilfsstrukturen, die den Transport durch die Membran ermöglichen.

Membranproteine besitzen vielfältige Aufgaben. Viele Proteine sind beim Stofftransport an der Biomembran beteiligt. Zudem sind viele Proteine sogenannte Rezeptoren, an die Signalmoleküle binden können. Sie spielen somit eine große Rolle bei der Signalübertragung. Auch bei Zellverbindungen, Zell-Zell-Erkennungen und weiteren spezifischen Funktionen einer Membran sind Membranproteine beteiligt.

Biomembrane erfüllen für eine Zelle zahlreiche Funktionen. Zunächst grenzen sie eine Zelle und viele Zellorganellen ab und ermöglichen so regulierte Reaktionsräume im Inneren. Sie regulieren ganz genau, welche Stoffe in diese Räume hinein und heraus dürfen. Zudem enthalten sie zahlreiche Rezeptoren und Signalstrukturen zur Erkennung von Hormonen und anderen Stoffen. Die Zellmembran regelt daher auch die Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung. Auch bei Energieumwandlungen wie der Fotosynthese und der Zellatmung sowie an zahlreichen anderen wichtigen Prozessen sind Biomembranen beteiligt.

Die Zellmembran ist eine Biomembran, welche die Zelle umschließt und so auch für den Stofftransport in die Zelle hinein und hinaus verantwortlich ist.

Die Zellmembran ist ein Beispiel für eine Biomembran.

Das Hauptgerüst einer Biomembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht. Daher wird sie gelegentlich in der Literatur als Doppelmembran bezeichnet.
Für gewöhnlich wird eine Doppelmembran jedoch anders definiert: Eine Doppelmembran besteht aus zwei Biomembranen. Sie besteht also aus zwei Lipid-Doppelschichten. Zwischen diesen Schichten befindet sich ein Zwischenraum, der sogenannte Intermembranraum. Doppelmembranen (zwei Lipid-Doppelschichten) umgeben zum Beispiel die Mitochondrien und Plastiden sowie den Zellkern.

Cytoplasma ist die Grubstanz aller Zellen. Nach außen hin wird es von der Zellmembran – die daher auch Plasmamembran genannt wird – abgegrenzt.

Die Lipiddoppelschicht der Biomembran bildet keine starre Form. Sie verhält sich vielmehr wie eine zähe Flüssigkeit. Die Proteine schwimmen in dieser Flüssigkeit und können sich frei bewegen. Du kannst sie dir wie Eisberge in einem Meer vorstellen.
Biomembranen sind zudem asymmetrisch aufgebaut, denn sie besitzen eine Seite, die dem Cytoplasma zugewandt ist, die sogenannte plasmatische Seite, und eine, die diesem abgewandt ist, die sogenannte extraplasmatische Seite.

Zu den wichtigsten Eigenschaften einer Biomembran gehören zum Beispiel ihre Fluidität, die selektive Permeabilität und das Membranpotential.

Ribosomen und Centriolen besitzen zum Beispiel keine Biomembran. Manchmal werden in der Literatur auch nur membranumgrenzte Strukturen als Organellen bezeichnet. Nach dieser Definition wären beispielsweise Ribosomen also keine Zellorganellen.

Als Extrazellulärraum wird der Raum zwischen Zellen innerhalb der Gewebe bezeichnet. Die extraplasmatische Seite (E-Seite) grenzt an diesen Raum.

Da Biomembranen eine recht einheitlichen Aufbau haben, werden sie gelegentlich als Elementarmembranen bezeichnet.

Das Vorhandensein einer unpolaren und polaren Molekülregion (amphiphatisch) ermöglicht die Anordnung der Membranlipide mit einer hydrophilen Kontaktfläche zur wässrigen Seite sowie einer stabilisierenden und Barriere-bildenden, hydrophoben Schicht in der Mitte.

Kompartimente sind abgetrennte Räume der Zelle, in denen biochemische Reaktionen ablaufen können.

Es wird von einer doppelten Größe ausgegangen, da das Hauptgerüst der Biomembran eine Lipiddoppelschicht ist. Ordnen sich die Lipide in einer Einzelschicht an, ist diese daher doppelt so groß. Die Fläche des Films wäre allerdings nicht exakt doppelt so groß, da in der Biomembran auch integrale Membranproteine einen Teil der Fläche ausmachen. Fallen diese weg, verkleinert sich die Fläche und damit auch jene des Films.

Beim Einstich mit der Nadel werden die Moleküle der Zellmembran auseinandergeschoben. Die Phospholipid-Moleküle ziehen sich gegenseitig an und das Loch wird daher während des Hinausziehens bereits weider geschlossen.

Hydrophile Phospholipidteile vermitteln zum wässrigen Innen- und Außenmilieu. Hydrophobe Fettsäurereste halten die beiden Phospholipidschichten zusammen (Struktur) und bilden so eine Schranke für besonders große, geladene und hydrophile Moleküle (Funktion).

Entscheidend für die Durchlässigkeit von Stoffen durch eine Biomembran sind die Polarität und Größe des Stoffs. Kleine, unpolare Stoffe wie Kohlendioxid können problemlos durch eine Biomembran diffundieren.

Ja, allerdings nicht besonders schnell, denn polare Moleküle haben Schwierigkeiten, den hydrophoben Bereich der Membran zu durchqueren. Wasser ist jedoch sehr klein und kann daher im begrenztem Maße diffundieren. Zellen mit hoher Wasserdurchlässigkeit besitzen Kanalproteine, die sogenannten Aquaporine, die Wasser den Durchtritt stark erleichtern. Wasser kann also über eine einfache Diffusion sowie eine erleichterte Diffusion durch Aquaporine Biomembranen passieren.

Die Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht und ist daher amphipathisch. Die äußeren Bereiche sind hydrophil und der große innere Teil ist hydrophob. Kleine Stoffe wie Gase diffundieren in der Regel durch eine Biomembran. 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 (und somit hydrophoben) Charakter besitzen und daher nicht vom Inneren der Membran abgestoßen werden. Eine große Barriere für den Stofftransport durch die Biomembran, stellt 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. Dabei handelt es sich um integrale Membranproteine, die als Kanäle, Carrier oder Pumpen fungieren.

Hydrophobe Moleküle und sehr kleine ungeladene polare Moleküle können durch die Biomembran diffundieren. Helfen beim Transport der Moleküle Transport- und Kanalproteine, wird dies als erleichterte Diffusion beschrieben. Dabei lässt sich der aktive Transport vom passiven Transport unterscheiden. Beim passiven Transport diffundieren Stoffe spontan entlang ihres Konzentrationsgefälles ohne Energieaufwand. Beim aktiven Transport werden Stoffe gegen ein vorliegendes Konzentrationsgefälle befördert.
Das kostet Energie, die meist in Form von ATP bereitgestellt wird. Wird nicht direkt ATP verbraucht, sondern ein bestehender elektrochemischer Konzentrationsgradient genutzt, um einen Stoff gegen ein Konzentrationsgefälle zu transportieren, wird dies als sekundär aktiver Transport bezeichnet.
Besonders große Stoffe wie Proteine werden über Zytose in die Zelle hinein oder heraus transportiert. Diese geschieht über Membranverschmelzungen oder sogenannte Vesikel. Die Endozytose beschreibt den Transport in die Zelle hinein und die Exocytose den Transport hinaus.

Es gibt das Modell der Phospholipideinzelschicht, das Modell der Phospholipiddoppelschicht, das Sandwich-Modell und das Flüssig-Mosaik-Modell.

Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Phospholipidschichten (Einzel- und Doppelschicht), dem Vorhandensein von Proteinen sowie ihrer Lage und Beweglichkeit in der Lipidschicht.

Die Membran ist in ständiger Bewegung. Dabei sind Proteinmoleküle wie ein Mosaik in einer flüssigen Phospholipiddoppelschicht eingebettet. Aus diesem Grund nennt man es das Flüssig-Mosaik-Modell

Beim Sandwich-Modell ist die Lipid-Doppelschicht von einer starren Proteinschicht umgeben.

Das Bilayer-Modell beschreibt eine Lipiddoppelschicht.

Membranmodelle sind im Wandel. Es wird weiterhin am Aufbau der Biomembran geforscht und Modelle modifiziert. Ein Modell nähert sich immer nur der Wirklichkeit an und stellt eine Vereinfachung dieser dar. Das Flüssig-Mosaik-Modell ist ein bis heute gültiges und akzeptiertes Membranmodell.

Das Fluid-Mosaik-Modell wird auch als Flüssig-Mosaik-Modell bezeichnet. In einer Lipiddoppelschicht sind unterschiedliche Membranproteine eingelagert. Integrale Proteine sind in der Lipiddoppelschicht verankert. Transmembranproteine durchziehen die gesamte Membrandicke. Periphere Membranproteine liegen der Lipiddoppelschicht von außen auf. Membranproteine und -lipide können Kohlenhydratketten tragen, welche dementsprechend als Glykoproteine bzw. -lipide bezeichnet werden. Membranproteine und -lipide sind lateral mobil, daraus folgt der fluide Charakter.