Biomembran – Bedeutung für die Zelle

Biomembran – Bedeutung für die Zelle Übung

• Bestimme die Funktionen einer Biomembran für die Zelle.

  Tipps

  Stell dir die Biomembran als Meer mit Eisbergen vor. Die Lipiddoppelschicht ist in dem Fall das Meer, während die Eisberge die Membranproteine darstellen.

  Lösung

  Die Biomembran erfüllt für eine Zelle zahlreiche Funktionen. Zunächst grenzt sie eine Zelle ab und ermöglicht so einen regulierten Reaktionsraum im Inneren. Sie reguliert ganz genau, welche Stoffe in diesem Raum hinein und heraus dürfen. Zudem enthält sie zahlreiche Rezeptoren und Signalstrukturen zur Erkennung von Hormonen und anderen Zellen. Sie regelt daher auch die Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung. Da die Biomembran jedoch eher zähflüssig ist, erfüllt sie keine direkte Schutzfunktion gegen mechanische Außeneinwirkungen. Pflanzen besitzen hierfür eine zusätzliche stabile Zellwand, während Tiere kompakte Zellverbände bilden, die sich gegenseitig stabilisieren und an Skelettstrukturen befestigt sind.

• Beschreibe, welche Stoffe ungehindert durch die Biomembran hindurch gelangen und welche nicht.

  Tipps

  Lipophile Stoffe sind fettlöslich, hydrophile Stoffe sind wasserlöslich.

  Hormone sind meist sehr große Molekül.

  Lösung

  Die Regulation des Stofftransportes ist eine der wichtigsten Aufgaben der Biomembran. Sie reguliert, welche Stoffe in eine Zell hineinkommen und welche Stoffe herauskommen. Sie lässt dabei nur bestimmte Stoffe passieren, man sagt auch, die Biomembran ist semipermeabel. Für manche Stoffe ist die Membran jedoch sehr gut durchlässig. Diese diffundieren ganz einfach durch sie hindurch. Hierzu zählen vor allem kleine Moleküle, Gase, Wasser und lipophile Stoffe. Werden die Stoffe jedoch zu groß oder haben sie eine Ladung wie Ionen, benötigen sie bestimmte Kanäle zum Transport in die Zelle. Wasserlösliche Stoffe kommen ebenfalls nur schlecht durch die Membran, sofern sie nicht sehr kleine Moleküle wie das Wasser selbst sind.

• Ermittle die Eigenschaften der Biomembran.

  Tipps

  Natrium-Ionen gelangen nur sehr schwer durch die Membran und benötigen diesen Kanal, um in die Zelle zu gelangen.

  Hormone sind Botenstoffe.

  Lösung

  Die Aufgaben einer Biomembran sind vielseitig. So regulieren sie zunächst den Stofftransport, indem sie nur bestimmte Stoffe hinein- oder hinaustransportieren. Zudem sitzen in ihr Proteine und Kohlenhydratketten, die zum einen den gezielten Stofftransport ermöglichen, zum anderen aber auch die Zellkommunikation gewährleisten. Einige Proteine in der Membran sind auch für wichtige Stoffwechselvorgänge wie die Photosynthese oder der Zellatmung notwendig. Die Membran dient diesen Proteinen als Gerüst. Außerdem erkennt die Membran Botenstoffe wie Hormone, um Signale auch von entfernten Zellen und Geweben zu empfangen und eine spezifische Reaktion auszulösen.

• Charakterisiere die Eigenschaften der Stoffe anhand ihrer Fähigkeit zur Diffusion durch die Biomembran.

  Tipps

  Überlege dir zunächst, welche Eigenschaften Stoffe haben, die leicht durch die Membran diffundieren können.

  Die Biomembran ist innen lipophil.

  Lösung

  Die Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht und ist semipermeabel. Im Inneren ist die Membran sehr lipophil, stößt hydrophile Stoffe also ab. Welche Stoffe gut durch die Membran gelangen und welche nicht, ist gut an den Eigenschaften der jeweiligen Stoffe einzuschätzen. Generell diffundieren sehr kleine Stoffe wie Gase sehr gut durch die Membran, egal ob sie lipophil oder hydrophil sind. Je größer die Stoffe werden, umso schwieriger gelangen sie durch die Membran. Große Moleküle gelangen nur leicht durch die Membran, wenn sie einen starken lipophilen Charakter besitzen und daher nicht vom Inneren der Membran abgestoßen werden. Eine große Barriere für den Stofftransport durch die Biomembran, stellt jedoch eine Ladung dar. Egal ob positiv geladen oder negativ, sobald ein Stoff eine Ladung trägt (wie Ionen), gelangt er nur sehr schwer durch die Biomembran. Solche Stoffe und große Moleküle benötigen Hilfsstrukturen, die ihren Transport ermöglichen. Diese Transportkanäle sind in die Membran gelagert und sehr spezifisch für eine bestimmte Stoffgruppe.

• Bestimme die richtige Grundstruktur der Biomembran.

  Tipps

  Das Zellinnere ist hydrophil.

  Lösung

  Die Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. Es lagern sich immer zwei Phospholipide zusammen. Ein einzelnes Phospholipid besteht aus nur einem hydrophilen (Wasser liebenden) Kopf und zwei lipophilen (Fett liebenden) Schwänzen. Diese beiden Komponenten werden in einer Molekülstruktur zusammengehalten, obwohl sich hydrophile und lipophile Stoffe eigentlich abstoßen. Das Medium in einer Zelle ist hydrophil. Darum lagern sich die Phospholipide der ersten Schicht mit ihren hydrophilen Köpfen auch in in Richtung des Zellinneren an. Dadurch strecken sie ihre lipophilen Schwänze nach außen. Die zweite Schicht der Phospholipide lagert sich daher so an, dass sie die lipophilen Schwänzen in Richtung der ersten Phospholipidschicht ausrichten. Ihre hydrophilen Köpfe ragen deshalb von der der Schicht der Phospholipide weg.

• Leite aus den Graphen Aussagen zur einfachen Diffusion und zum spezifischen Transport ab.

  Tipps

  Proportional bedeutet, dass sich Werte immer im selben Verhältnis zueinander verändern. Wird der deine Wert verdoppelt, verdoppelt sich auch der andere Wert.

  Beim spezifischen Transport müssen Stoffe erst an einen Carrier binden und dann wieder abgegeben werden, bevor ein neuer Stoff gebunden werden kann.

  Lösung

  Die Semipermeabilität der Biomembran beruht auf ihrer inneren Struktur. Stoffe, die leicht durch die Membran diffundieren, sind meist sehr klein oder lipophil, während andere Stoffe besondere Hilfsstrukturen benötigen. Bei der einfachen Diffusion bewegt sich ein Stoff vom Ort der geringen Konzentration zur hohen Konzentration. Je höher die Differenz der beiden Konzentrationen, umso schneller bewegen sich die Stoffe hindurch. Eine doppelt so hohe Differenz, führt zu einer doppelt so hohen Geschwindigkeit. Geschwindigkeit und Konzentrationsdifferenz verhalten sich proportional. Carrier sind hingegen solche Hilfsstrukturen, die eine bestimmte Stoffgruppe zunächst binden, durch die Membran schleusen und wieder frei geben. Erst dann können sie ein neues Molekül dieser Stoffgruppe binden. Je mehr Carrier in der Membran vorhanden sind, umso schneller kann dieser Stoff daher durch die Membran geschleust werden. Wenn alle Carrier jedoch an ihrer maximalen Arbeitsgeschwindigkeit angelangt sind, ist die Transportgeschwindigkeit maximal. Auch eine höhere Konzentration erhöht dann die Transportgeschwindigkeit nicht mehr.