Biomembranen

Alle pro- und eukaryotischen Zellen und die meisten Zellorganellen sind von einer Biomembran umschlossen. Diese Zellmembran grenzt die Zelle nach außen ab und verhindert eine unkontrollierte Diffusion von Stoffen in die Zelle hinein oder aus ihr heraus.

Kompartimentierung der Zelle

Auch für die Kompartimentierung der Zelle spielen Biomembranen eine entscheidende Rolle. Durch die Membranen innerhalb der eukaryotischen Zelle werden Reaktionsräume, sogenannte Kompartimente erzeugt. In diesen Kompartimenten können unterschiedliche Stoffwechselprozesse gleichzeitig ablaufen, ohne sich gegenseitig zu stören. So können beispielsweise in einem Kompartiment Proteine durch bestimmte Enzyme in Aminosäuren zerlegt werden, während gleichzeitig in einem anderen Kompartiment Aminosäuren zu Proteinen zusammengebaut werden. Prokaryoten besitzen - bis auf ganz wenige Ausnahmen - keine Kompartimente.

Membranen als "Staumauern"

In die Mauer eines Stausees sind Generatoren eingebaut. Die Energie, die in dem aus der Staumauer herausschießendem Wasser steckt, wird durch die Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt. Membranen können vergleichbare Aufgaben übernehmen. Die Mitochondrien sind beispielsweise von zwei Membranen umgeben, einer äußeren und einer inneren. In dem Raum zwischen diesen beiden Membranen befindet sich eine hohe Konzentration an Protonen, während in der Mitochondrien-Matrix (im Innenraum also) die Protonenkonzentration geringer ist. Durch bestimmte Enzyme in der inneren Mitochondrienmembran strömen diese Protonen nun zurück in den Innenraum des Mitochondriums. Bei diesem Prozess wird die im Konzentrationsgradienten der Protonen gespeicherte Energie in chemische Energie umgewandelt, und zwar in Form von ATP, dem universellen Energieträger der Zelle.

Grundaufbau einer Biomembran / Membranmodelle

Alle Biomembranen der Zelle sind nach dem gleichen Grundprinzip aufgebaut. Betrachtet man Zellmembranen im Elektronenmikroskop, dann kann man einen dreischichtigen Grundaufbau erkennen: In der Mitte findet man eine helle Schicht von ca. 3 bis 4 nm Dicke. Diese elektronendurchlässige Schicht ist von zwei dunklen, elektronendichten Schichten von ca. 2 bis 3 nm Dicke umgeben. Auch die Membranen von Zellorganellen haben diese dreischichtige Struktur.

Bald erkannte man durch chemische Analysen, dass die helle mittlere Schicht aus Phospholipiden und anderen Lipiden besteht, während die beiden dunklen Linien vorwiegend aus Proteinen zusammengesetzt sind. Lange Zeit sprach man daher von einer Einheitsmembran (engl. unit membrane).

Heute weiß man, dass die mittlere helle Schicht eine Lipid-Doppelschicht ist, also aus zwei Schichten von Lipid-Molekülen besteht. Jedes Lipid-Molekül hat einen hydrophilen (wasserliebenden) und einen hydrophoben (wasserabweisenden) Pol. In der Lipid-Doppelschicht (engl.: lipid bilayer) liegen die hydrophoben "Schwänze" der Lipide einander gegenüber, während die hydrophilen "Köpfe" zum wässrigen Außenmedium bzw. zum wässrigen Cytoplasma weisen.

Die Lipide können sich innerhalb ihrer Schicht frei in zwei Richtungen bewegen, ein Wechsel der Lipidschicht ist dagegen nur mit Hilfe bestimmter Enzyme möglich und ein äußerst seltener Vorgang. Daher bezeichnet man die Lipid-Doppelschicht auch gern als zweidimensionale Flüssigkeit.

Die Proteine sind in die Lipid-Doppelschicht wie Mosaiksteinchen eingelagert, sie können sich in der Lipid-Doppelschicht wie Eisberge im Meer frei bewegen. Dieses seit 1972 gültige Modell der Zellmembran bezeichnet man als Flüssig-Mosaik-Modell (engl.: fluid mosaic model). Nach diesem Modell ist eine Biomembran kein starres Gebilde, sondern eine stark dynamische Struktur, die sich ständig verändert.

Seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts häufen sich Hinweise, dass es innerhalb einer Biomembran stark Cholesterin enthaltende und damit weniger flüssige Bereiche gibt, die sich wie Flöße auf einem See in der Membran bewegen. Das derart erweiterte Membranmodell bezeichnet man als Lipid-Floß-Modell (engl. lipid raft model).

Glycocalix

Neben den normalen Lipiden und Proteinen enthalten Biomembranen auch zahlreiche Glycolipide und Glycoproteine. Das sind Lipid- und Protein-Moleküle, die mit einer kurzen Kette aus Kohlenhydraten verbunden sind. Die Glycolipide und Glycoproteine finden sich fast ausschließlich auf der Außenseite der Zellmembran und verleihen der Zelle ein spezifisches Erkennungsmuster. Die menschlichen Blutgruppen A, B, AB und O sind beispielsweise auf solche Glycolipide und -proteine zurückzuführen. Auch bei der Kommunikation von Zellen untereinander spielen Glycolipide und -proteine eine wichtige Rolle.

Die Glycoproteine und -lipide können auf der Außenseite der Zellmembran so dicht stehen, dass man im Elektronenmikroskop eine dünne schleimige Schicht aus Kohlenhydraten auf der Membran erkennen kann. Diese Schicht wird als Glycocalix bezeichnet, was man ungefähr mit "Zuckerhülle" übersetzen könnte.

Membranfluss

Die Membranen einer Zelle stehen miteinander in Verbindung, allerdings nicht in direkter Form, sondern indirekt über Membran-Vesikel. Einige Zellorganellen wie zum Beispiel das endoplasmatische Reticulum oder die Dictyosomen des Golgi-Apparates können Bläschen abschnüren, die von einer Membran umgeben sind. Man bezeichnet solche Bläschen als Vesikel. Diese Vesikel können nun mit der Zellmembran oder mit der Membran anderer Organellen verschmelzen. Umgekehrt kann auch die Zellmembran Vesikel nach innen abschnüren, die ins Zellplasma wandern und dann mit anderen Organellen verschmelzen können. Diese Vorgänge bezeichnet man insgesamt als Membranfluss.