Biomembran: Definition und Aufbau

Eine Biomembran ist eine universelle Struktur in allen Zellen, die aus einer Phospholipid-Doppelschicht besteht und den Innenraum der Zelle vom Außenraum trennt oder einzelne Zellkompartimente abgrenzt.

Der Aufbau der Biomembran ist komplex und asymmetrisch:

• Eine Seite ist dem Cytoplasma zugewandt (plasmatische Seite), die andere abgewandt (extraplasmatische Seite).
• Die Hauptbestandteile sind eine flüssige Lipiddoppelschicht mit eingelagerten speziellen Proteinen.
• Integrale Proteine durchspannen die Lipiddoppelschicht oder dringen in sie ein.
• Periphere Proteine binden an integrale Proteine oder Phospholipidmoleküle.

Example: Kanalproteine und Transmembranproteine sind Beispiele für integrale Proteine, die für den Stofftransport über die Membranen zuständig sind.

Die Membranlipide, hauptsächlich Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin, haben einen amphipathischen Aufbau mit hydrophilen und hydrophoben Anteilen. In wässrigen Medien bilden sie Doppelschichten aus.

Vocabulary: Amphiphil bezeichnet Moleküle mit sowohl wasserliebenden (hydrophilen) als auch wassermeidenden (hydrophoben) Anteilen.

Das Flüssig-Mosaik-Modell beschreibt die Biomembran als flüssige Phospholipid-Doppelschicht mit eingelagerten Membranproteinen, die sich seitlich frei bewegen können (laterale Diffusion).

Biomembran Funktion

Biomembranen erfüllen zahlreiche lebenswichtige Funktionen:

• Kompartimentierung: Bildung abgegrenzter Reaktions- oder Speicherräume mit unterschiedlichen Eigenschaften.
• Selektive Durchlässigkeit: Kontrolle des Stoffaustauschs zwischen Zelle und Umgebung.
• Membrantransport: Gezielte Beförderung von Substanzen durch die Membran.
• Oberflächenvergrößerung: Erhöhung der Reaktionsfläche für biochemische Prozesse.

Example: Die Vakuole dient der Speicherung verschiedener Stoffe und der Regulation des Wasserhaushalts, während die Membranen von Mitochondrien oder Chloroplasten an der Energieumwandlung beteiligt sind.

Die Fluidität der Membran, die von Temperatur und Fettsäurezusammensetzung abhängt, beeinflusst ihre Durchlässigkeit und damit ihre Funktionen.

Highlight: Je größer die Fluidität, desto dünnflüssiger und durchlässiger ist die Biomembran.

Funktionen und Eigenschaften der Biomembran

Die Biomembran Aufgaben umfassen die Kompartimentierung von Zellbestandteilen, selektive Durchlässigkeit und verschiedene Transportmechanismen Biomembran.

Highlight: Die Fluidität der Membran ist temperaturabhängig und beeinflusst ihre Durchlässigkeit.

Example: Die Vakuole als Membran-umschlossenes Kompartiment dient der Speicherung verschiedener Stoffe und der Regulation des Wasserhaushalts.

Definition: Kompartimentierung bezeichnet die Bildung abgegrenzter Reaktions- oder Speicherräume mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Entdeckung der Biomembran-Struktur

Die Erforschung der Biomembran-Struktur erstreckte sich über mehrere Jahrzehnte und umfasste verschiedene Modelle und Erkenntnisse:

Gorter und Grendel untersuchten 1925 erstmals den Aufbau der Biomembran anhand von Erythrozyten-Membranen. Sie schlossen daraus, dass Zellmembranen aus einer Lipid-Doppelschicht bestehen, im Gegensatz zu künstlichen monomolekularen Schichten.

Highlight: Das Sandwich-Modell der Biomembran wurde als erste Vorstellung entwickelt.

Davson und Danielli erweiterten 1935 dieses Konzept. Sie erkannten, dass die hydrophile Oberfläche einer künstlichen Phospholipid-Doppelschicht weniger stark an Wasser haftet als eine biologische Membran. Daraus entwickelten sie die Hypothese, dass die Membran auf beiden Seiten von Proteinen mit hydrophilen Eigenschaften bedeckt ist.

Definition: Das Sandwich-Modell der Biomembran beschreibt eine Phospholipid-Doppelschicht zwischen zwei Schichten von Membranproteinen.

Elektronenmikroskopische Untersuchungen bestätigten später die dreischichtige Struktur der Plasmamembran, die als Einheits- oder Elementarmembran bezeichnet wurde.

In den 1960er Jahren führten Singer und Nicolson weitere Untersuchungen durch, die zu neuen Erkenntnissen führten:

1. Die Menge an isolierten Proteinen war größer als bei einer einfachen Lage beiderseits der Lipiddoppelschicht zu erwarten wäre.
2. Membranproteine zeigten schlechte Wasserlöslichkeit, was auf hydrophobe Bereiche im Inneren der Lipidschicht hindeutete.
3. Bestimmte Membranbestandteile, wie Blutgruppenantigene, kommen nur auf der Zellaußenfläche vor.
4. Nicht alle Membranen haben die gleiche Dicke.

Diese Erkenntnisse führten zur Entwicklung des Flüssig-Mosaik-Modells im Jahr 1972.

Vocabulary: Das Flüssig-Mosaik-Modell beschreibt Proteine als unregelmäßig in der Lipiddoppelschicht verteilt, nicht als flächige Schichten.