Biomembranen

Aufbau und Bestandteile

Biomembranen bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden und Proteinen. Die Phospholipide ordnen sich aufgrund ihrer Eigenschaften in einer Doppelschicht an, die die Stabilität und Flexibilität der Membran bestimmt. Proteine spielen eine entscheidende Rolle bei der Funktionalität der Biomembran und werden in integrale und periphere Proteine unterteilt. Integrale Proteine durchqueren die Lipiddoppelschicht oder sind teilweise darin eingebettet, was ihnen eine feste Verankerung ermöglicht, aber auch seitliche Bewegungen in der Membran erlaubt. Diese Proteine können als Kanäle oder Carrier fungieren.
Periphere Proteine binden an die Phospholipide oder integrale Proteine der Membran. Kohlenhydratketten, die mit Proteinen oder Lipiden außerhalb der Membran verbunden sind, bilden einen Kohlenhydratmantel (Glykokalyx), der eine Rolle bei der Zellerkennung spielt. Zudem können bis zu 25% Cholesterin in den Membranen tierischer Zellen enthalten sein, was verhindert, dass die Biomembranen bei niedrigen Temperaturen zu steif werden.

Fluidität

Die Fluidität der Biomembran ist entscheidend für das Funktionieren von Zellen. Sie ermöglicht die Bewegung von Lipidmolekülen und Proteinen innerhalb der Membran, was für die Diffusion von Molekülen, die Bewegung von Proteinen und die Signalübertragung von großer Bedeutung ist. Die Fluidität wird von Faktoren wie der Lipidzusammensetzung, der Temperatur und dem Cholesteringehalt beeinflusst. Eine optimale Fluidität ist wichtig, da eine zu hohe oder zu niedrige Fluidität die Zellfunktion beeinträchtigen kann. Daher regulieren Zellen die Fluidität ihrer Biomembranen, um eine effiziente Funktionsweise sicherzustellen.

Transportvorgänge

Der Transport von Stoffen in und aus Zellen ist lebenswichtig und erfolgt über kontrollierte Mechanismen. Die Zellmembran fungiert als Grenze, die den Austausch von Substanzen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung reguliert. Dabei nehmen Zellen Nährstoffe wie Zucker oder Proteine auf und scheiden Abbauprodukte aus. Kleine Moleküle wie Sauerstoff oder Kohlendioxid können durch die Membran mühelos diffundieren, was als einfache Diffusion bekannt ist.

• Membrantransportproteinen:
  Membranproteine spielen eine entscheidende Rolle beim Transport größerer oder geladener Moleküle sowie Ionen durch die Zellmembran. Diese Proteine sind spezialisiert auf bestimmte Molekülklassen oder Ionenarten wie zum Beispiel Natrium-Ionen. Es gibt zwei Haupttypen von Membrantransportproteinen: Kanäle und Carrier (Transporter). Kanalproteine können sich öffnen und schließen, um selektiv den Durchtritt bestimmter Teilchen zu erlauben. Carrier-Proteine besitzen spezifische Bindungsstellen für einzelne Moleküle oder Ionen und ermöglichen einen gezielten Transport.
• Aktiver Transport:
  Beim aktiven Transport werden Teilchen von Regionen niedriger zu Regionen hoher Konzentration durch Membranen transportiert, wofür Energie erforderlich ist. Bestimmte Transportmoleküle können Moleküle oder Ionen entweder in die gleiche Richtung (Symport) oder in entgegengesetzte Richtungen (Antiport) transportieren.
  Es gibt zwei Arten von aktivem Transport: primärer aktiver Transport, bei dem die benötigte Energie direkt aus ATP gewonnen wird, und sekundärer aktiver Transport, bei dem die Energie indirekt bereitgestellt wird. Beim sekundären aktiven Transport ist der Transport von Teilchen gegen den Konzentrationsgradienten gekoppelt, wodurch Teilchen von Regionen mit hoher zu Regionen mit niedriger Konzentration transportiert werden.
• Passiver Transport:
  Beim passiven Transport strömen Teilchen von Regionen hoher zu Regionen niedriger Konzentration. Ein Beispiel dafür ist die einfache Diffusion durch eine Membran. Obwohl Wassermoleküle auf diesem Weg die Zellmembran durchqueren können, geschieht dies langsam und ineffektiv. Für einen schnellen und effizienten Transport von Wasser sind jedoch ständig geöffnete, hochselektive Wassertransportkanäle (Aquaporine) entscheidend.

Endo- und Exocytose

• Endocytose:
  Endocytose ist der Prozess, bei dem Zellen Material aus ihrer Umgebung aufnehmen, indem sie es in Vesikel einschließen. Dies ermöglicht die Aufnahme von Nährstoffen, die Regulation von Signalwegen und die Beseitigung von Fremdstoffen aus der Zelle. Dabei stülpt sich die Zellmembran ein, um ein Vesikel zu bilden, das dann in das Zellinnere transportiert wird, wo sein Inhalt weiterverarbeitet werden kann.
  

  Abb. 2: Ablauf der Endocytose
• Exocytose:
  Exocytose ist der Prozess, durch den Zellen Stoffe aus ihrem Inneren freisetzen, indem mit Stoffen beladene Vesikel mit der Zellmembran fusionieren. Dies ermöglicht wichtige biologische Funktionen wie die Freisetzung von Neurotransmittern, Hormonen und Verdauungsenzymen.
  

  Abb. 3: Ablauf der Exocytose

Rotkohlversuch

• Beschreibung des Experiments:
  Beim Rotkohlversuch wird Rotkohlsaft als Indikator verwendet, um den pH-Wert von Lösungen zu bestimmen. Wenn der pH-Wert einer Lösung verändert wird, ändert sich die Farbe des Rotkohlsafts aufgrund der darin enthaltenen Anthocyane.
• Anwendung auf Membranmodelle:
  Membranmodelle, wie zum Beispiel das Fluid-Mosaik-Modell, setzen eine lipiddoppelschichtige Struktur voraus, in der Proteine eingebettet sind. Diese Modelle gehen davon aus, dass die Membran selektiv permeabel ist und den Transport von Molekülen ermöglicht. Der Rotkohlversuch kann verwendet werden, um die Permeabilität von Biomembranen für Protonen und andere Ionen zu untersuchen. Durch Variation des pH-Werts der Lösung auf beiden Seiten der Membran und Beobachtung der Farbänderung des Rotkohlsafts kann man Rückschlüsse auf die Permeabilität der Membran ziehen.