Begegnungen mit der Natur 5, Schulbuch

24 Zellbiologie M Arbeitsheft Seite 5, 6, 7, 8 Biomembranen – Trennschichten der Zellen und Zellorganellen Biomembranen grenzen das Cytoplasma nach außen ab (Zellmembranen). Auch die meisten Zellorganellen sind durch Membranen von ihrer Umgebung abgetrennt. Neben dieser Barrierefunktion haben die Biomembranen auch Transportfunktion: Da sie aufgrund ihrer Zusammensetzung eine unterschied- liche Durchlässigkeit für verschiedene Stoffe aufweisen, kontrollieren sie den Stofftransport in den, in die und aus den Zellen. Biomembranen sind nach außen hydrophil Die fünf bis zehn Nanometer dünnen Häutchen sind aus Lipoidmolekülen , die jeweils eine hydrophile und eine hydrophobe Seite aufweisen, aufgebaut ( Abb. 24). Sie sind so aneinander gelagert, dass sie zwei parallele Lipoid- schichten bilden ( Abb. 27). Die dadurch entstehende Doppelmembran ist nach außen hin hydrophil. Die hydrophoben Bereiche der Lipoidmoleküle sind einander zugewandt, sie ragen also ins Membraninnere. Dieser Aufbau ermöglicht kleinen, fettlöslichen Molekülen sowie Sauerstoff und Kohlenstoff- dioxid, die Biomembranen zu durchdringen. Die Ursache für das Hinein- bzw. Herausströmen der Stoffe ist die Diffusion , die auf der Wärmebewegung der Teilchen beruht. Die Teilchenbewegung nimmt mit steigender Temperatur zu Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beobachtete der Wissenschafter Robert Brown ( Abb. 25) bei der mikroskopischen Untersuchung von Pollenkörnern, die er in einen Wassertropfen gegeben hatte, dass sie sich in alle Richtungen beweg- ten. Er führte dies auf eine Lebenskraft der Pflanzen zurück, die in den Pollen noch erhalten bleibt. Kurze Zeit danach entdeckte Brown in einem durchsich- tigen Quarz einen eingeschlossenen Wassertropfen, in dem sich, aus dem Gestein stammende, kleine Teilchen, ähnlich wie die Pollenkörner bewegten. Der Gelehrte zog daraus den Schluss, dass es sich in beiden Fällen nicht um ein biologisches, sondern um ein physikalisches Phänomen handeln müsse. Erst der deutsche Physiker Albert Einstein (1879–1955) bestätigte zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Annahme Browns: Die Zickzackbewegungen der Pollenkörner sowie der Gesteinsteilchen werden durch Stöße der Wasser­ moleküle verursacht. Alle Moleküle befinden sich unter dem Einfluss von Wärme (Energie!) in ständiger Bewegung. Mit steigender Temperatur nimmt die Teilchenbewegung zu. Am absoluten Nullpunkt (–273 °C) hört jede Teilchen­ bewegung auf. Brown zu Ehren wird die Wärmebewegung heute als Brown’sche Molekularbewegung bezeichnet. Durch Diffusion werden Konzentrationsunterschiede ausgeglichen Gase und gelöste Stoffe verteilen sich in dem Raum, der ihnen zur Verfügung steht, gleichmäßig. Dadurch kommt es zum Ausgleich von Konzentrations­ unterschieden. Im Zustand der ausgeglichenen Konzentrationen ist die Zahl der wandernden Teilchen in alle Richtungen gleich groß. Solange Konzentra­ tionsunterschiede bestehen, erfolgt Diffusion von Orten höherer zu Orten nie- derer Konzentration. So diffundiert beispielsweise der für die Zellatmung benötigte Sauerstoff fortlaufend in die Zellen − da er in den Mitochondrien verbraucht wird, bleibt das Konzentrationsgefälle erhalten. Lipoidmoleküle halten bestimmte Ionen und Moleküle zurück Nicht durchlässig sind die Lipoidschichten für Ionen wie H + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl – sowie größere wasserlösliche und polare Moleküle (zB Wasser ). Bei Kon- zentrationsunterschieden würden auch diese Stoffe diffundieren. Sie werden jedoch von den Lipoidmolekülen zurückgehalten, da diese mit der hydrophilen Seite mit ihnen in Wechselwirkung treten. 24  Lipoidmolekül einer Biomembran (Modell) 25  Robert Brown  Lipoidmoleküle Lipoide sind fettähnliche Stoffe (zB Phospholipide;  S. 85)  hydrophil hydro (griech.) = Wasser, philos (griech.) = liebend  hydrophob phobos (griech.) = Furcht  Diffusion Bestreben eines gasförmigen oder gelösten Stoffes, sich in dem ihm zur Verfügung stehenden Raum gleichmä­ ßig zu verteilen diffundere (lat.) = ausgießen, verstreuen, ausbreiten  Wasser ist ein Dipolmolekül; auf der Sauerstoff­ seite ist es schwach negativ, auf der Wasserstoffseite schwach positiv gela­ den 26  Albert Einstein hydrophober Teil hydropphiler Teil Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv