Biomembran – Bedeutung, Aufbau und Funktionen

Biomembranen grenzen einerseits verschiedene Bereiche innerhalb lebender Zellen voneinander ab und dienen andererseits als Trennschicht zwischen dem inneren Milieu einer Zelle und dem Zellaußenraum. Zugleich ermöglichen diese teilweise durchlässigen "Zwischenwände" unterschiedlichste Stoffwechselfunktionen und neurobiologische Vorgänge, ohne die eine Zelle nicht lebensfähig wäre.

Inhaltsverzeichnis:

  • Wie ist eine Biomembran aufgebaut?
  • Welche Proteine sind in Biomembranen vorhanden und welche Funktionen erfüllen sie?
  • Welche Funktionen erfüllen Biomembranen in lebenden Organismen?
  • Welche Techniken werden verwendet, um Biomembranen zu untersuchen?
  • Wie trägt das Wissen über Biomembranen zur Entwicklung von Therapien und Medikamenten bei?

Wie ist eine Biomembran aufgebaut?

Das Grundgerüst der Biomembran besteht aus Phospholipiden. Diese besitzen einen hydrophilen ("wasserliebenden") Kopf aus einer Phosphatgruppe sowie zwei hydrophobe (wasserabweisende) Kohlenwasserstoffschwänze. In einem wässrigen Milieu bilden die Membranlipide eine Doppelschicht, bei der die Köpfe nach außen zeigen, während sich die Schwänze nach innen zusammenlagern.

Wegen ihres hydrophoben Kerns sind solche Lipiddoppelschichten nahezu undurchlässig für Wasser und darin lösliche Moleküle. Zugleich sind sie sehr flexibel und mechanisch robust. Selbst ein Einstich mit einer Pipette hinterlässt kein Loch in der Biomembran.

Neben Phospholipiden sind Sphingolipide und zum Teil auch Cholesterin am Aufbau der Biomembran beteiligt. Bei Sphingolipiden handelt es sich um Verbindungen aus einem Sphingosin (einfach ungesättigter Aminoalkohol aus 18 Kohlenstoffatomen), an dessen Aminogruppe eine Fettsäure anschließt. Die Hydroxylgruppe kann mit unterschiedlichen Gruppen verestert sein. Aus einer Veresterung mit Phosphocholin resultiert Sphingomyelin. Mit Sacchariden bilden sich Glycosphingolipide. Ohne Veresterung entstehen Ceramide. Wie Phospholipide sind auch Sphingolipide amphipathisch und zeigen ähnliche Verhaltensweisen.

Tierische Biomembranen enthalten bis zu 50 Masseprozent Cholesterin, Pflanzen weniger und Bakterien gar keins. Cholesterin ist wenig amphipathisch. Daher befindet sich lediglich die Hydroxylgruppe an der Oberfläche und der Rest innerhalb der Biomembran. Das starre Ringsystem des Cholesterins hemmt den Fluss der Lipidschicht.

Wie flüssig die Lipiddoppelschicht der Biomembran ist, richtet sich insbesondere nach der Anzahl der Doppelbindungen in den wasserabweisenden Kohlenwasserstoffketten der Lipide. Je mehr, umso flüssiger ist in aller Regel die Biomembran. Überdies wird der Grad der Fluidität durch weitere eingelagerte Moleküle bestimmt. Cholesterin beispielsweise vermindert die Fließfähigkeit, verhindert aber das gelartige Verfestigen der Biomembran bei niedrigen Temperaturen.

Für die unterschiedlichen Eigenschaften der Biomembranen sorgen verschiedene Arten von Proteinen. Durch deren Anordnung können sich auch beide Seiten einer Biomembran deutlich unterscheiden. Während zum Beispiel Rezeptoren für die Zell-Zell-Kommunikation und zum Erkennen von Umweltveränderungen nach außen weisen, sind an Reaktionen beteiligte Enzyme nach innen gerichtet. Die Membranproteine sind nicht starr in der Biomembran fixiert, sondern können sich hochdynamisch bewegen. Diese Fähigkeit bildet die Voraussetzung für das Auslösen unterschiedlichster Signalketten, die in der Regel innerhalb der Zelle ablaufen.

Welche Proteine sind in Biomembranen vorhanden und welche Funktionen erfüllen sie?

Proteine erfüllen in Biomembranen zahlreiche Funktionen. Sie sind beispielsweise verantwortlich für:

  • den Transport von Substanzen durch die Biomembran hindurch,
  • die Zell-Zell-Erkennung,
  • das Herstellen von Zell-Zell-Kontakten und
  • den Kontakt zum Zytoskelett.
Ebenso können sie als Rezeptoren oder als Enzyme fungieren.

Entsprechend ihrer Verankerung in der Lipiddoppelschicht werden die in der Biomembran enthaltenen Proteine in drei Kategorien eingeteilt:

Integrale Proteine

Integrale Proteine ragen als Transportproteine der Biomembran durch die Lipiddoppelschicht hindurch, teils auch mehrfach in Schleifenform. Sie sind nicht fest an einem Ort verankert, sondern können sich in der Biomembran frei bewegen.

Wie Phospholipide sind integrale Proteine amphipathisch. Innerhalb der Biomembran befindliche Proteindomänen sind hydrophob, wobei hydrophobe Aminosäuren mit den Lipidketten wechselwirken. Bei vielen Proteinen interagieren basische Reste mit den geladenen Phospholipid-Kopfgruppen. Der aus der Biomembran herausragende Anteil wechselwirkt mit dem umgebenden wässrigen Milieu und den darin gelösten Stoffen.

Periphere Proteine

Diese Proteine liegen auf der Biomembran auf. Sie sind durch eine Mischung aus hydrophoben und elektrostatischen Wechselwirkungen und andere, nicht kovalente Bindungen temporär an diese oder an integrale Proteine angelagert. Die Anlagerung ist dynamisch. Die Eiweiße werden je nach Bedingung gebunden oder gelöst.

Um periphere Proteine aus der Biomembran herauszulösen, muss diese nicht zerstört werden. Mithilfe einer hochkonzentrierten Salzlösung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen schwächt, lassen sie sich in Lösung bringen.

Lipidverankerte Proteine

Lipidverankerte Proteine befinden sich ebenfalls auf der Oberfläche der Biomembran, sind jedoch im Gegensatz zu ihren peripheren Verwandten kovalent mit einem in die Biomembran eingelagerten Lipidmolekül verbunden. Sie ragen nicht durch die Membran hindurch.

Welche Funktionen erfüllen Biomembranen in lebenden Organismen?

Biomembranen haben unterschiedlichste Aufgaben. Die Zellmembran beispielsweise grenzt das im Inneren der Zelle befindliche Zytoplasma nach außen hin ab. Darüber hinaus kann eine Biomembran folgende Funktion haben:

Kompartimentierung

Jede Biomembran bildet eine lückenlose Schicht. Mehrere Membranen ergeben somit voneinander getrennte Räume, auch als Kompartimente bezeichnet. Die meisten Zellen enthalten Speicher- und Reaktionskompartimente wie Vakuolen oder Zellorganellen, deren chemische Eigenschaften sich deutlich unterscheiden können.

Die verschiedenen Kompartimente beinhalten sehr unterschiedliche Stoffe. Dadurch können zum Teil gegensätzliche Prozesse gleichzeitig ablaufen, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen (z. B. Kohlenhydrat-Auf- und -abbau). Zudem ist eine individuelle Regulation möglich.

Gerüst für biochemische Aktivitäten

Spezifische Reaktionen erfordern die exakte Ausrichtung der Moleküle gegeneinander, um bestimmte Wechselwirkungen eingehen zu können. Das ist in Lösung nicht möglich. Biomembranen bieten ein Gerüst, das es Molekülen erlaubt, effektiv miteinander zu reagieren und zu interagieren. Wichtige Reaktionen wie der Multienzymkomplex der Photosynthese wären ohne Verankerung in der Biomembran nicht funktionsfähig.

Transport gelöster Stoffe

Moleküle können durch die Biomembran hindurch transportiert werden, selbst gegen ein Konzentrationsgefälle. Auf diese Weise können in der Zelle Nährstoffe angereichert werden. Bei Ionen ist der Transport auch quer zur Biomembran möglich. Das ist von großer Bedeutung für Nerven und Muskeln.

Kleinere lipophile Moleküle diffundieren frei durch die Lipiddoppelschicht der Biomembran hindurch, zum Beispiel Kohlendioxid, Harnstoff und Alkohole. Sie bewegen sich entlang ihres Konzentrationsgefälles (Konzentrationsgradient). Für den Transport lipophober Teilchen wie Wasser oder großer Teilchen wie Zuckermoleküle oder Ionen sind verschiedene in der Biomembran eingelagerte Transportmoleküle zuständig.

Selektive Permeabilität

Die Transportmechanismen der Biomembran sind hochkomplex. Die Lipiddoppelschichten lassen nur ganz bestimmte Stoffe passieren, während sie andere blockieren. Die Durchlässigkeit für die jeweiligen Ionen oder Moleküle hängt vor allem von ihrer Größe, Ladung und Polarität ab.

Reaktion auf externe Signale

Die Zellmembran spielt eine wichtige Rolle für die Reaktion auf externe Reize (Signalübertragung). In dieser speziellen Biomembran befinden sich Rezeptoren, an die bestimmte Moleküle (Liganden) andocken und damit ein Signal an die Zelle auslösen können.

Da unterschiedliche Rezeptoren unterschiedliche Liganden erkennen, kann die Zelle Informationen über ihre Umwelt aufnehmen und darauf reagieren. Mögliche Reaktionen wären:

  • den Stoffwechsel durch eine Veränderung der Enzymtätigkeit auf veränderte Gegebenheiten anzupassen,
  • Speicherstoffe freizusetzen oder
  • sich selbst zu eliminieren.

Interzelluläre Wechselwirkung

Als Außenschicht der Zelle tritt die Zellmembran mit ihren Nachbarzellen in Wechselwirkung. Auf diese Weise können Zellen unter anderem aneinanderhaften oder Material und Signale austauschen.

Energieumwandlung

Biomembranen sind an Energieumwandlungen wie dem Kohlenhydratabbau und der Photosynthese beteiligt. Bei Eukaryoten findet Ersteres in den Mitochondrien und Letzteres in den Chloroplasten statt.

Oberflächenvergrößerung

Sogenannte Mikrovilli, kleinere Ausstülpungen der Biomembran, vergrößern die Zelloberfläche und damit auch die Fläche, an der ein Stoffaustausch stattfinden kann. Zu finden sind die fadenförmigen Zellfortsätze vor allem in den Epithelzellen des Darmes, der Niere, der Geschmacksknospen, der Gebärmutter und der Eizellen.

Welche Techniken werden verwendet, um Biomembranen zu untersuchen?

Die Untersuchung von Biomembranen bringt einige Herausforderungen mit sich. In einer Biomembran fest verankerte Proteine lassen sich mit den herkömmlichen Methoden der Biochemie nur schwer analysieren. Das gilt insbesondere für ihre dreidimensionale Struktur und ihre Interaktionen mit anderen Proteinen. Grund hierfür sind die in der Lipiddoppelschicht herrschenden molekularen Kräfte, die es zunächst zu überwinden gilt, bevor sich Moleküle isolieren lassen.

Rückschlüsse auf die 3D-Struktur eines in wässriger Lösung betrachteten Biomembran-Proteins haben wiederum wenig Aussagekraft hinsichtlich seiner räumlichen Anordnung im natürlichen Milieu. In diesem werden Moleküle gezielt eingelagert und wechselwirken oft auf eine kaum vorhersehbare Weise mit den Lipiden der Biomembran und anderen Proteinen. Hier stößt die Kristallographie als Strukturaufklärungsmethode an ihre Grenzen, die gereinigte Kristalle benötigt, um die Struktur bestimmen zu können.

Eine Methode, Membranproteine und membranaktive Peptide direkt in der Biomembran in ihrer exakten dreidimensionalen Struktur zu betrachten, ist die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Allerdings sind die Geräte wegen der dafür erforderlichen Magneten sehr schwer und auch kostspielig. Erschwerend kommt hinzu, dass das als Kühlmittel benötigte Helium derzeit ein knappes Gut ist.

Wie trägt das Wissen über Biomembranen zur Entwicklung von Therapien und Medikamenten bei?

Viele Arzneimittel wirken, indem sie an Biomembran-Proteine ankoppeln. Deshalb ist für die Medizinforschung eine genaue Analyse dieser Strukturen besonders wichtig. Durch das Umhüllen mit Detergenzien werden Membranproteine wasserlöslich und lassen sich chromatographisch reinigen. Somit ist eine gezielte Untersuchung der Interaktion von Medikamenten und Proteinen möglich.

Aus der Biomembran herausgelöste Proteine lassen sich mit den von Waters | Wyatt Technology entwickelten SEC-MALS- und FFF-MALS-Systemen bis ins Detail analysieren. SEC-MALS nutzt zur Proteincharakterisierung eine Kombination aus Mehrwinkel-Lichtstreuung mit der Größenausschlusschromatographie, während FFF-MALS Mehrwinkel-Lichtstreuung und Feldflussfraktionierung kombiniert. Mit Hilfe der Protein-Konjugatanalyse lassen sich dann die Massenanteile von Protein und Detergens bestimmen. Dies erlaubt auch Rückschlüsse über den Oligomerisierungsgrad des Membranproteins.

 

Sie möchten weitere Informationen zum Thema?

Wenn Sie nach Tools suchen, mit denen Sie Biomembranen und deren Bestandteile eingehend untersuchen und analysieren können, sind wir der richtige Ansprechpartner. Gern erläutern wir Ihnen unsere Technologien in einem persönlichen Beratungsgespräch und verschaffen Ihnen einen umfassenden Überblick über das Potenzial und die Einsatzmöglichkeiten unserer Geräte.

Anrede
Einverständnis(erforderlich)

 

Weitere Fragen und Antworten zu Biomembranen

Was ist eine Biomembran einfach erklärt?

Biomembranen grenzen einerseits verschiedene Bereiche innerhalb lebender Zellen voneinander ab und dienen andererseits als Trennschicht zwischen dem inneren Milieu einer Zelle und dem Zellaußenraum. Das Grundgerüst der Biomembran besteht aus Phospholipiden.

Was ist die Funktion der Biomembran?

Eine Biomembran kann für lebende Organismen folgende Funktionen haben:

  • Kompartimentierung
  • Gerüst für biochemische Reaktionen
  • Transport gelöster Stoffe
  • Selektive Permeabilität
  • Reaktion auf externe Signale
  • Interzelluläre Wechselwirkung
  • Energieumwandlung
  • Oberflächenvergrößerung

Was sind die Vorteile der Biomembran?

Aufgrund ihres hydrophoben Kerns sind Lipiddoppelschichten nahezu undurchlässig für Wasser und darin lösliche Moleküle. Zugleich sind sie sehr flexibel und mechanisch robust. Selbst ein Einstich mit einer Pipette hinterlässt kein Loch in der Biomembran.