Die Biomembran
- Im elektronenmikroskopischen Bild der Biomem-bran sind drei Schichten erkennbar: Eine mittlere helle Schicht (ca. 3 nm) wird von zwei dunklen Schichten (je ca. 2,5 nm) umgeben.
- Die Lipid-Doppelschicht besteht größtenteils aus amphiphilen/bipolaren/zweipoligen Phospholipid-Molekülen. Diese besitzen eine hydrophile Kopfgruppe und eine hydrophobe Schwanzgruppe. Der Fettsäurenanteil ist unpolar/hydrophob/lipophil, der Phosphorylcholin-Anteil ist polar/hydrophil/lipophob. Zentraler Baustein der Lipide ist der dreiwertige Alkohol Glycerin. Mit diesem sind drei Säuremoleküle verestert: Zwei Fettsäuren – ihre langen Kohlenwasserstoffketten bilden den unpolaren Schwanz – und eine polare Phosphatgruppe mit einem Rest – sie bildet den polaren Kopf.
- Das (von Singer und Nicolson entworfene) Flüssig-Mosaik-Modell besagt, dass die Lipide und Proteine beweglich sind. Die Lipid-Doppelschicht verhält sich wie eine zähe Flüssigkeit, die Lipidmoleküle können sich parallel zur Membranebene leicht bewegen, auch die Proteinmoleküle können ihre Lage verändern. Der Transport geht vor allem durch Tunnelproteine, die Kanäle durch die Membran bilden. Der Membran aufgelagerte Proteine und Kohlenhydrate fungieren oft als Rezeptoren.
Wissensteil:
Biomembranen sind häutchenartige Strukturen des Cytoplasmas, die lebende Zellen umgeben und das Cytoplasma durchziehen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen lassen einen dreischichtigen Aufbau erkennen: zwei dunkle äußere Schichten sind je ca. 2,5nm dick, die mittlere helle Schicht ist etwas dicker.
Biomembranen bestehen zum größten Teil aus Phospholipiden. Lipide sind fettähnliche Stoffe. Sie sind in Wasser unlöslich, in organischen Lösungsmitteln lösen sie sich gut. Das wichtigste Molekül der Membran ist das Phospholipid Lecithin: An zwei C-Atomen des Glycerinmoleküls sind Fettsäuren mit langen Kohlenwasserstoffketten (Palmitin und Ölsäure) angekoppelt, das dritte C-Atom trägt Phosphorylcholin (s.Abb.1). Dieses Molekül ist bipolar (zweipolig): Der Fettsäurenanteil ist unpolar (hydrophob), der Phosphorylcholin Anteil ist polar (hydrophil). Eine Lipid-Doppelschicht ist nahezu undurchlässig für Wasserteilchen und wasserlösliche Moleküle, gleichzeitig aber sehr flexibel.
Werden Lipide mit Wasser kurz geschüttelt, so bilden sich kleine Tröpfchen, die Micellen. Die polaren Molekülteile sind dem Wasser zugewandt, die unpolaren zeigen nach innen. Die Lipidmoleküle bilden kugelförmige Vesikel. Das Vesikel stellt das Grundmodell einer Biomembran dar (s.Abb.2). 1935 stellten DANIELLI und DAVSON das klassische „Sandwich“Modell zum Bau der Biomembran vor: Die Biomembran besteht aus einer bimolekularen Lipidschicht . Die unpolaren (hydrophoben) Schwänze der Lipide stehen sich gegenüber, die polaren (hydrophilen) Köpfe sind von Proteinen überzogen. Periphere Proteine sind der LipidDoppelschicht aufgelagert. Andere sitzen in der Membran: Die meisten von ihnen sind am Stoffaustausch durch die Membran beteiligt. Tunnelproteine reichen durch die Membran hindurch und bilden Kanäle. Kohlenhydrate befinden sich überwiegend auf der Außenseite der Zelle, sie sind an Lipide oder Proteine gebunden. Das VitaminEMolekül (Tocopherol) ist ein Antioxidans, es schützt die ungesättigten Kohlenwasserstoffketten der Phospholipide vor der Zerstörung durch freie Radikale. Das Flüssig-Mosaik-Modell (fluid mosaic model) wurde 1972 von SINGER und NICOLSON entworfen. Globuläre Proteinmoleküle „schwimmen“ in einem zweilagigen Lipidfilm. Dieser verhält sich wie eine zähe Flüssigkeit; die Lipidmoleküle sind parallel der Membranebene beweglich, auch die Proteinmoleküle können ihre Lage verändern (s.Abb.3).
Biomembranen haben vor allem zwei Funktionen: Sie trennen Reaktionsräume und sie verbinden Reaktionsräume.
- Als semipermeable Strukturen stellen sie Diffusionsbarrieren dar und halten ein Konzentrationsgefälle zwischen verschiedenen Zellkompartimenten aufrecht.
- Sie dienen der Transportvermittlung und regulieren den Stoffaustausch zwischen den Zellkompartimenten.
