Biomembran
Wie eine Biomembran aufgebaut ist und welche Funktionen sie in der Zelle erfüllt, zeigen wir dir hier und im Video!
Inhaltsübersicht
Biomembran einfach erklärt
Die Biomembran ist eine flexible Hülle der Zellen. Sie grenzt einerseits die Zelle nach außen ab — dann nennst du sie Zellmembran — andererseits trennt sie Zellbereiche innerhalb der Zelle. So umschließt sie beispielsweise Zellorganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten oder den Golgi-Apparat.
Biomembranen kommen in eukaryotischen Zellen (z. B. von Menschen, Tieren und Pflanzen) und in prokaryotischen Zellen (Bakterien, Archaeen) vor.
Die Biomembran ist eine flüssige Doppelschicht. Sie besteht dabei aus zwei Lagen sogenannter Phospholipide. In und auf dieser Doppelschicht befinden sich außerdem Membranproteine und Kohlenhydrate.
Eine Hauptaufgabe der Biomembran ist der Stofftransport in der Zelle. Außerdem kann sie geschlossene Räume bilden. Darin können dann Stoffe gespeichert werden (z. B. in der Vakuole) oder Reaktionen ablaufen (z. B. in den Mitochondrien.)
Biomembranen sind flexible Trennschichten. Sie trennen zum einen verschiedene Bereiche innerhalb der Zelle voneinander ab und bilden zum anderen eine Grenze zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung. Durch ihre halbdurchlässige Struktur ermöglichen sie zahlreiche Stoffwechselprozesse und lebenswichtige Vorgänge in der Zelle.
Biomembran Aufbau
Eine Biomembran ist immer eine in sich geschlossene Struktur, die einen Raum umhüllt. Außerdem sind biologische Membranen asymmetrisch aufgebaut: eine Seite ist dem Cytoplasma zugewandt (= plasmatische Seite), die andere ist ihm abgewandt (= extraplasmatische Seite).
Der Aufbau einer Biomembran wird unter anderem im Flüssig Mosaik Modell dargestellt. Demnach besteht sie 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.
Sehen wir uns die einzelnen Bestandteile der Biomembran jetzt einmal genauer an!
Membranlipide
Membranlipide sind kleine Lipide, die aus zwei Teilen bestehen:
- Hydrophiler (wasserliebender) Kopfteil
- Hydrophober (wassermeidender) Schwanzteil
Einen solchen Aufbau nennst du amphipathisch. In wässrigen Umgebungen bilden Membranlipide Doppelschichten aus. Du sprichst auch von der Phospholipid-Doppelschicht. Diese Schicht bildet die „Basis“ einer Biomembran.
Dabei lagern sich die hydrophoben Schwanzgruppen im Inneren aneinander. Die hydrophilen Kopfgruppen orientieren sich nach außen zu den Wassermolekülen.
Du unterscheidest drei Hauptgruppen von Membranlipiden:
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Phospholipide
Diese Lipide machen den größten Teil der Biomembran aus. Je nach chemischer Struktur kommen zwei Arten von Phospholipiden oft außen an der Biomembran vor: Die Phosphoglyceride und die Sphingomyeline. Letztere kommen vor allem in den Zellmembranen von Nervenzellen vor.
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Glykolipide
An die Glykolipide der Biomembran sind Kohlenhydrate gebunden. Diese Kohlenhydrateinheiten befinden sich außerhalb der Membran und dienen als Erkennungssignal für Wechselwirkungen zwischen Zellen.
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Cholesterin
Cholesterin ist ein Steroid, das vor allem in Biomembranen von tierischen Zellen zu finden ist. Umso mehr Cholesterin vorhanden ist, umso starrer wird die Membran. Somit beeinflusst Cholesterin die Fluidität (Flüssigkeit/Beweglichkeit) der Biomembran.
Membranproteine
Neben den Membranlipiden sind in Biomembranen auch verschiedene Proteine enthalten. Sie sind unter anderem für den Stofftransport über die Membranen zuständig. Du unterscheidest vor allem zwischen zwei Arten von Membranproteinen:
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Integrale Proteine
Diese Proteine sind entweder in die Membran eingebettet oder durchdringen sie komplett. Je nach Aufbau unterteilst du sie noch weiter. Dabei unterscheidest du unter anderem zwischen Kanalproteinen, Transmembranproteinen und Rezeptorproteinen.
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Periphere Proteine
Solche Proteine liegen auf der äußeren oder inneren Schicht der Membran auf, durchdringen sie jedoch nicht. Du bezeichnest sie auch als angelagerte oder membranständige Proteine. Periphere Proteine binden dabei entweder an integrale Proteine oder an Phospholipidmoleküle.
Flüssig Mosaik Modell
Das Flüssig Mosaik Modell ist ein Modell, das den Aufbau von Biomembranen erklärt. Demnach 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. Den Vorgang bezeichnest du auch als laterale Diffusion. Diese Fließfähigkeit (= Fluidität) der Membran variiert je nach Temperatur oder Zusammensetzung der Fettsäuren. Je höher die Fluidität, desto dünnflüssiger und damit durchlässiger ist die Biomembran.
Kompartimentierung
Biomembranen unterteilen die Zelle in verschiedene Kompartimente, also abgegrenzte Reaktions- oder Speicherräume mit spezifischen Eigenschaften. Diese Kompartimente ermöglichen es der Zelle, unterschiedliche Prozesse gleichzeitig und ungestört ablaufen zu lassen.
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.
Selektive Durchlässigkeit (Semipermeabilität)
Die Biomembran ist semipermeabel, was bedeutet, dass sie nur für bestimmte Moleküle durchlässig ist. Für welche Stoffe sie durchlässig (= permeabel) sind, hängt vor allem von deren Molekülgröße und Polarität bzw. Ladung ab.
Kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff (
) oder Kohlenstoffdioxid (
) und kleine polare Moleküle wie Harnstoff können beispielsweise ungehindert durch die Doppelschicht wandern. Große Stoffe oder Ionen werden dagegen normalerweise von Biomembranen aufgehalten.
Membrantransport
Für Stoffe, die die Lipiddoppelschicht nicht direkt durchdringen können, gibt es eine andere Lösung. Spezielle integrale Membranproteine wie Kanal- oder Transportproteine sorgen dafür, dass sie dennoch in die Zelle gelangen können.
Hier ist manchmal ein passiver Transport entlang des jeweiligen Konzentrationsgefälles möglich. Alternativ ist ein aktiver Transport entgegen des Konzentrationsgradienten einer Substanz durchführbar. Beim passiven Transport wird keine von außen zugeführte Energie benötigt, beim aktiven Transport jedoch schon.
Reaktion auf externe Signale
Die Zellmembran enthält Rezeptoren, die Signale aus der Umgebung der Zelle aufnehmen. Diese Signale ermöglichen es der Zelle, auf Veränderungen zu reagieren — zum Beispiel durch eine Anpassung des Stoffwechsels oder die Freisetzung gespeicherter Stoffe.
Oberflächenvergrößerung
Eine weitere Funktion der Biomembranen ist es, mehr Oberfläche zu generieren. Das passiert durch kleine fadenförmige Ausstülpungen innerhalb der Membran, die Mikrovilli.
Die Oberflächenvergrößerung verbessert den Stoffaustausch und ist besonders in Zellen des Darms wichtig. So kann dort eine schnelle und effektive Nährstoffaufnahme erfolgen.
Zellverbindungen und Interaktion mit Nachbarzellen
Biomembranen ermöglichen die Bildung spezifischer Zellverbindungen, die essenziell für die Kommunikation und Stabilität zwischen benachbarten Zellen sind. Zu den wichtigsten Zellverbindungen gehören:
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Gap Junctions
Das sind Proteinkanäle kleine Kanäle aus Proteinen, die zwei benachbarte tierische Zellen direkt miteinander verbinden. Durch diese Kanäle können Ionen und kleine Moleküle schnell und ohne Umweg ausgetauscht werden.
Aufbau der Gap Junctions -
Desmosomen
Desmosomen wirken wie „Druckknöpfe“, die Zellen mechanisch zusammenhalten. Sie verbinden das Zytoskelett zweier benachbarter Zellen und verleihen Geweben wie der Haut oder dem Herzmuskel Festigkeit und Stabilität. So können die Zellen in diesen Geweben Zugkräften besser standhalten, ohne auseinandergerissen zu werden.
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Tight Junctions
Sie bilden eine dichte, reißverschlussartige Verbindung zwischen benachbarten Zellen. So verhindern sie, dass Substanzen unkontrolliert zwischen ihnen hindurchtreten. Diese Art von Verbindung ist in Epithelgeweben, wie denen im Darm, besonders wichtig. Das liegt daran, dass Tight Junctions die Zellen abdichten und den kontrollierten Transport von Stoffen über die Zellmembran ermöglichen.
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Glykokalyx
Diese Struktur bildet die äußerste Schicht und ist keine eigentliche Verbindung zwischen Zellen, sondern vielmehr eine Hülle. Sie sorgt für Erkennung von anderen Molekülen, Schutz vor Schäden und Kommunikationssignale.
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
- Die Vesikel und
- Die Plasmamembran
Biomembran — häufigste Fragen
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Was ist eine Biomembran? Biomembranen sind bewegliche Barrieren, die entweder das Innere der Zelle von der Außenwelt (als Zellmembran) oder verschiedene Bereiche innerhalb der Zelle voneinander trennen. Mithilfe spezieller Strukturen ermöglichen sie den Transport von Molekülen und Informationen von einer Seite der Membran auf die andere.
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Was ist der Aufbau von Biomembranen Biomembranen bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden. Sie haben wasseranziehenden (hydrophilen) Kopf, der aus einer Phosphatgruppe besteht und zwei wasserabweisende (hydrophobe) Kohlenwasserstoffketten, die als „Schwänze“ bezeichnet werden.
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Was ist die Funktion der Biomembran? Biomembranen spielen eine Rolle bei der Umwandlung von Energie, etwa beim Abbau von Kohlenhydraten und in der Photosynthese. Bei Eukaryoten läuft der Kohlenhydratabbau in den Mitochondrien ab, während die Photosynthese in den Chloroplasten stattfindet. -
Welche Biomembran Eigenschaften gibt es? Die Biomembran besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, in der bestimmte Proteine liegen. Sie ist semipermeabel und dient unter anderem der Kompartimentierung, Signalübertragung und dem Stofftransport. Außerdem ist die Biomembran asymmetrisch. Eine Seite zeigt zum Cytoplasma (P-Seite), die andere ist dem Cytoplasma abgewandt (E-Seite).
Stofftransport durch Biomembran
Durch eine Biomembran können nur bestimmte Stoffe wandern. Welche das sind und wie der Stofftransport durch die Biomembran genau funktioniert, erfährst du in diesem Video!
