Cytologie

Semipermeable Membran

Was ist eine semipermeable Membran, wie ist sie aufgebaut und auf welche Weise können Stoffe diese durchqueren? Alle Antworten darauf findest du in diesem Beitrag.

Du möchtest das Thema noch schneller verstehen? Kein Problem, schau dir gerne unser dazugehöriges Video an. 

Inhaltsübersicht

Semipermeable Membran einfach erklärt 

Unter einer Membran versteht man im Allgemeinen eine dünne Trennschicht, die zwei Räume voneinander abgrenzt. Die Bedeutung für „semipermeabel“ kannst du dir ganz einfach aus dem Lateinischen herleiten. Semi steht für „halb“ oder „teilweise“ und permeare bedeutet „durchgehen“ oder „passieren“. 

Biomembranen , die in unseren Zellen in Form von Plasmamembranen oder Umhüllungen von Zellorganellen vorkommen, sind semipermeable Membranen. Sie sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig, für andere jedoch nicht.  Das kannst du auch als selektive Permeabilität bezeichnen. Die Durchlässigkeit für die jeweiligen Substanzen hängt vor allem von deren Molekülgröße und Polarität bzw. Ladung ab.

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Übersicht der Permeabilität von Biomembranen für verschiedene Substanzen
Definition 

Eine semipermeable Membran (en: semipermeable membrane) ist eine halbdurchlässige Trennwand. Biomembranen sind für bestimmte Substanzen durchlässig, für andere jedoch nicht (= selektive Permeabilität). 

Semipermeable Membran Stofftransport

Grundsätzlich kannst du zwischen zwei verschiedenen Prozessen, wie Substanzen semipermeable Membranen passieren können, unterscheiden: dem passiven und dem aktiven Transport.

Passiver Stofftransport

Beim passiven Stofftransport ist keine von außen zugeführte Energie notwendig. Die Triebkraft für den Transport stammt aus einem Konzentrationsunterschied innerhalb und außerhalb der semipermeablen Membran. Wenn eine bestimmte Substanz in großen Mengen im Zellinneren vorhanden ist und im Zellaußenraum hingegen kaum, erfolgt ein Transport in Richtung Zellaußenraum. Diese Bewegung kannst du auch als Diffusion bezeichnen. Diffusion findet immer entlang des Konzentrationsgradienten (Konzentrationsgefälle) statt: Also von einer Region mit einer höheren Konzentration einer Substanz hin zu einer Region mit einer niedrigen Konzentration derselben Substanz. Dies läuft so lange ab, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat.

Osmose stellt einen Spezialfall der Diffusion dar. Hier diffundiert Wasser in Form von Lösungsmittel entlang seines Konzentrationsgefälles durch eine semipermeable Membran. Das spielt besonders beim Wassertransport in Pflanzen eine bedeutende Rolle. 

Einfache Diffusion

Bei der einfachen Diffusion können einige hydrophobe Moleküle wie Sauerstoff (O_2) oder Kohlenstoffdioxid(CO_2) und kleine polare Moleküle wie Harnstoff die Phospholipid-Doppelschicht  ungehindert durchqueren. Da der Innenbereich der semipermeablen Membran gemäß des Flüssig-Mosaik-Modells aus beweglichen hydrophoben Fettsäuren aufgebaut ist, können hydrophobe und damit fettlösliche Moleküle die semipermeable Membran leicht passieren. Es gilt: Je besser ein Molekül fettlöslich ist, desto schneller diffundiert es durch die Membran.  

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Prinzip der einfachen Diffusion über eine Biomembran

Erleichterte Diffusion

Bei der erleichterten Diffusion können auch polare Stoffe wie Aminosäuren oder Zucker sowie geladene Ionen die semipermeable Membran ohne Verbrauch von Stoffwechselenergie überwinden. Dies ermöglichen sogenannte Membranproteine. Du kannst hier zwischen Kanalproteinen und Transportproteinen (Carrier-Proteinen) unterscheiden.

Kanalproteine werden auch als integrale Membranproteine bezeichnet, da sie sich in die hydrophobe Lipidschicht einlagern und so in die Membran integriert sind. Sie bilden in ihrem Inneren hydrophile Ionenkanäle, die den Durchtritt von Ionen oder anderen größeren Molekülen gewähren. Das Öffnen und Schließen dieser Kanäle wird über Signalproteine oder eine elektrische Spannung reguliert. 

Transportproteine hingegen binden an die zu transportierenden Substrate und schleusen sie durch die Doppelschicht der semipermeablen Membran. 

Für den Wassertransport besitzt die Zellmembran außerdem die sogenannten Aquaporine. Obwohl Wasser ein sehr kleines Molekül ist und die Membran meist ohne Probleme passieren kann, ist der Wassertransport sehr wichtig. Über die Aquaporine kann die Zelle ihre Aufnahme oder Abgabe von Wasser gezielter regulieren. 

Aktiver Stofftransport

Neben dem passiven Stofftransport ist auch ein aktiver Stofftransport möglich. Dieser benötigt, wie der Name bereits vermuten lässt, von außen zugeführte Energie. Mithilfe von integralen Membranproteinen werden Substanzen entgegen ihres Konzentrationsgradienten durch eine Membran transportiert. Du kannst zwischen zwei Formen des aktiven Transportes unterschieden: dem primär aktiven Transport und dem sekundär aktiven Transport. 

Beim primär aktiven Transport wird Energie gewonnen, indem ATP mithilfe von Enzymen hydrolysiert wird. Diese Energie treibt den Transport an. Das spielt vor allem in der Neurobiologie bei den Na+ / K+-Ionenpumpen eine große Rolle. 

Der sekundär aktive Transport nutzt den Konzentrationsgradienten einer Substanz für den Stofftransport einer anderen Substanz durch eine Membran aus. Dieser Gradient wurde zuvor allerdings über den primären Transport, also die Hydrolyse von ATP-Molekülen aufgebaut. Wichtig ist, dass du den sekundär aktiven Transport nicht mit der erleichterten Diffusion verwechselst! 

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Membrantransport durch Proteinkanal, Transportproteine, Aquaporine, Ionenpumpen und Rezeptorproteine

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