Cytologie

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Zellaufbau

Flüssig Mosaik Modell

In diesem Beitrag erklären wir dir, was es mit dem Flüssig-Mosaik-Modell auf sich hat, was der Name bedeutet und von welchen Faktoren die Fluidität von Biomembranen abhängig ist. 

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Inhaltsübersicht

Flüssig Mosaik Modell einfach erklärt 

Das Flüssig Mosaik Modell erklärt den molekularen Aufbau biologischer Membranen. Es wurde 1972 von Seymur Jonathan Singer und Garth Nicolson entwickelt. 

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Prinzip des Flüssig-Mosaik-Modells

 

Biomembranen sind laut dem Flüssig-Mosaik-Modell aus einer zweidimensionalen flüssigen Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut.  Sowohl die darin eingelagerten Proteine, als auch die Phospholipidmoleküle können sich jeweils seitlich in der Membranebene frei bewegen. Dies kannst du auch als laterale Diffusion bezeichnen. Den Aufbau der Biomembran kannst du dir als eine Art Mosaik vorstellen, weil die Moleküle so verschieden und zahlreich darin vorkommen. Daher kommt auch der Name Flüssig Mosaik Modell. 

Je nach Temperatur oder Zusammensetzung der Fettsäuren variiert die Fließfähigkeit der Membran.  Der Fachbegriff hierzu lautet Fluidität oder auf Biomembranen bezogen: Membranfluidität. Hier gilt: Je größer die Fluidität, desto dünnflüssiger ist die Membran bzw. je geringer die Fluidität, desto dickflüssiger ist die Membran. 

Modelle bilden allerdings niemals komplett die Realität ab. In neueren Forschungsergebnissen wird auch  der Begriff Lipid Rafts verwendet, wenn die Membranzusammensetzung diskutiert wird. Hierbei handelt es sich um bestimmte Bereiche in der Membran – sogenannte Mikrodomänen – , die sich in ihrer Zusammensetzung von dem Rest der Membran unterscheiden. 

Definition

Das Flüssig-Mosaik-Modell (en. fluid mosaic model) ist ein molekulares Modell, das die Struktur von Biomembranen beschreibt. Biomembranen bestehen aus einer flüssigen Phospholipid-Doppelschicht, in der sich sowohl die Phospholipidmoleküle, als auch die darin eingebetteten Proteine lateral (= seitlich) bewegen können. 

Flüssig Mosaik Modell Biomembran

Biomembranen sind grundsätzlich aus einer flüssigen Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut. Du kannst dir die Konsistenz in etwa wie leichtes Maschinenöl vorstellen. Die Phospholipide bestehen jeweils aus einem hydrophilen Kopf und zwei hydrophoben Schwanzgruppen in Form von Fettsäuren.  Im wässrigen Medium lagern sich die unpolaren Fettsäuren aneinander und die polaren Kopfgruppen orientieren sich nach außen zu den ebenfalls polaren Wassermolekülen. Es kommt nun zur Ausbildung der Doppelschicht. Zwischen den Fettsäureketten im Innenbereich wirken sogenannte hydrophobe Wechselwirkungen .  

Die Doppelschicht verhindert den Durchtritt von hydrophilen oder geladenen Teilchen. Kleine, unpolare Moleküle können die Membran aber ungehindert passieren. Deswegen kannst du sie auch als semipermeable Membran  bezeichnen.

In die flüssige Doppelschicht sind sogenannte Membranproteine eingelagert. Diese sind in den meisten Fällen nicht kovalent über eine chemische Bindung an die Phospholipide gebunden. Stattdessen sind sie mit ihren hydrophoben Bereichen in die Doppelschicht eingebettet. Hydrophile Bereiche der Proteine ragen aus der Phospholipid-Doppelschicht in Richtung Wasser heraus. Die Proteine sind vor allem für den Stofftransport oder das Empfangen chemischer Signale außerhalb der Zelle zuständig. 

Flüssig Mosaik Modell Eigenschaften

Die flüssige Struktur der Membran ermöglicht nun, dass sich die Proteine seitlich (=lateral) in der Membran bewegen können.  Sie „schwimmen“ quasi in der Doppelschicht. Du siehst also, dass die Membranstruktur nicht statisch, sondern dynamisch ist. Nicht nur die Proteine selbst, sondern auch die Phospholipide können sich seitlich bewegen. Ein beliebiges Phospholipid-Molekül braucht beispielsweise nur etwas mehr als eine Sekunde, um das andere Ende der Zelle zu erreichen.  

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Aufbau der Biomembran nach dem Flüssig-Mosaik-Model

Ein sogenannter transversaler Austausch der Moleküle mit der gegenüberliegenden Seite  ist dagegen schwer möglich.  Grund dafür ist, dass jedes Molekül mit seinem polaren Anteil den unpolaren Innenbereich passieren müsste. Aufgrund der dadurch resultierenden abstoßenden Wechselwirkungen sind diese „Flip-Flops“ sehr unwahrscheinlich. Deshalb kann die Zusammensetzung zwischen äußerer und innerer Schicht der Membran stark variieren. 

Einflussfaktoren Fluidität

Die Membranfluidität ist für viele Membranfunktionen von Bedeutung. Sie wird von zwei Faktoren beeinflusst: der Lipidzusammensetzung und der Temperatur.

Lipidzusammensetzung

Die Zusammensetzung der Fettsäuren in den Membranen spielt nach dem Flüssig Mosaik Modell eine große Rolle bei der Fluidität einer Zellmembran.  Längerkettige und gesättigte Fettsäuren, also Fettsäuren ohne Doppelbindungen, liegen nebeneinander sehr dicht gepackt vor. Durch diese starre Struktur ist wenig Bewegung möglich. Deshalb besitzen solche Membranen eine geringe Fluidität. 

Membranen aus kurzkettigen oder ungesättigten Fettsäuren, also Fettsäuren mit Doppelbindungen, sind hingegen flüssiger.  Die Doppelbindungen kannst du dir als „Knicke“ im Molekül vorstellen. Diese sorgen für eine weniger kompakte Struktur, was zu einer flüssigeren Konsistenz der Membran führt.  

Die Einlagerung von Cholesterol (Cholesterin), einem hydrophoben Membranlipid, beeinflusst zusätzlich die Fluidität. 

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Einflussfaktoren auf die Fluidität

Temperatur

Auch die Temperatur sorgt für Unterschiede in der Membranfluidität. Generell gilt gemäß der Brownschen Molekularbewegung ,  je kälter die Temperatur, desto langsamer bewegen sich auch die Moleküle.  Die Fluidität der Membran nimmt also bei kalter Temperatur ab und bei hoher Temperatur zu.

Dies würde bei Organismen ohne konstante Körpertemperatur zu Problemen führen. Oft sind sie in der Lage, bei unterschiedlichen Temperaturen auch die Lipidzusammensetzung ihrer Membranen zu verändern. Das ist vor allem für Pflanzen, Bakterien oder auch wechselwarme Tiere bei der Überwinterung relevant. Bei kalter Umgebungstemperatur werden gesättigte Fettsäuren durch ungesättigte bzw. kürzerkettige Fettsäuren ersetzt. 


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