Biomembran

Biomembran, (lateinisch membrana: Häutchen, Pergament), eine dünne Doppelschicht aus Lipiden und darin eingelagerten Proteinen, die Zellen sowie Organellen innerhalb der Zellen umgibt. Auch die hautartigen Trennschichten, die Organe und Gewebe umhüllen sowie Gelenke auskleiden, werden oft als Membranen bezeichnet.

Die Zellen jedes Lebewesens sind von einer Plasmamembran umgeben, die sie gegen das umgebende Milieu abgrenzt und von anderen Zellen trennt. So können im Zytoplasma und in den Organellen der Zelle ohne störende Einflüsse von außen zahlreiche biochemische Prozesse ablaufen. Auch innerhalb der Zelle schaffen die Membranen der Zellorganelle getrennte Räume (Kompartimente) für chemische Reaktionen. Die Membranen in der Zelle (Biomembranen) sind für den Stoffwechsel, die Genexpression und die Zellteilung (siehe Mitose) von entscheidender Bedeutung.

Die Plasmamembran einer Zelle besteht aus einer durchschnittlich neun Nanometer (millionstel Millimeter) dicken Doppelschicht von Lipiden (vor allem Phospholipiden und Glykolipiden) sowie darin eingelagerten Proteinen. Die Lipide haben ein hydrophiles (Wasser anziehendes) und ein hydrophobes (Wasser abstoßendes) Ende. Sie sind dicht nebeneinander angeordnet, so dass ihre hydrophoben Enden in der Mitte der Doppelschicht aneinanderstoßen. Die Lipide machen die Membran zu einer zähflüssigen Hülle. Dazwischen ragen, teils nur auf einer Seite der Doppelschicht, teils auf beiden Seiten, die Proteine hervor; manche liegen an der Membranoberfläche. Die Plasmamembran ist bei Tieren, Pflanzen, Pilzen, Einzellern und Bakterien im Wesentlichen gleich aufgebaut. Nur in der Plasmamembran von Archaebakterien kommen Etherlipide anstelle von Phospholipiden sowie Isoprene anstelle von Fettsäuren vor.

Innerhalb der Membran sind Lipide und Proteine weitgehend frei beweglich, allerdings nur innerhalb einer Schicht. Die Plasmamembran ist sehr flexibel, aber im Bereich der Lipide nahezu undurchdringlich; nur die kleinsten hydrophilen Moleküle, z. B. Sauerstoff und Kohlendioxid, können die Doppelschicht durch winzige Lücken zwischen den Lipidmolekülen passieren.

Tunnelförmige Proteine dienen jedoch als Kanäle zwischen dem Zytoplasma und dem Medium außerhalb der Zelle, und Transportproteine (Carrier) wie die Ionenpumpen schleusen unter Energieverbrauch Moleküle bzw. Ionen durch die Membran. Welche Teilchen durch einen solchen Membrankanal hindurchtreten können, hängt von deren Größe, elektrischer Ladung und vom Membranpotential ab, d. h. von der bereits vorhandenen Ionenkonzentration auf beiden Seiten der Membran (also innerhalb und außerhalb der Zelle). Man sagt, die Plasmamembran ist selektiv permeabel. Unter bestimmten Bedingungen öffnen sich die Membrankanäle. Ein Beispiel dafür ist das Aktionspotential bei der Erregung einer Nervenzelle (siehe Neurophysiologie).

Bestimmte Substanzen, größere Fremdkörper und Mikroorganismen werden mittels Endozytose in die Zelle aufgenommen (bzw. mittels Exozytose aus der Zelle entfernt). Dabei wölbt sich die Plasmamembran um das aufzunehmende Material und umschließt es, bis es ins Zellinnere gelangt ist. Endozytose wird – ebenso wie die Öffnung von Membrankanälen – meist durch spezifische Rezeptorproteine in der Membran vermittelt. Aus kettenförmigen Kohlenhydratmolekülen bestehende Rezeptoren auf der Außenseite der Plasmamembran erlauben dem Immunsystem die Einstufung einer Zelle als Antigen, machen aber auch die morphogenetischen Bewegungen der Zellen in einem Embryo möglich. Bei Bakterienzellen und manchen Eukaryontenzellen bilden vernetzte Zuckermoleküle auf der Membranaußenseite eine schleimige Hülle (Glykokalyx) um die Zelle.

Eine fünf bis sieben Nanometer dicke Biomembran umgibt die Organellen innerhalb der Zelle, z. B. das endoplasmatische Reticulum, die Zellsaftvakuolen von Pflanzen, die Lysosomen und Peroxisomen und die Vesikel des Golgi-Apparats. Der Zellkern, die Mitochondrien und bei Pflanzen die Plastiden (z. B. Chloroplasten) haben eine Doppelmembran. In der inneren Membran befinden sich Enzyme, die etwa bei der Photosynthese und bei der Erzeugung des Energieträgers ATP in der Atmungskette wichtige Reaktionen katalysieren.

Ebenfalls als Membranen bezeichnet werden die Epithelien, die im Körper von Tier und Mensch Organe umhüllen und Oberflächen innen auskleiden. Beispiele dafür sind die Schleimhäute in den Verdauungs-, Atmungs- und Geschlechtsorganen, die Hirnhäute (Meningen), die das Gehirn und das Rückenmark umschließen, sowie das Brustfell und das Bauchfell. Sie haben an ihrer Basis eine so genannte Basalmembran (auch Basallamina); auch das Endothel auf der Innenseite von Blutgefäßen ist von einer solchen umgeben. Mit einer glatten Membran ist die Knochenoberfläche in den Gelenken bedeckt; zwischen den Knochen liegen in den meisten Gelenken auch membranumhüllte Schleimbeutel.

Angelehnt an die Biomembranen werden in Wissenschaft und Industrie künstliche Membranen entwickelt und verwendet. Membranen aus Celluloseacetat setzt man z. B. zur Druckfiltration in Meerwasserentsalzungsanlagen und bei der Abwasserreinigung ein; sie machen hier Umkehrosmose möglich. Bei der Transplantation von Tierorganen und -geweben wird mit künstlich erzeugten Biomembranen experimentiert: Zur Heilung von Diabetikern sollen z. B. so genannte Gewebeinseln aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen in eine speziell präparierte Membran eingekapselt werden. Hierdurch soll die Abstoßung des Transplantats durch das Immunsystem des Empfängers vermieden werden, das Insulin aber wie gewünscht durch die Membran hindurch freigesetzt werden.