Cytologie

Biomembran

In diesem Beitrag erklären wir dir, wie eine Biomembran aufgebaut ist und welche Funktionen sie in der Zelle erfüllt. 

Du willst den Inhalt schnell und anschaulich verstehen? Dann schaue dir gerne unser Video zu dem Thema an. 

Inhaltsübersicht

Biomembran einfach erklärt

Biomembranen sind sowohl in eukaryotischen , als auch in prokaryotischen Zellen zu finden. Sie bilden eine Barriere und grenzen einerseits die Zelle nach außen ab (=Zellmembran ). Andererseits umgeben sie Zellorganellen wie Mitochondrien , Chloroplasten oder den Golgi-Apparat

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Biomembran

Du kannst dir unter einer Biomembran eine flüssige Doppelschicht, die aus sogenannten Phospholipiden aufgebaut ist, vorstellen. In diese Doppelschicht sind Membranproteine und Kohlenhydrate ein- oder aufgelagert.

Zu den wichtigsten Aufgaben der Biomembranen gehört einerseits der Stofftransport. Andererseits sind sie in der Lage geschlossene Räume zu bilden, in denen Stoffe gespeichert werden (z.B. in der Vakuole) oder Reaktionen ablaufen können (z.B. in den Mitochondrien). 

Definition

Eine Biomembran kommt in Zellen aller Lebewesen vor. Sie besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, trennt den Innenraum der Zelle vom Außenraum oder grenzt einzelne Zellkompartimente ab. 

Biomembran Aufbau

Du kannst dir unter Biomembranen immer eine in sich geschlossene Struktur, die einen Raum umhüllt, vorstellen. Außerdem sind biologische Membranen asymmetrisch aufgebaut: eine Seite ist dem Cytoplasma zugewandt (= plasmatische Seite), die andere ist ihm abgewandt (= extraplasmatische Seite).

Alle Biomembranen bestehen nach dem Flüssig Mosaik Modell hauptsächlich aus einer  flüssigen Doppelschicht aus Lipiden, in die spezielle Proteine eingelagert sind. Zusätzlich sind in ihr auch Kohlenhydrate enthalten, die mit den Lipiden und Proteinen verknüpft sind. Die wichtigsten Membranbestandteile werden im Folgenden erklärt. 

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Aufbau einer Biomembran

Membranlipide

Membranlipide sind relativ kleine Lipide, die einen sogenannten amphipathischen Aufbau aufweisen. Darunter kannst du verstehen, dass sie sowohl über einen wasserliebenden (=hydrophilen), als auch über einen wassermeidenden (=hydrophoben) Anteil verfügen. Sie bilden in wässrigen Medien Doppelschichten aus, die du auch als  Phospholipid-Doppelschicht bezeichnen kannst. Diese Doppelschichten bilden quasi die „Basis“ der Biomembranen. Dabei lagern sich die hydrophoben Schwanzgruppen im Inneren aneinander und die hydrophilen Kopfgruppen orientieren sich nach außen zu den ebenfalls polaren Wassermolekülen. 

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Membran mit Phospholipiden

Du kannst hier zwischen drei Hauptgruppen unterscheiden: den Phospholipiden, den Glykolipiden und Cholesterin. 

Phospholipide sind über eine Esterbindung  mit Phosphorsäure verknüpft. Je nach chemischer Struktur kannst du zwischen den Phosphogylceriden und Sphingomyelinen unterscheiden.  Letztere sind vor allem in Zellmembranen von Nervenzellen%Verweis Nervenzelle vorhanden. 

Glykolipide sind Lipide, die kovalent an Kohlenhydrate gebunden sind. Diese Kohlenhydrateinheiten befinden sich außerhalb der Membran und fungieren als Erkennungssignal für Wechselwirkungen zwischen Zellen. 

Cholesterin ist ein Steroid, das fast immer in Biomembranen der Eukaryoten zu finden ist. Es beeinflusst dort die sogenannte Fluidität , also die Dickflüssigkeit, der Membran. 

Membranproteine

Neben den Membranlipiden sind in Biomembranen verschiedene Proteine enthalten.  Sie sind unter anderem für den Stofftransport über die Membranen zuständig.  Du kannst hier vor allem zwischen integralen und peripheren Membranproteinen unterscheiden.  

Integrale Proteine durchspannen die Lipiddoppelschicht oder dringen teilweise in sie ein. Periphere Proteine binden entweder an integrale Proteine oder an Phospholipidmoleküle. 

Flüssig Mosaik Modell

Laut dem Flüssig Mosaik Modell bestehen Biomembranen aus einer flüssigen Doppelschicht aus Phospholipiden, in die Membranproteine eingelagert sind. Sowohl die Phospholipide, als auch die Proteine sind in der Lage sich jeweils seitlich frei zu bewegen. Diesen Vorgang kannst du auch als laterale Diffusion bezeichnen. Diese Fließfähigkeit (=Fluidität) der Membran variiert je nach Temperatur oder Zusammensetzung der Fettsäuren . Je größer die Fluidität, desto dünnflüssiger und damit durchlässiger ist die Biomembran. 

Biomembran Funktion

Biomembranen besitzen zahlreiche Funktionen. Zu ihren wichtigsten Aufgaben zählen die Kompartimentierung, die selektive Durchlässigkeit, der Membrantransport, die Oberflächenvergrößerung und die Zellverbindungen. 

Kompartimentierung

Biomembranen bilden abgegrenzte Kompartimente. Dadurch ergeben sich Reaktions- oder Speicherräume mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Vakuole zum Beispiel ist vor allem für die Speicherung verschiedener Stoffe und die Regulation des Wasserhaushalts zuständig. Bei Mitochondrien oder Chloroplasten ist die Membran an der Energieumwandlung beteiligt. 

Semipermeable Membran

Biologische Membranen sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig, für andere jedoch nicht.  Deshalb kannst du sie auch als semipermeable Membranen bezeichnen. Diese selektive Durchlässigkeit (=Permeabilität)  für die jeweiligen Substanzen hängt vor allem von ihrer Molekülgröße und Polarität bzw. Ladung ab. Beispielsweise können kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff (O_2) oder Kohlenstoffdioxid (CO_2) und kleine polare Moleküle wie Harnstoff ungehindert durch die Doppelschicht diffundieren.

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Semipermeable Biomembran

Membrantransport

Moleküle, für die diese ungehinderte Diffusion verwehrt bleibt, können über spezielle integrale Membranproteine (Kanalproteine und Transportproteine) die Membranen durchqueren. Hier ist entweder ein passiver Transport entlang des jeweiligen Konzentrationsgefälles oder ein aktiver Transport entgegen des Konzentrationsgradienten einer Substanz möglich. Beim passiven Transport wird keine von außen zugeführte Energie benötigt, beim aktiven Transport jedoch schon. 

Oberflächenvergrößerung

Eine weitere wichtige Funktion der Biomembranen besteht darin durch kleine Ausstülpungen innerhalb der Membran mehr Oberfläche zu generieren. Diese fadenförmigen Ausstülpungen kannst du auch als Mikrovilli bezeichnen. Durch die größere  Oberfläche können die Zellen Stoffe besser aufnehmen und abgeben. Das spielt beispielsweise im Darm eine große Rolle. 

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Mikrovilli

Zellverbindungen

Damit Zellen und Kompartimente miteinander in Wechselwirkung treten oder Stoffaustausch gewährleisten können, sind verschiedene Zellverbindungen zuständig. Für den Stoffaustausch spielt einerseits der Kohlenhydratanteil an der Außenseite der Membran (=Glykokalix) eine große Rolle.  Andererseits dienen sogenannte Gap Junctions in Form von Proteinkanälen dazu, eine Verbindung zwischen zwei Plasmamembranen aufzubauen. Sie ermöglichen damit einen schnellen Stoffaustausch zweier Zellen. 

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Aufbau der Gap Junctions

 

Es existieren darüber hinaus noch zwei weitere Zellkontakte, die für  eine mechanische Verbindungen und damit für Stabilität bzw. Abdichtung des Zellzwischenraums zuständig sind.  Dabei handelt es sich um die Desmosomen und die Tight Junctions

Endomembransystem

Das Endomembransystem oder inneres Membransystem beinhaltet verschiedene membranumhüllte Zellkompartimente in eukaryotischen Zellen . Diese sind entweder direkt miteinander oder über einen Vesikeltransport verbunden. So wird vor allem ein gegenseitiger Austausch insbesondere von Proteinen gewährleistet. Zum Endomembransystem gehören die Kernmembran , das endoplasmatische Retikulum , der Golgi Apparat, die Lysosomen , die Peroxisomen , Vesikel und die Plasmamembran.  

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