Biomembranen

Alle pro- und eukaryotischen Zellen und die meisten Zellorganellen sind von einer Biomembran umschlossen.

Die Biomembranen sind die wichtigsten und grundlegendsten Strukturen jeder Zelle. Sie dienen zur Abgrenzung der Zelle nach außen (Diffusionsbarriere) und zur Aufteilung der eukaryotischen Zelle in einzelne Reaktionsräume oder Kompartimente.

Andererseits ermöglichen Biomembranen den gezielten Transport von anorganischen und organischen Ionen und Molekülen in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus. Erfolgt dieser Transport in Richtung eines bestehenden Gradienten (Konzentrationsgefälle oder Ladungsgefälle), spricht man von einem passiven Transport oder erleichterter Diffusion. Werden die Substanzen dagegen unter Energieaufwand gegen einen bestehenden Gradienten in die Zelle hinein- oder aus hier herausgepumpt, so liegt ein aktiver Transport vor.

Schließlich spielen Biomembranen eine wichtige Rolle bei bestimmten chemischen Reaktionsfolgen. In der Photosynthesemembran der Chloroplasten sind zum Beispiel bestimmte photosensible Pigmente (Chlorophyll, Carotin etc.) derart angeordnet, dass letzten Endes Protonen über die Membran hinweg von einem Kompartiment ins angrenzende Kompartiment gepumpt werden. Der so erzeugte Gradient ist schließlich der Antriebsmotor für die ATP-Synthese aus ADP und anorganischem Phosphat. Analoge Vorgänge laufen an der inneren Membran der Mitochondrien ab (Atmungskette).

Biomembranen spielen die Hauptrolle bei der Phagocytose und Pinocytose sowie bei den Exocytosen (zum Beispiel bei der Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Endigungen der Nervenzellen oder bei der Freisetzung von Hormonen wie Insulin). Auch beim Nahrungstransport innerhalb der Zelle haben aus Biomembranen bestehende Transportvesikel eine wichtige Funktion.

Schließlich sind Biomembranen mit ihren spezifischen Kohlenhydratmuster auf der Außenseite (Glycokalix) verantwortlich für den Mechanismus der Zellerkennung.

Grundaufbau einer Biomembran

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.