Biomembranen: Aufbau, Funktionen und Transportmechanismen

Funktionen von Biomembranen

• Reaktionsraum
• Abgrenzung
• Gezielter Stofftransport
• Informationsaustausch
• Bereitstellung von Oberfläche

Aufbau von Biomembranen

Biomembranen bestehen aus Lipiden und Proteinen. Membranen in lebenden Zellen werden als Biomembranen bezeichnet. Sie schaffen eine räumliche Trennung sowohl zu benachbarten Zellen als auch innerhalb der Zellorganellen. Dadurch entstehen getrennte Reaktionsräume, in denen verschiedene Reaktionsbedingungen herrschen können.

Phospholipide als Hauptbestandteil

Die vorherrschenden Lipide in Zellen sind die Phospholipide. Ihr Aufbau gliedert sich in einen Kopf- und einen Schwanzbereich. Der Schwanzbereich ist hydrophob und unpolar, während der Kopfbereich hydrophil und polar ist.

Membrantransport

Die Bildung von Reaktionsräumen oder Kompartimenten durch Membranen ist eine Voraussetzung für einen kontrollierten Ablauf der Stoffwechselreaktionen einer Zelle.

Membranen müssen daher für bestimmte Stoffe besonders gut durchlässig sein. Es gibt verschiedene Transportmechanismen:

1. Freie Diffusion

Lipidähnliche, unpolare Moleküle können Membranen relativ leicht aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit den Membranlipiden durchdringen, indem sie zwischen den sich ständig in Bewegung befindlichen Membranlipiden hindurch diffundieren. Die Membran stellt für solche Stoffe keine Barriere dar. Dies gilt auch für kleine, polare und ungeladene Moleküle.

2. Erleichterte Diffusion

Die erleichterte Diffusion erfolgt durch Tunnelproteine und Carrierproteine. Sie ermöglicht den Transport von Stoffen bis zu einer bestimmten Größe.

3. Aktiver Transport

Der aktive Transport erfolgt über Carrierproteine entgegen dem Konzentrationsgefälle. Man unterscheidet:

• Primär aktiver Transport: Transport unter direktem ATP-Verbrauch.
• Sekundär aktiver Transport: Cotransport mit Teilchen, die entlang des Gradienten diffundieren (Symport und Antiport).

4. Endo- und Exozytose

Diese Mechanismen dienen dem Transport größerer Partikel oder Flüssigkeiten:

• Phagozytose: Aufnahme fester Partikel.
• Pinozytose: Aufnahme von Flüssigkeitstropfen.
• Rezeptorvermittelte Endozytose: Rezeptorproteine binden bestimmte Stoffe, die dann in einem Coated Vesicle (mit Proteinen an der Außenseite) aufgenommen werden.

Valinomycin-Experiment

Für Ionen und große polare Moleküle stellt die Lipiddoppelschicht aufgrund ihres hydrophoben Charakters eine Barriere dar.

Ein dünner Lipidfilm trennt zwei wässrige Phasen voneinander. Eine davon enthält gelöste Kaliumionen, die andere nicht. Injiziert man Valinomycin in den Lipidfilm, steigt nach einiger Zeit die elektrische Leitfähigkeit auf der Seite an, auf der vor Versuchsbeginn keine Kaliumionen vorhanden waren.

Warum steigt die Leitfähigkeit?

Bei Zugabe von Valinomycin gelangen K+-Ionen durch die Membran, daraus folgt ein Anstieg der Leitfähigkeit.

Valinomycin besitzt polare und unpolare Molekülteile. Es bildet eine Mizelle, bei der die hydrophoben Seitenketten nach außen ragen und die polaren Molekülteile nach innen zeigen. Diese gehen Wechselwirkungen mit den K+-Ionen ein und schließen sie ein.

Membranfluss

Unter Membranfluss versteht man das ständige Ineinanderübergehen der Biomembranen einiger Organellen und der Zellmembran.