Aufbau und Funktion von Biomembranen

Das Wichtigste in Kürze

Die Biomembran stellt eine teilweise durchlässige Trennschicht dar, die eine Zelle umgibt (Zellmembran) und vom zelläusseren Milieu abgrenzt. Biomembranen kommen auch in der Zelle vor, um unterschiedliche Reaktionsräume (Kompartimente) im Zellinneren abzugrenzen.

Die Biomembran ist eine dynamische Struktur, die sich vor allem aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten zusammensetzt. In der zähflüssigen Lipid-Doppelschicht können sich Proteine frei bewegen, wodurch sich die Membran unterschiedlichen Situationen anpassen kann. Die Struktur einer Biomembran ermöglicht die Abgrenzung eines inneren und äusseren Milieus, wodurch unterschiedliche Reaktionen gleichzeitig stattfinden können. Trotzdem ist die Membran für einige Stoffe durchlässig.

Aufbau

Phospholipide machen den grössten Anteil an Lipiden in einer Biomembran aus. Sie bestehen aus einem wasserliebenden (hydrophil) Phosphatteil und zwei wasserabweisenden (hydrophob) Kohlenwasserstoffketten. In einer wässrigen Umgebung wendet sich der hydrophile Kopf dem Wasser zu, während die hydrophoben Kohlenwasserstoffketten Wasser abstossen und sich nach Innen verlagern. Dadurch lagern sich die Moleküle im Wasser zu einer Lipid-Doppelschicht zusammen.

Cholesterin stellt neben Phospholipiden einen weiteren wichtigen Lipidbestandteil der Biomembran dar. Cholesterin ist zwischen den Phospholipiden der Membran angeordnet und trägt zu derer Stabilität und Flexibilität bei. Bei Kälte verhindert das eingelagerte Cholesterin die Verfestigung der Membran.

Integrale Proteine sind in die Lipid-Doppelschicht integriert und ragen auf Grund ihrer Grösse aus der Membran heraus.

Periphere Proteine sind an der Membraninnen- oder aussenseite verankert. Membranproteine übernehmen verschiedene Funktionen.

Kanal-Transportproteine: Stoffaustausch
Membranrezeptoren: Molekülbindung (z.B. Hormone)
Ankerproteine: stabilisiert Zellmembran-Cytoskelett-Verbindung

Glykolipide oder Glykoproteine sind kurze Zuckerketten, die mit Lipiden oder Proteinen verbunden an der Membranaussenseite befestigt sind. Die Kohlenhydrate steuern unter anderem Zell-Zell-Erkennungsvorgänge und funktionieren als Rezeptoren für körperfremde und körpereigene Moleküle.

Biologie; Biomembranen; 1. Gymi; Aufbau und Funktion von Biomembranen — A: Extrazellulärer Raum, B: Zellplasma

1. Lipidmolekül

2. Lipid-Doppelschicht

3. Cholesterin

4. Integrales Kanal-Transportprotein

5. Peripheres Protein

6. Kohlenhydrat gebunden an Lipid (Glykolipid)

7. Kohlenhydrat gebunden an Protein (Glykoprotein)

Funktion

Biomembranen betreiben Stoffaustausch mit ihrer Umgebung und stellen durch die Zellmembran Kontakt zu anderen Zellen her.

Stoffaustausch

Die Lipid-Doppelschicht stellt eine Barriere für die meisten Moleküle dar. Ionen und polare Moleküle können Biomembranen ohne aktive Transportvorgänge nicht passieren. Für Stoffe wie Gase (O₂, CO₂), unpolare Substanzen und Wasser ist die Membran passierbar.

Zellkontakt

Im Gewebe sind Zellen dicht aneinander geordnet, dies ermöglicht Stabilität und Stoffaustausch zwischen den Zellen. Es gibt unterschiedliche Verbindungen zwischen den Zellen, die einen gerichteten Stoffaustausch ermöglichen.

Zellverbindungstypen

Zellverbindungstyp	Beschreibung	Ort
Gap junctions	Verbindung zwischen Zellen über Kanalproteine, Diffusion von niedermolekularen Substanzen.	Z.B. Nerven- und Muskelzellen
Tight junctions	Gürtelartiges Netzwerk aus Membranproteinen, die Gewebszellen in dichte Nähe zueinander "schnüren", ermöglicht gezielten Fluss von Molekülen durch bestimmte Zellen.	Epithelzellen, z.B. Darmepithel
Desmosomen	Plattenartige Verdichtungen an seitlichen Wänden von Zellmembranen, Verbindung mit dem Cytoskelett schafft extra Stabilität.	Zellen mit hoher Belastung, z.B. Herzmuskulatur