Biomembran – Bedeutung für die Zelle

Biomembran – Bedeutung für die Zelle Übung

• Gib den Aufbau eines Membranlipids wieder.

  Tipps

  Membranlipide sind die Grundbausteine einer Biomembran. Sie bilden in wässriger Umgebung eine Lipid-Doppellschicht.

  Membranlipide bestehen aus zwei Teilen:
  

  • aus einem fettähnlichen Teil, der Wasser abstößt (hydrophob) und
  • aus einem Phosphatrest, der Wasser anzieht (hydrophil).

  Ein Begriff ist falsch und bleibt übrig.

  Lösung

  Membranlipide bilden in wässriger Umgebung eine Lipid-Doppellschicht.

  Sie bestehen aus zwei Teilen:
  

  • ein fettähnlicher Teil, der Wasser abstößt (hydrophob), ein unpolarer Schwanz und
  • ein Phosphatrest, der Wasser anzieht (hydrophil), ein polarer Kopf.

  
  Deswegen werden sie auch als Phospholipide bezeichnet.

• Beschreibe den Aufbau einer Biomembran genauer.

  Tipps

  Der wasserliebende Teil der Membranlipide weist nach außen.

  Lipophil bedeutet fettliebend und hydrophil bedeutet wasserliebend.

  Lösung

  Biomembranen sind aus Membranlipiden, den sogenannten Phospholipiden aufgebaut. In wässriger Umgebung ordnen sie sich in einer Lipid-Doppelschicht an, wobei die lipophilen Schwänze nach innen und die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen.

  In der Biomembran befinden sich verschiedene Proteine. Viele integrale Proteine durchspannen die Lipid-Doppelschicht und werden als Transmembranproteine bezeichnet. Dagegen sitzen periphere Proteine nur an der Innen- oder Außenseite der Membran. An einigen Proteinen oder Lipiden befinden sich Kohlenhydratketten, sie werden dann als Glykoproteine oder Glykolipide bezeichnet.

• Erkläre die verschiedenen Funktionen der Biomembran.

  Tipps

  Hier siehst du verschiedene Membranproteine, die für die selektive Permeabilität der Biomembran verantwortlich sind.

  Glykolipide oder Glykoproteine befinden sich auf der Außenseite eukaryotischer Zellen.
  
  

  • Glykoproteine spielen eine Rolle bei der Erkennung körpereigener und körperfremder Zellen, z. B. im Immunsystem.
  • Glykolipide sind unter anderem wichtig für die Bestimmung der Blutgruppen, etwa im AB0-System.

  Lösung

  Der Aufbau der Biomembran verrät einiges über ihre Funktion:
  
  1.$~$Die Biomembran ist eine Grenzschicht. Sie grenzt nicht nur verschiedene Zellen voneinander ab, sondern auch unterschiedliche Zellräume innerhalb einer Zelle – wie z. B. Zellorganellen – von ihrer Umgebung. In den unterschiedlichen Zellräumen können dann ganz verschiedene Reaktionen ablaufen.
  
  2.$~$Der Stoffaustausch zwischen den Kompartimenten einer Zelle oder zwischen der Zelle und ihrer Umgebung wird durch die Membranproteine geregelt. Dadurch wird die Biomembran selektiv permeabel.
  

  • Transmembranproteine bilden häufig Transporttunnel und werden dann auch als Kanalproteine bezeichnet. Sie ermöglichen bestimmten Stoffen, die Membran zu passieren. Das können zum Beispiel bestimmte Ionen sein, sodass deren Ein- und Ausstrom von der Zelle reguliert werden kann. Solche Kanalproteine kennst du bestimmt von der Signalweiterleitung in Nervenzellen.
  • Auch spezielle Ionenpumpen sind am Stoffaustausch beteiligt. Sie können Ionen sogar unter Energieaufwand gegen ein Konzentrationsgefälle transportieren.
  • Einige Membranproteine sind Rezeptoren. Sie können Stoffe, zum Beispiel Hormone, an der Zelloberfläche binden und das Signal ins Zellinnere weiterleiten. Dort wird dann eine bestimmte Reaktion ausgelöst, zum Beispiel die Aktivierung einer Enzymfunktion.
  • Außerdem können Periphere Membranproteine beispielsweise für Kontakte zu anderen Zellen zuständig sein.

  
  3.$~$Verschiedene Kohlenhydrate, die sowohl mit Membranlipiden als auch mit Membranproteinen verbunden sein können, dienen der Zell-Zell-Erkennung. Man nennt sie Glykolipide bzw. Glykoproteine.
  
  4.$~$Von der Zellmembran können kleine Membranbläschen (Vesikel) abgeschnürt werden, die später zu sogenannten Endosomen werden. So können Stoffe aus der Umgebung in die Zelle aufgenommen werden – das nennt man Endozytose.
  Ähnlich funktioniert es auch umgekehrt: Bei der Exozytose verschmelzen Vesikel aus dem Zellinneren mit der Membran und geben ihren Inhalt nach außen ab.

• Vergleiche die verschiedenen Transmembranproteine miteinander.

  Tipps

  Hier siehst du beispielsweise eine Natrium-Kalium-Pumpe, die entgegen einem Konzentrationsgefälle Ionen transportiert. Dies ist wichtig für den Erhalt des Ruhepotentials.

  Hier siehst du die Umwandlung eines extrazellulären Signals (Bindung eines Hormons) in eine intrazelluläre Reaktion.

  Jedem Transmembranprotein werden zwei Eigenschaften zugeordnet.

  Lösung

  Die verschiedenen Transmembranproteine besitzen unterschiedliche Funktionen in der Biomembran:
  
  

  • Häufig findest du Transporttunnel, die auch als Kanalproteine bezeichnet werden. Sie ermöglichen beispielsweise verschiedenen Stoffen (z. B. Ionen) entlang des Konzentrationsgefälles die Membran zu passieren (passiver Transport). Dabei kann der Ein- und Ausstrom von der Zelle reguliert werden. Bei der Signalweiterleitung in Nervenzellen sind dir solche Kanalproteine bestimmt schon einmal begegnet.

  
  

  • Auch spezielle Ionenpumpen sind am Stoffaustausch beteiligt. Sie können Stoffe (z. B. Ionen) sogar gegen ein Konzentrationsgefälle transportieren (aktiver Transport). Sie sind beispielsweise bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials in Nervenzelle beteiligt.

  
  

  • Einige Membranproteine sind Rezeptoren. Sie können Stoffe, zum Beispiel Hormone, an der Zelloberfläche binden und das Signal ins Zellinnere weiterleiten. Dort wird dann eine bestimmte Reaktion ausgelöst, zum Beispiel die Aktivierung von Enzymfunktionen.

• Überprüfe die Aussagen über das Flüssig-Mosaik-Modell.

  Tipps

  Eine Antwort ist falsch.

  Lösung

  Das Flüssig-Mosaik-Modell stammt von Singer und Nicolson aus dem Jahr 1972. Es dient auch heute noch als Grundlage für aktuelle Modelle.

  Die Wissenschaftler stellten sich eine flexible Lipid-Doppelschicht vor, in der Proteine wie Mosaiksteine schwimmen.

  Aktuelle Modelle wie das Lipid-Raft-Modell beschreiben, dass sich manche Lipide und Proteine zu kleinen, stabilen Bereichen zusammenlagern, die sich jeweils in ihrer Funktion unterscheiden können.

• Vergleiche Seifen und Phospholipide.

  Tipps

  Hier siehst du eine typische Micelle aus einzelnen Seifen-Molekülen, die in ihrem lipophilen Inneren beispielsweise Fettpartikel einschließen können.

  Eine Antwort ist falsch.

  Lösung

  Seifen- und Phospholipid-Moleküle sind amphiphil: Sie besitzen einen hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und einen hydrophoben (wasserabweisenden) Schwanz.

  ABER: Sie unterscheiden sich im Aufbau – und dadurch auch in ihren Eigenschaften:
  

  Ein Seifenmolekül besitzt nur einen Fettsäure-Rest. In wässriger Umgebung bilden sie deshalb bevorzugt Micellen: Dabei zeigen die polaren Köpfe nach außen ins Wasser und die hydrophoben Schwänze (Fettsäure-Reste) nach innen. So lassen sich z. B. Fette beim Waschen gut lösen.

  Ein Phospholipid-Molekül besitzt dagegen zwei Fettsäure-Reste. Aufgrund des Platzbedarfs ist eine Mizellenbildung schwieriger. Stattdessen lagern sich die Moleküle nebeneinander an und bilden stabile Lipid-Doppelschichten – wie sie in Biomembranen vorkommen.