Biomembran – Aufbau und Funktion

Die Biomembran ist die äußere Begrenzung lebender Zellen, bestehend aus einer doppelten Phospholipidschicht mit Membranproteinen. Das Flüssig-Mosaik-Modell besagt, dass Lipide und Proteine sich frei bewegen. Entdecke, warum die Biomembran wichtig für die Zelle ist!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Biomembran

Wie ist die Biomembran gemäß dem aktuellen Modell aufgebaut?

Frage 1 von 5

Welches Modell war das erste, das die Biomembran als Lipideinzelschicht beschrieb?

Frage 2 von 5

Welches Modell beschreibt die Biomembran als eine Lipiddoppelschicht?

Frage 3 von 5

Was ist die Funktion der Biomembran in Zellen?

Frage 4 von 5

Welche Transportmechanismen werden von Biomembranen ermöglicht?

Frage 5 von 5

Biomembran im Überblick

  • Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht mit integralen oder auch peripheren Membranproteinen.

  • Das bis heute gültige Modell der Biomembran ist das Flüssig-Mosaik-Modell. Es besagt, dass sich sowohl die Lipide als auch die Membranproteine in der Doppelschicht frei bewegen.
  • Biomembranen trennen in der Biologie einzelne Zellen von anderen Zellen oder Zellgeweben nach außen hin ab. Innerhalb der Zelle umrahmen sie Zellkompartimente oder Zellorganellen und trennen sie so vom Cytoplasma.
Biomembran: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Biomembran – Definition

Biomembranen sind die äußere Begrenzung der lebenden Zellen (Zellmembran) und bestehen aus einer doppelten Phospholipidschicht. Phospholipide sind Lipide, die ein polares Köpfchen aus einer Phosphatgruppe besitzen. Im Inneren der Zelle umgeben die Lipiddoppelschichten die Zellorganellen und trennen diese so vom Cytoplasma ab und schaffen Zellkompartimente. In die flüssige Phospholipiddoppelschicht sind verschiedene Membranproteine integriert, die vor allem eine Rolle beim Transport verschiedener Stoffe in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus oder bei der Signalweiterleitung spielen.

Biomembran – Modelle

Biomembranen bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden. Wie genau aber eine Biomembran aufgebaut ist, dazu entstanden im Laufe der Zeit unterschiedliche Theorien. Bis heute werden diese fortlaufend aktualisiert.

Monolayer-Modell (Langmuir, 1917) einfach erklärt

Bei diesem Modell ging man davon aus, dass es sich bei Biomembranen um eine Lipideinzelschicht (Monolayer) handelte. Die hydrophilen Köpfchen der Lipide zeigen nach dieser Theorie in Richtung Wasser. Der hydrophobe Lipidrest blieb zunächst unberücksichtigt.

Bilayer-Modelle (Gorten und Grendel, 1925)

Das Monolayer-Modell wurde schnell modifiziert. Es stellte sich heraus, dass es sich bei der Biomembran nicht um eine Einzelschicht aus Phospholipiden handelte, sondern um eine Lipiddoppelschicht. Dabei zeigen die hydrophoben Reste der Lipide in das Innere der Membran und die hydrophilen Köpfchen zeigen nach außen zum Wasser.

Biomembran – Sandwich-Modell (Danielli und Davson, 1950)

Das Bilayer-Modell wurde im Laufe der Zeit weiter modifiziert. Nach dem sogenannten Sandwich-Modell wurde die Phospholipiddoppelschicht beidseitig von starren Membranproteinen eingerahmt. Man ging davon aus, dass die Membranproteine ausschließlich hydrophilen Charakter besaßen.

Biomembran – Flüssig-Mosaik-Modell  (Singer-Nicolson-Modell/Eddin, 1972–heute)

Das Flüssig-Mosaik-Modell ist das bis heute gültige Modell. Die Phospholipiddoppelschicht enthält sowohl hydrophile als auch hydrophobe Membranproteine. Manche Membranproteine vereinen beide Eigenschaften. Die Biomembranen befinden sich in einem ständigen Fluss. Darin bewegen sich die Lipide und die Membranproteine frei. Eingeschränkt werden sie nur durch ihre Interaktion untereinander. 

Im Folgenden findest du die beschrifteten Biomembran-Modelle skizzenhaft wieder.

Biomembran: Modelle

Feinbau der Biomembran

Alle Biomembranen bestehen aus einer Phospholipiddoppelschicht, in die unterschiedliche Membranproteine wie beispielsweise Tunnelproteine oder Signalproteine integriert sind. Dabei findet man Kohlenhydratstrukturen extrazellulär sowohl an bestimmte Lipide (Glykolipide) als auch an Proteine (Glykoproteine) gebunden.

Biomembran – Bestandteile und Eigenschaften

Membransysteme bestehen aus vielen einzelnen Bestandteilen. Die Doppelmembran grenzt die Zelle nach außen hin zu anderen Zellbereichen ab und schafft im Zellinneren durch die Abgrenzung bestimmter Bereiche vom Cytoplasma Zellkompartimente (Zellorganelle, Vakuolen), die unterschiedliche Funktionen besitzen.

Biomembran – Membranlipide

Man unterscheidet bei den Membranlipiden drei große Gruppen: die Phospholipide, die Glykolipide und das Cholesterin, die unterschiedliche Funktionen besitzen. Bei den Phospholipiden unterscheidet man zwischen Phosphogylceriden und Sphingomyelinen (Biomembran der Nerzenzellen). Glykolipide findet man in den meisten Geweben. Ihr Kohlenhydratanteil kommt auf der extrazellulären Seite vor. Sie sind häufig durch ihren Kohlenhydratanteil an Zell-Zell-Interaktionen beteiligt. Cholesterin kommt in den meisten tierischen Zellmembranen vor und unterstützt die Membranfluidität.

Biomembran – Membranproteine

Biomembranen enthalten verschiedene Proteine wie integrale oder periphere Membranproteine. Sie besitzen unterschiedliche Funktionen wie beispielsweise den Stofftransport durch die Biomembran.

Biomembran – Transportmechanismen

Biomembranen sind semipermeabel. Sie sind selektiv permeabel für kleinere Moleküle wie Harnstoff, für größere Moleküle und Ionen sind sie allerdings undurchlässig. Für den Transport nicht permeabler Substanzen über die Membran sind bestimmte integrale Membranproteine (Kanal- oder Transportproteine) verantwortlich. 

Bei den Transportmechanismen unterscheidet man zwei Möglichkeiten: den aktiven und den passiven Transport. Der aktive Transport verschiedener Substanzen verläuft entgegen dem Konzentrationsgefälle unter Energieaufwand. 

Beim passiven Transport diffundieren kleine Moleküle wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid entlang des Konzentrationsgefälles ohne Energieaufwand durch die Membran (einfache Diffusion). In einigen Fällen werden bestimmte kleine Moleküle wie Ionen auch passiv ohne Energieaufwand über Ionenkanäle oder Carrier (Transmembranproteine) über die Membran transportiert (erleichterte Diffusion). 

Beim aktiven Stofftransport werden Ionen und größere Moleküle aktiv entgegen dem Konzentrationsgefälle über die Membran gebracht. 

Beim primär aktiven Stofftransport stellt die Zelle direkt ATP zur Verfügung und transportiert beispielsweise Stoffe wie Natrium oder Kalium entgegen dem Konzentrationsgefälle mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe (Membranprotein) über die Membran. Die im Konzentrationsgefälle gespeicherte Energie kann entweder von der Zelle in ATP umgesetzt werden oder wiederum für den Stofftransport eines anderen Moleküls genutzt werden. Letzteres wird als sekundär aktiver Stofftransport bezeichnet.

Für den Transport größerer Partikel werden diese von der Biomembran umhüllt und ins Zellinnere gebracht (Endozytose). Der weitere Transport geschieht über Vesikel. Die Endozytose ebenso wie der umgekehrte Vorgang, die Exozytose, sind aktive Transportvorgänge, die also unter Energieaufwand stattfinden. 

Ein Teil des Stofftransports wird vom Endomembransystem übernommen. Das Endomembransystem umfasst Biomembranen der inneren Zellkompartimente wie beispielsweise den Golgi-Apparat, das endoplasmatische Retikulum oder die Vakuolen. Sie stehen untereinander in Verbindung oder der Stofftransport zwischen ihnen wird von Vesikeln übernommen.

Die folgende Tabelle fasst nochmals den Stofftransport der Zelle über die semipermeable Biomembran zusammen:

Stofftransport Passiver Transport Aktiver Transport
kleine hydrophobe Moleküle (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid), kleine polare Moleküle einfache Diffusion über Biomembran entlang Konzentrationsgefälle
größere polare Moleküle (Aminosäuren, Zucker wie Glucose) und Ionen erleichterte Diffusion (durch Membranproteine) entlang Konzentrationsgefälle
große Moleküle und Ionen
  • Primärer Transport (Verbrauch von ATP) entgegen dem Konzentrationsgefälle
  • Sekundärer Transport (Nutzung gespeicherter Energie)
größere Partikel (Phagozytose), gelöste Stoffe (Pinozytose) Endozytose (Phago- und Pinozytose)  Exozytose

Häufig gestellte Fragen zum Thema Biomembran

Die Biomembran grenzt einzelne Zellen gegenüber anderen Zellen oder Geweben ab und trennt das Innere der verschiedenen Zellorganellen vom Cytoplasma ab. Außerdem ist sie für den passiven und aktiven Stofftransport wichtig.

Die Zellmembran ist die äußere Begrenzung einer Zelle. Im Inneren trennt sie Zellkompartimente vom Cytoplasma ab. Sie spielt außerdem eine Rolle bei Transportvorgängen.

Biomembranen kommen in allen lebenden Zellen vor. Sie grenzen als Zellmembran die einzelnen Zellen nach außen hin ab oder umgeben die Zellorganellen im Cytoplasma. Sie sind semipermeabel und dienen dem Transport und Austausch von Stoffen.

Im Laufe der Zeit hat es verschiedene Membran-Modelle gegeben, die fortlaufend weiterentwickelt wurden: vom Monolayer-, über das Bilayer- und Sandwich-Modell bis hin zum heute noch aktuellen Flüssig-Mosaik-Modell.

Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht mit integralen oder peripheren Proteinen, die sich frei in der Membran bewegen. Sowohl Lipide als auch Proteine können extrazellulär unterschiedliche Kohlenhydratstrukturen besitzen.

In wässriger Umgebung lagern sich die hydrophoben Schwänze innen aneinander und die hydrophilen Köpfchen weisen nach außen zum Wasser.

Jede Biomembran besitzt eine Seite, die nach außen zur extrazellulären Seite zeigt, und eine Seite, die nach innen zum Cytoplasma weist.

Wichtige Zellorganellen mit Biomembran sind beispielsweise die Mitochondrien, der Golgi-Apparat, das endoplasmatische Retikulum, der Zellkern oder Vakuolen und Vesikel.

Die semipermeable Biomembran ist für kleine Moleküle durchlässig. Für den Austausch von größeren Molekülen oder Ionen werden Transportproteine benötigt.

Größere Moleküle oder Ionen werden unter Verbrauch von ATP und unter Verwendung eines Transportproteins wie Ionenkanal oder Carrier über die Membran transportiert. 

Ist beim Stofftransport ein Konzentrationsgefälle unter Verwendung von ATP in der Zelle entstanden, kann die im Gradienten gespeicherte Energie für den weiteren Transport von Molekülen durch die Membran mittels Transportproteinen genutzt werden.

Ja, Endo- und Exozytose finden unter Energieaufwand statt.

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