Selektive Permeabilität, Wasser und Osmose
Welche Stoffe eine Lipiddoppelschicht ohne Hilfe passieren und wie Wasser osmotisch zwischen Lösungen wandert.
Das Wichtigste in Kürze
- Selektive Permeabilität heißt: Eine Biomembran lässt manche Stoffe frei passieren, hält andere zurück und vermittelt über Membranproteine einen gezielten Stoffaustausch.
- Kleine apolare und lipophile Stoffe wie \(\ce{O2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{NO}\), Ethanol, Benzol und Cortisol diffundieren rasch durch eine reine Lipiddoppelschicht.
- Ionen wie \(\ce{Na+}\) und \(\ce{HCO3-}\) passieren sie praktisch nicht, Glucose und Alanin nur sehr langsam. Geladene organische Moleküle brauchen Transportproteine.
- Wasser durchdringt die Lipiddoppelschicht auch ohne Aquaporine, aber nur eingeschränkt.
- Die Osmolarität zählt alle gelösten Teilchen, auch Nichtelektrolyte. Ein Polysaccharid wirkt schwächer als die gleiche Masse seiner Monomere.
- Tierische Zellen halten ihr Volumen, indem sie ihre Osmolarität angleichen. In hypotoner Lösung hämolysieren Erythrocyten.
Worum es geht
Ob ein Stoff eine Zellmembran ohne Hilfe überwindet, hängt vor allem von Größe, Polarität und Ladung ab. Diese Regeln erklären, warum lipophile Arzneistoffe wie Steroidhormone leicht in Zellen gelangen. Sie erklären auch, warum Infusionslösungen isoton sein müssen.
Barriere und Stoffaustausch
Eine Biomembran trennt Kompartimente, schließt sie aber nicht vollständig ab. Sie ist selektiv permeabel: Manche Stoffe passieren frei, andere kaum. Damit erfüllt die Lipiddoppelschicht zwei Aufgaben zugleich. Als Diffusionsbarriere hält sie wasserlösliche Stoffe weitgehend zurück. Über ihre Transportfunktion vermittelt sie einen selektiven Stoffaustausch.
Diesen Austausch leisten nicht die Lipide allein. Membranproteine sind aktiv beteiligt: Sie erkennen bestimmte Biomoleküle und schleusen sie gezielt hindurch, über Kanäle und Carrier oder unter Energieaufwand. Man kann sich die Membran wie eine Stadtmauer mit bewachten Toren vorstellen.
Semipermeabilität meint streng eine Membran, die das Lösungsmittel durchlässt und gelöste Teilchen zurückhält. Auf Biomembranen übertragen heißt das aber nicht, dass nur Wasser frei diffundiert. Gase und lipophile Stoffe passieren ebenso.
Durchlässigkeit der Lipiddoppelschicht
Diffusion ist die Nettobewegung von Teilchen durch ihre Wärmebewegung, von höherer zu niedrigerer Konzentration. Ein Stoff muss sich dafür kurz im hydrophoben Kern der Membran lösen. Deshalb diffundiert er umso schneller, je kleiner und lipophiler er ist. Ladung bremst am stärksten, denn die Hydrathülle eines Ions passt nicht in den Kohlenwasserstoffkern.
| Stoffgruppe | Beispiele | Durchtritt durch reine Lipiddoppelschicht |
|---|---|---|
| kleine apolare Gase | \(\ce{O2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{NO}\) | sehr rasch |
| lipophile Moleküle | Benzol, Ethanol, Cortisol | rasch |
| kleine polare Moleküle | Wasser | eingeschränkt |
| größere polare Moleküle | Alanin, Glucose | sehr langsam |
| Ionen | \(\ce{Na+}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{HCO3-}\) | praktisch nicht |
Unter den ungeladenen Stoffen ist Glucose am langsamsten. Geladene organische Moleküle gelangen nur mithilfe von Transportproteinen hindurch. Cholesterol macht die Membran für kleine wasserlösliche Moleküle nicht durchlässiger, sondern dichtet sie eher ab (Membranfluidität). Gase passieren auch Doppelmembranen wie die der Mitochondrien.
Wird im Examen gerne gefragt: Sauerstoff passiert eine synthetische Lipiddoppelschicht schneller als Ionen, Aminosäuren und Glucose. Achte darauf, dass Ethanol, Benzol und Cortisol zu den schnellen Stoffen gehören.
Klein und fettlöslich geht durch. Groß, polar oder geladen braucht ein Protein.
Wasser und Osmose
Wasser ist polar, aber sehr klein. Es durchdringt deshalb auch eine reine Lipiddoppelschicht ohne Kanäle, allerdings nur eingeschränkt. Viele Zellen beschleunigen den Fluss mit Aquaporinen. Daher sind Plasmamembranen verschiedener Zellen unterschiedlich stark wasserpermeabel.
Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran zur Seite mit mehr gelösten Teilchen. Die Osmolarität gibt die Stoffmenge osmotisch wirksamer Teilchen je Liter Lösung an (osmol/L).
Ist die Osmolarität beiderseits ungleich, herrscht auf beiden Seiten ein unterschiedlicher osmotischer Druck. Im U-Rohr strömt Wasser zur Zuckerlösung. Deren Spiegel steigt, bis der hydrostatische Gegendruck den Einstrom ausgleicht.
Entscheidend ist die Teilchenzahl, nicht die Ladung. Auch Nichtelektrolyte wie Glucose wirken daher osmotisch. \(\ce{NaCl}\) zerfällt in zwei Teilchen: 0,15 mol/L ergeben rund 0,3 osmol/L, etwa die Osmolarität des Blutplasmas. Ein Polysaccharid wie Glykogen wirkt viel schwächer als die gleiche Masse Glucose, weil es nur ein einziges Riesenmolekül ist.
Tierische Zellen haben keine Zellwand. Sie halten ihr Volumen konstant, indem sie ihre Osmolarität an die umgebende Flüssigkeit angleichen. In hypotoner Lösung schwellen Erythrocyten an und hämolysieren. In hypertoner Lösung schrumpfen sie zur Stechapfelform. Pflanzenzellen reagieren anders, siehe Zentralvakuole.
Osmose ist ein Sonderfall passiven Transports, aber kein Synonym dafür. Passiver Transport umfasst jeden Durchtritt entlang eines Gradienten, Osmose nur den Wasserfluss.
Quiz
Aussage 1
Semipermeabel bedeutet bei Biomembranen, dass ausschließlich Wasser frei hindurchdiffundiert.
Auch Gase wie \(\ce{O2}\) und lipophile Stoffe diffundieren frei durch Biomembranen.
Aussage 2
Von \(\ce{O2}\), Ethanol, Wasser und Glucose permeiert Wasser eine synthetische Lipiddoppelschicht am langsamsten.
Am langsamsten ist Glucose als großes polares Molekül. Wasser passiert eingeschränkt, aber schneller.
Aussage 3
Ein Gramm Glykogen trägt weniger zur Osmolarität einer Lösung bei als ein Gramm Glucose.
Die Osmolarität hängt von der Teilchenzahl ab. Ein Polysaccharid liefert bei gleicher Masse viel weniger Teilchen.
Aussage 4
Cortisol diffundiert als lipophiles Steroid ohne Transportprotein rasch durch eine reine Lipiddoppelschicht.
Cortisol ist lipophil und löst sich gut im hydrophoben Membrankern.
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