Biologie · Klasse 11–12 · aktualisiert
Biomembran: Aufbau, Funktion und Transport
Wie ist eine Biomembran gebaut, und was kann sie leisten? Du lernst Doppelschicht, Membranproteine und Transportwege kennen.
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Kurz gesagt
Eine Biomembran ist eine bewegliche Phospholipid-Doppelschicht mit Proteinen und weiteren Bestandteilen. Sie trennt wässrige Räume und regelt Stofftransport und Signale. Die Zellmembran ist die Biomembran an der Außenseite einer Zelle.
Eine Biomembran besteht aus einer beweglichen Phospholipid-Doppelschicht, Proteinen und weiteren Bestandteilen. Sie grenzt wässrige Räume ab, regelt den Stoffaustausch und vermittelt Signale. Die äußere Biomembran einer Zelle heißt Zellmembran oder Plasmamembran. Hier erschließt du zuerst den Bau und vergleichst danach verschiedene Transportwege.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Zellen und viele Zellorganellen enthalten wässrige Räume. Damit diese Räume voneinander getrennt bleiben, braucht die Membran einen besonderen Grundbaustein: das Phospholipid. In Wasser richten sich die hydrophilen Köpfe zu den wässrigen Räumen. Die hydrophoben Schwänze wenden sich vom Wasser ab und einander zu. So entsteht spontan eine Phospholipid-Doppelschicht: Außen liegen auf beiden Seiten die hydrophilen Köpfe. Im Inneren treffen die hydrophoben Schwänze aufeinander. Der hydrophobe Innenbereich wirkt als Barriere für viele wasserlösliche oder geladene Stoffe.
Definition
Amphipathisches Phospholipid
Ein Phospholipid besitzt zwei unterschiedliche Bereiche: einen hydrophilen, also wasserliebenden Kopf und hydrophobe, also wassermeidende Schwänze. Ein Molekül mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Bereich heißt amphipathisch.
Beispiel: Tonoplast zwischen zwei wässrigen Räumen
- 1Der Tonoplast umschließt die Vakuole einer Pflanzenzelle. Wasser befindet sich in der Vakuole und im Zellplasma.
- 2Die Köpfe seiner Phospholipide zeigen auf beiden Seiten zum Wasser.
- 3Die Schwänze liegen im Inneren der Membran einander zugewandt. So trennt der Tonoplast die beiden Räume.
Merke: Hydrophile Köpfe zeigen zum Wasser, hydrophobe Schwänze zueinander. Dadurch trennt die Doppelschicht zwei wässrige Räume.
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Die Biomembran ist keine starre Wand. Das Flüssig-Mosaik-Modell beschreibt eine bewegliche Lipiddoppelschicht, in der verschiedene Proteine mosaikartig verteilt sind. „Flüssig“ bedeutet: Viele Lipide und Proteine können sich seitlich in der Membran bewegen. Diese laterale Diffusion macht die Membran flexibel. Ihre Fluidität hängt unter anderem von der Temperatur, der Fettsäurezusammensetzung und bei tierischen Membranen vom Cholesterin ab. „Mosaik“ bedeutet: Unterschiedliche Proteine übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Integrale Proteine sind teilweise eingebettet oder durchspannen die Membran vollständig. Dazu gehören Kanäle, Transporter, Pumpen und Rezeptoren. Periphere Proteine liegen einer Membranseite auf, ohne die Doppelschicht zu durchdringen. Lipidverankerte Proteine sind über ein Lipid an der Membran befestigt. Auf der Außenseite können Kohlenhydratketten sitzen: an Lipiden als Glykolipide, an Proteinen als Glykoproteine. Diese Strukturen unterstützen Schutz, Zellerkennung und Kommunikation. Gemeinsam können sie Teil der Glykokalyx, einer kohlenhydratreichen Außenschicht, sein. Biomembranen sind asymmetrisch: Innen- und Außenseite besitzen nicht zwangsläufig dieselben Bestandteile. Kohlenhydratketten befinden sich beispielsweise auf der Außenseite der Zellmembran.
Beispiel
- 1Ein Kanalprotein durchspannt die Membran und bildet einen Weg für bestimmte Teilchen.
- 2Ein Rezeptorprotein bindet dagegen ein passendes Signalmolekül.
- 3Beide sind Proteine im Membranmosaik, erfüllen aber verschiedene Funktionen.
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Biomembranen grenzen Reaktions- und Speicherräume ab. Diese Kompartimentierung ermöglicht verschiedene Bedingungen und Prozesse innerhalb einer Zelle. Zwei Stoffwechselreaktionen mit unterschiedlichen Bedingungen können in getrennten membranumhüllten Räumen ablaufen, ohne einander zu stören; ausgewählte Stoffe werden dennoch ausgetauscht. Die Membran der Pflanzenvakuole heißt Tonoplast.
Biomembranen sind selektiv permeabel: Die Durchlässigkeit hängt unter anderem von Größe, Polarität und Ladung eines Teilchens ab. Rezeptoren binden passende Signalmoleküle und können Zellreaktionen auslösen. Kohlenhydratstrukturen unterstützen die Zellerkennung. Spezialisierte Zellkontakte verbinden oder dichten Nachbarzellen ab oder ermöglichen den Austausch kleiner Teilchen. Mikrovilli vergrößern im Darm die Membranoberfläche und damit die Fläche für die Aufnahme von Nährstoffen.
Für einen Transportweg prüfst du, ob ein Stoff den hydrophoben Membrankern direkt passieren kann, in welche Richtung das Konzentrationsgefälle weist und ob Protein oder Energie nötig sind. Ein Konzentrationsgefälle bedeutet unterschiedliche Konzentrationen auf beiden Seiten. Kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid können direkt durch die Lipidschicht von hoher zu niedriger Konzentration diffundieren. Ionen und viele größere oder polare Stoffe benötigen ein Kanal- oder Transportprotein. Entlang des Gefälles ist das erleichterte Diffusion. Gegen das Gefälle braucht aktiver Transport Energie: Eine Pumpe kann ATP direkt nutzen; sekundär aktiver Transport nutzt einen zuvor aufgebauten Gradienten. Bei der Endozytose schnürt sich ein Vesikel ins Zellinnere ab; bei der Exozytose verschmilzt es mit der Zellmembran und gibt Inhalt ab. Auch dafür ist Energie nötig.
| Weg | Protein oder Membranform | Richtung und Energie |
|---|---|---|
| Einfache Diffusion | kein Transportprotein | entlang des Gefälles; keine zusätzliche Energie |
| Erleichterte Diffusion | Kanal oder Transporter | entlang des Gefälles; keine zusätzliche Energie |
| Aktiver Transport | Pumpe oder Transporter | gegen das Gefälle; Energie nötig |
| Vesikeltransport | Membran bildet oder verschmilzt mit Vesikeln | größere Fracht; Energie nötig |
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Ein Stoffname allein verrät den Transportweg nicht. Kleine unpolare Moleküle können die Lipiddoppelschicht direkt passieren. Geladene, große oder stark polare Stoffe brauchen meist ein passendes Protein. Entlang des Konzentrationsgefälles kann der Transport passiv sein; entgegen dem Gefälle wird Energie benötigt. Für Ionen beeinflusst zusätzlich die elektrische Spannung die Richtung. Die einfachen Beispiele betrachten Fälle ohne entgegenwirkende elektrische Spannung. Größere Teilchen oder Stoffmengen können in Vesikeln befördert werden.
Ein polares Zuckermolekül, das außen höher konzentriert ist als innen, benötigt für die Aufnahme in die Zelle einen passenden Transporter. Entlang des Gefälles ist sein Weg erleichterte Diffusion.
Transporter sind spezifisch: Ein Stoff muss zur Bindungsstelle passen. Seine Bindung kann eine Konformationsänderung auslösen; die Formänderung bringt ihn auf die andere Membranseite. Das Flüssig-Mosaik-Modell beschreibt den typischen Grundaufbau, aber Biomembranen unterscheiden sich in Zusammensetzung, Proteinverteilung und Fluidität. Bei Archaeen kommt als Sonderfall auch eine Lipidmonoschicht vor.
Beispiel: Große Fracht benötigt ein Vesikel
- 1Ein großes Teilchen soll von außen in eine Zelle aufgenommen werden.
- 2Es passt weder direkt durch die Lipidschicht noch durch einen Kanal für kleine Teilchen.
- 3Die Membran kann das Material umschließen und als Vesikel nach innen abschnüren. Das ist Endozytose und benötigt Energie.
Merke: Kleine unpolare Moleküle können die Lipiddoppelschicht direkt passieren. Geladene, große oder stark polare Teilchen benötigen meist ein passendes Protein. Entlang des wirksamen Gefälles kann der Transport passiv erfolgen; entgegen dem Gefälle ist eine Energiequelle nötig. Größere Teilchen oder Stoffmengen können in Vesikeln befördert werden.
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Alles auf einen Blick
Biomembran
Aufbau
Phospholipid-Doppelschicht, Proteine, Kohlenhydratstrukturen
Anordnung
hydrophile Köpfe außen, hydrophobe Schwänze innen
Modell
beweglich, flexibel und asymmetrisch
Funktionen
Abgrenzung, Kompartimentierung, Signale und Zellkontakte
Passiver Transport
einfache oder erleichterte Diffusion entlang des Gefälles
Aktiver Transport
gegen das Gefälle mit Energie
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Transport durch eine Organellmembran beurteilen
- 1In einem Organell ist ein Stoff stärker konzentriert als im umgebenden Zellplasma; die Membran lässt ihn nicht direkt durch die Lipidschicht.
- 2Ein passendes Kanalprotein ist vorhanden und geöffnet. Der Stoff bewegt sich netto entlang seines Konzentrationsgefälles aus dem Organell.
- 3Der Weg ist erleichterte Diffusion: Ein Protein ist beteiligt, doch der Nettotransport benötigt keine zusätzliche Energie.
Fehler finden
Welcher Schluss zum Kanal ist falsch? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Richtig: Der Transport aus dem Organell ist erleichterte Diffusion. Der Kanal ermöglicht einen passiven Weg entlang des Gefälles.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Ein geeignetes kleines unpolares Molekül gelangt bei der ohne Protein durch die Lipidschicht. Ein Protein mit einer offenen Pore ist ein . Führt dieser ein Ion entlang des wirksamen Gefälles hindurch, ist das .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback