Aufbau und Aufgaben von Biomembranen
Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen und Zuckerketten; sie grenzen die Zelle ab, gliedern sie in Reaktionsräume und tragen Funktionen wie Transport, Synthese und Energieumwandlung.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht aus amphiphilen Lipiden mit eingelagerten Proteinen und außen gebundenen Zuckerketten (Flüssig-Mosaik-Modell).
- Die Lipidschichten halten durch zwischenmolekulare Kräfte und den hydrophoben Effekt des Wassers zusammen, nicht durch kovalente Bindungen.
- Tierische Membranen enthalten Cholesterol, pflanzliche Phytosterole; beide tragen Glykolipide und Glykoproteine, Muraminsäure und Teichonsäuren fehlen.
- Integrale Proteine sind eingebettet, als Tunnelproteine auch membrandurchspannend; periphere haften an der Oberfläche, andere sind über Lipidanker kovalent befestigt.
- Die Plasmamembran umgibt den Protoplasten pflanzlicher und tierischer Zellen; innere Membranen bilden Kompartimente und dienen der Energieumwandlung.
Worum es geht
Jede Zelle und jedes Organell ist von Biomembranen umgeben. Sie bestehen aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten und trennen Reaktionsräume voneinander. In der Pharmazie sind sie die Barriere, die ein Arzneistoff auf dem Weg zum Wirkort überwinden muss, und viele Arzneistoffe greifen an Membranproteinen an.
Lipiddoppelschicht
Das Grundgerüst jeder Biomembran ist die Lipiddoppelschicht. Ihre Lipide, vor allem Phospholipide, sind amphiphil. Sie tragen einen polaren Kopf und unpolare Fettsäureschwänze. Im wässrigen Milieu lagern sie sich von selbst zusammen: Die Köpfe zeigen zum Wasser, die Schwänze verbergen sich im Inneren.
Kovalente Bindungen zwischen den Lipiden gibt es nicht. Zwischenmolekulare Kräfte zwischen den Ketten ordnen die Schichten. Das umgebende Wasser stabilisiert sie über den hydrophoben Effekt. Eine Biomembran ist aber kein reiner Lipidfilm, denn in die Doppelschicht sind Proteine eingelagert.
Die Plasmamembran ist eine Einfachmembran aus einer Lipiddoppelschicht. Das gilt auch für das Plasmalemma pflanzlicher Zellen. Nur einige Organellen wie Mitochondrien, Plastiden und der Zellkern besitzen eine Doppelmembran.
Eine Lipiddoppelschicht ist eine Biomembran. Eine Doppelmembran besteht aus zwei Lipiddoppelschichten mit einem Zwischenraum, beim Mitochondrium dem Intermembranraum.
Wie Lipide, Proteine und Zucker zusammenwirken, beschreibt ein bis heute gültiges Modell.
Nach dem Flüssig-Mosaik-Modell (Singer und Nicolson, 1972) ist die Membran eine zweidimensionale Flüssigkeit aus Lipiden. Proteine sind darin wie Mosaiksteine eingelagert und können sich seitlich in der Membranebene bewegen.
Membranbestandteile
Den Hauptanteil der Lipide stellen Phospholipide. Dazu gehören die Phosphoglyceride und Sphingolipide wie das Sphingomyelin. Fettsäuren kommen also gebunden in diesen Lipiden vor. Hinzu kommen Sterole, die die Fluidität der Membran regulieren. Proteine sind der zweite große Bestandteil, Aminosäuren finden sich in der Membran daher gebunden.
Viele Lipide und Proteine sind glykosyliert. Als Glykolipide und Glykoproteine tragen sie Oligosaccharidketten auf der Außenseite. So enthalten Membranen auch Kohlenhydrate. Bei tierischen Zellen bilden diese Zuckerketten die Glykocalyx.
| Bestandteil | Tierische Membran | Pflanzliche Membran |
|---|---|---|
| Phospholipide | Phosphoglyceride, Sphingomyelin | Phosphoglyceride, Sphingolipide |
| Sterole | Cholesterol | Phytosterole wie Sitosterol |
| Glykosylierte Bausteine | Glykolipide, Glykoproteine | Glykolipide, Glykoproteine |
| Besonderheit | keine | lipidlösliche Farbstoffe wie Chlorophylle und Carotinoide |
Einige Stoffe gehören zu Zellwänden, nicht zu Membranen. Muraminsäure und Teichonsäuren sind Bausteine der bakteriellen Zellwand und fehlen in Membranen von Eukaryoten. N-Acetylglucosamin baut Murein und Chitin auf. In Membranen ist es kein eigenständiger Baustein und taucht höchstens in Zuckerketten von Glykoproteinen auf. Auch RNA gehört nicht zur Membran.
Membranproteine
Membranproteine lassen sich nach ihrer Verankerung einteilen. Integrale Membranproteine sind in die Lipiddoppelschicht eingebettet. Ihre hydrophoben Bereiche liegen zwischen den Fettsäureketten. Manche ragen nur in eine Membranhälfte. Andere durchspannen als Tunnelproteine die gesamte Membran und bilden Poren für den Stofftransport.
Periphere Membranproteine sitzen dagegen an der Oberfläche. Sie haften über ionische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken an Lipidköpfen oder integralen Proteinen. Eine dritte Gruppe ist kovalent an Lipide gebunden, etwa über einen GPI-Anker oder eine Prenylgruppe. Sie ist so in einer Membranhälfte verankert.
Nicht alle Proteine bewegen sich frei. In Epithelzellen halten Tight Junctions und das Cytoskelett viele Proteine in bestimmten Bereichen fest. Deshalb unterscheiden sich apikale und basolaterale Membran.
Die Proteine bestimmen, was eine Membran kann. Sie transportieren Stoffe, empfangen Signale oder katalysieren als Enzyme und Enzymkomplexe Synthesen. Baut die Zelle neue Proteine ein oder tauscht sie aus, ändert sich die Funktion der Membran.
Aufgaben von Biomembranen
Die Plasmamembran umgibt den Protoplasten jeder eukaryotischen Zelle, ob pflanzlich oder tierisch. Sie begrenzt das Cytoplasma nach außen. Bei Pflanzen und Pilzen liegt ihr eine Zellwand auf. Diese ist selbst keine Lipidmembran, sondern ein festes Polysaccharidgeflecht.
Im Inneren teilen Membranen die Zelle in Kompartimente. Das sind abgegrenzte Reaktionsräume mit eigener Zusammensetzung. Man kann sich die Zelle wie eine Fabrik mit getrennten Werkhallen vorstellen. Abbau im Lysosom und Synthese am ER laufen so nebeneinander, ohne sich zu stören. Die einzelnen Organellen behandelt die Übersicht zu den Kompartimenten.
Membranen sind außerdem Orte der Energieumwandlung. In der inneren Mitochondrienmembran baut die Atmungskette einen Protonengradienten auf. Die ATP-Synthase nutzt ihn zur ATP-Bildung. Ähnlich arbeiten die Thylakoidmembranen der Chloroplasten bei der Photosynthese.
Quiz
Aussage 1
In pflanzlichen Membranen übernehmen Phytosterole wie Sitosterol die Rolle, die in tierischen Membranen Cholesterol spielt.
Beide Membrantypen enthalten Sterole: tierische Cholesterol, pflanzliche Phytosterole.
Aussage 2
Die innere Mitochondrienmembran ist ein Beispiel dafür, dass Biomembranen an der Energieumwandlung beteiligt sind.
Dort baut die Atmungskette einen Protonengradienten auf, den die ATP-Synthase zur ATP-Bildung nutzt.
Aussage 3
Periphere Membranproteine sind über einen GPI-Anker kovalent in der Lipiddoppelschicht befestigt.
Periphere Proteine haften nichtkovalent über ionische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken an der Oberfläche. GPI-verankerte Proteine bilden die Gruppe der lipidverankerten Proteine.
Aussage 4
Das Plasmalemma einer Pflanzenzelle ist eine Doppelmembran aus zwei Lipiddoppelschichten.
Das Plasmalemma ist eine Einfachmembran aus einer Lipiddoppelschicht. Doppelmembranen haben nur einige Organellen wie Mitochondrien, Plastiden und Zellkern.
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