Biomembranen sind häutchenartige Abgrenzungsstrukturen des Cytoplasmas, die eine lebende Zelle von außen umgeben und auch ihr Inneres durchziehen.
Folgende Eigenschaften und Funktionen sind für Biomembranen kennzeichnend:
1. Biomembranen sorgen für eine Kompartimentierung der Zelle: Jede Zelle enthält zahlreiche, unterschiedlich gestaltete Reaktionsräume (Kompartimente), die gegeneinander durch Biomembranen abgegrenzt sind.
2. Folgende Regel gilt für die Abgrenzung: Alle Biomembranen trennen einzig und allein Plasma (plasmatische Phasen) von Nichtplasma (nichtplasmatischen Phasen) ab.
3. Biomembranen haben vor allem zwei Funktionen:
- Sie stellen eine Diffusionsbarriere dar und halten ein Konzentrationsgefälle zwischen verschiedenen Zellkompartimenten aufrecht.
- Sie dienen der Transportvermittlung und regulieren den Stoffaustausch zwischen den Zellkompartimenten.
4. Die Permeabilitätseigenschaften der Membran und die Lipid-Filter-Theorie
- Kleine hydrophile Moleküle dringen leicht durch die Membran. Für sie besteht eine Siebwirkung. Die Membranen müssen von winzigen Poren (Durchmesser ca. 0,4 nm) durchsetzt sein.
- Hydrophile Moleküle mit einer Molekülmasse von über 80 u können die meisten Membranen nicht mehr durchqueren.
- Da fettlösliche Stoffe, sogar größere lipophile Moleküle, die Membran ziemlich leicht passieren, muss ein Großteil der Membran aus Lipiden aufgebaut sein. Lipidlösungsmittel und Lipasen zerstören die Membranen.
5. Der Bau einer Biomembran
- 1935 stellten Danielli und Davson ein klassisches Modell zum Bau einer Biomembran vor: Die Biomembran besteht aus einer bimolekularen Lipidschicht. Die hydrophoben Schwänze der Lipide stehen sich gegenüber, die hydrophilen Köpfe sind von Proteinen überzogen. Kurz: Protein - Lipiddoppelschicht - Protein ("Sandwich"-Struktur).
- Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Biomembranen lassen einen dreischichtigen Aufbau erkennen: zwei dunkle äußere Schichten und eine mittlere helle Schicht, je ca. 2,5 nm dick.
- 1972 entwicklten Singer und Nicolson das noch heute gültige Flüssig-Mosaik-Modell ("fluid mosaic model") für eine Biomembran: Globuläre Proteinmoleküle "schwimmen" in einem bimolekularen Lipidfilm. Der Lipidfilm verhält sich wie eine zähe Flüssigkeit, die Lipidmoleküle sind parallel der Membranebene beweglich, ebenso können sich die Proteinmoleküle im Film verlagern. Einige Proteine reichen durch die Membran hindurch und bilden Ionenkanäle (Tunnelproteine), andere sitzen in der Membran, wobei hydrophobe Bezirke an ihrer Oberfläche mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle in Wechselwirkung treten können und hydrophile Bezirke nach außen gekehrt werden. Periphere Proteine sind der Lipiddoppelschicht aufgelagert.
Jede Zelle kann sich mit Hilfe ihrer Oberflächenproteine sozusagen nach außen hin "ausweisen" und wird so von den anderen Zellen erkannt. Zur Markierung hängen an der Außenseite der Zellmembran oft zusätzlich kurzkettige, teilweise bäumchenartig verzweigte Kohlenhydratverbindungen an den Eiweißen und an den Lipiden. Man spricht dann von Glykoproteinen und Glykolipiden.