Biomembran – Aufbau und Funktion

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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: