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Biomembran – Aufbau und Stofftransport

Biomembranen trennen verschiedene Bereiche innerhalb der Zelle. Aber auch die gesamte Zelle wird durch eine Biomembran, der Zellmembran, vom Außenraum abgegrenzt.

Bedeutung der Biomembran

Jede Zelle unseres Körpers bildet einen eigenen abgeschlossenen Reaktionsraum. Innerhalb jeder Zelle befinden sich Organellen. Auch sie werden vom Rest der Zelle durch eine Biomembran abgegrenzt. Dieses Prinzip nennt man Kompartimentierung. Es ist ein Grundprinzip der Biologie.

Tierzelle

Dieses Prinzip entwickelte sich erstmal vor ca. 4 Milliarden Jahren auf der Erde. Zu dieser Zeit entstanden wahrscheinlich die ersten Protozellen in den Ozeanen. Sie bestanden aus einem Kompartiment, also einem abgeschlossenen Reaktionsraum. Abgeschlossen und somit unabhängig von der Umwelt konnten Reaktionen stattfinden und Moleküle aufgebaut werden. Die Protozellen wurden immer komplexer und bildeten schließlich die ersten echten Zellen.

Du siehst, ohne dieses Prinzip der Kompartimentierung wäre das Leben auf der Erde nicht möglich gewesen. Doch wodurch lässt sich ein Reaktionsraum von einem anderen trennen? Richtig, durch eine Biomembran. Dazu kommt, dass in heutigen Zellen viele wichtige Zellfunktionen an oder über eine Biomembran ablaufen. Um zu verstehen, wie eine Zelle funktioniert, ist es also wichtig zu verstehen, wie eine Membran aufgebaut ist und welche Funktionen sie besitzt.

Aufbau der Biomembran

Würde man eine Biomembran in ihre Bestandteile zerlegen und ermitteln, woraus sie besteht, wären die häufigsten Klassen von Molekülen die Proteine, also Eiweiße, und Lipide, die auch als Fette bezeichnet werden. Wie diese Moleküle zusammen das Innere einer Zelle von der Außenwelt trennen können und wie die Membran dabei noch wichtige Funktionen erfüllt, erklärt zum Teil der Aufbau der Biomembran. Seine Erforschung begann am Anfang des 20. Jahrhunderts. Die Fette, die die Membran bilden, heißen Phospholipide. In frühen Modellen ging man von einer einzelnen Schicht dieser Fette aus. Da aber in jeder Zelle sehr viele Phospholipide enthalten sind und nicht alle Funktionen mit diesem Aufbau zu erklären sind, erweiterte man das Modell zu einer Doppellipidschicht. Dabei ist wichtig zu wissen, dass Phospholipide aus einem wasserliebenden Kopf und einem fettliebenden Schwanz bestehen. Im Doppelschicht-Modell ragen die wasserliebenden Köpfe jeweils nach außen in die wässrige Umgebung, die wasserabweisenden Kohlenwasserstoffschwänze zueinander ins Innere der Membran. Durch weitere chemische Analysen erkannte man den hohen Eiweißanteil in den Biomembranen. Die historische Modellvorstellung wurde um die Membranproteine erweitert. Membranproteine kommen auf der Membran vor oder sie ragen in die Membran hinein, manche durchdringen die Membran sogar komplett. Sie übernehmen die unterschiedlichsten Funktionen in der Membran. Zusammen mit der Doppelschicht bilden sie die noch heute gültige Vorstellung, die als Flüssig-Mosaik-Modell bezeichnet wird – flüssig, weil sich die Moleküle frei in der Membran bewegen können.

Biomembran

Funktionen einer Biomembran

Biomembranen besitzen die unterschiedlichsten Funktionen, bei denen die Membranproteine meist eine große Rolle spielen.

Transport

Biomembranen sind selektiv permeabel, das heißt, dass sich nur bestimmte Stoffe frei durch die Membran bewegen können. Gerade größere Moleküle sind auf aktive und passive Transportvorgänge angewiesen. Dies wird durch verschiedene Membranproteine ermöglicht, die entweder aktiv, also unter Umsatz von Energie, oder passiv ermöglichen, dass sich das Molekül durch die Membran bewegt. Auf diese Weise ist die Zelle in der Lage, unterschiedliche Konzentrationen in den Kompartimenten herzustellen. Da solche Konzentrationsgefälle dazu neigen, sich wieder auszugleichen, können verschiedene Stoffwechselvorgänge wie die Fotosynthese oder die Zellatmung angetrieben werden. Durch den Stofftransport werden also überlebenswichtige Vorgänge unterstützt.

Stofftransport

Kommunikation

Auch nach außen hin ist eine jede Zelle von einer Membran umgeben. Diese spezielle Membran wird Zellmembran genannt. Dort übernimmt die Membran auch Stofftransporte von außen nach innen und umgekehrt. Auf diese Weise könne Zellen untereinander kommunizieren. Auch können die Zellen so auf eine Veränderung in ihrer Umwelt rechtzeitig reagieren.

Zellmembran

Oberflächenvergrößerung

Du siehst, die Funktionen der Biomembranen sind sehr vielfältig. Um die Effektivität der Vorgänge an einer Membran zu vergrößern, hat sich ein cleverer Trick entwickelt. An besonders aktiven Stellen einer Membran findet man häufig Falten oder Einstülpungen. Sie vergrößern die Fläche, die die Membran hat. Dadurch können an einer Stelle in der Zelle platzsparend sehr viel mehr Reaktionen und Vorgänge gleichzeitig passieren. Dies nennt man auch das Prinzip der Oberflächenvergrößerung, es ist ein weiteres Grundprinzip in der Biologie.