SEMIPERMEABLE MEMBRANEN: EIGENSCHAFTEN, TRANSPORT, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die semipermeablen Membranen , auch "selektiv durchlässig" genannt, sind Membranen, die den Durchgang einiger Substanzen ermöglichen, aber den Durchgang anderer Substanzen verhindern. Diese Membranen können natürlich oder synthetisch sein.

Natürliche Membranen sind die Membranen aller lebenden Zellen, während synthetische Membranen, die natürlichen Ursprungs sein können (Cellulose) oder nicht, solche sind, die für verschiedene Zwecke synthetisiert werden.

Schematische Darstellung einer semipermeablen Membran (Quelle: Adam Rędzikowski über Wikimedia Commons)

Ein Beispiel für die Nützlichkeit künstlicher oder synthetischer semipermeabler Membranen sind solche, die für Nierendialysegeräte verwendet werden, oder solche, die zum Filtern von Gemischen in der Industrie oder in verschiedenen chemischen Prozessen verwendet werden.

Der Durchgang von Substanzen durch eine semipermeable Membran erfolgt durch verschiedene Mechanismen. In Zell- und Synthesemembranen kann dies durch Diffusion durch Poren mit unterschiedlichen Durchmessern geschehen, die die Substanzen, die die Membran durchqueren, nach Größe "auswählen". Es kann auch vorkommen, dass Substanzen durch Diffusion in die Membran gelangen.

In lebenden Zellen kann der Durchgang von Substanzen durch die Membranen mittels Transportern erfolgen, die für oder gegen die Konzentrationsgradienten der Substanzen wirken. Ein Gradient ist in diesem Fall der Konzentrationsunterschied für eine Substanz auf beiden Seiten einer Membran.

Alle Zellen auf der Erde haben Membranen, die ihre inneren Komponenten schützen und von der äußeren Umgebung trennen. Ohne Membranen gibt es keine Zellen und ohne Zellen gibt es kein Leben.

Da diese Membranen das häufigste Beispiel für semipermeable Membranen sind, wird im Folgenden besonderes Augenmerk auf diese gelegt.

Eigenschaften

Die ersten Studien zur Aufklärung der Bestandteile biologischer Membranen wurden mit roten Blutkörperchen durchgeführt. In diesen Studien wurde das Vorhandensein einer Doppelschicht, die die Membranen bildet, nachgewiesen, und dann wurde entdeckt, dass die Komponenten dieser Schichten Lipide und Proteine ​​waren.

Alle biologischen Membranen bestehen aus einer Doppellipidmatrix, in die verschiedene Arten von Proteinen „eingebettet“ sind.

Die Lipidmatrix von Zellmembranen besteht aus gesättigten und ungesättigten Fettsäuren; Letztere verleihen der Membran eine gewisse Fließfähigkeit.

Lipide sind so angeordnet, dass sie eine Doppelschicht bilden, in der jedes Lipid, das einen hydrophilen Kopf (der eine Affinität zu Wasser aufweist) und einen oder zwei hydrophobe Schwänze (Wasserphobie, Wasser abweisend) aufweist, Kohlenwasserstoffschwänze aufweist. einander in der Mitte der Struktur gegenüberstehen.

Phospholipide sind die am häufigsten vorkommenden Lipide, aus denen biologische Membranen bestehen. Dazu gehören Phosphatidylcholin, Phosphatidylinositol, Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin.

Beispiel einer semipermeablen biologischen Membran (Quelle: LadyofHats via Wikimedia Commons)

Unter den Membranlipiden befinden sich auch Cholesterin und Glykolipide, alle mit amphipathischen Eigenschaften.

Es gibt verschiedene Arten von Proteinen semipermeabler Membranen (einige davon können enzymatische Aktivität aufweisen):

(1) diejenigen, die Ionenkanäle oder Poren bilden

(2) Transporterproteine

(3) Proteine, die eine Zellregion an eine andere binden und die Bildung von Geweben ermöglichen

(4) Rezeptorproteine, die an intrazelluläre Kaskaden binden und

Transport

In einer semipermeablen biologischen Membran kann der Transport durch einfache Diffusion, erleichterte Diffusion, Cotransport, aktiven Transport und sekundären aktiven Transport erfolgen.

Einfacher Diffusionstransport

Bei dieser Art des Transports ist die Energie, die Substanzen durch die Membran bewegt, der Konzentrationsunterschied, der für diese Substanzen auf beiden Seiten der Membran besteht.

Somit gelangen die Substanzen in einem mehr → weniger Sinn, dh von dem Ort, an dem sie stärker konzentriert sind, zu dem Ort, an dem sie weniger konzentriert sind.

Eine Diffusion kann auftreten, weil die Substanz in der Membran verdünnt ist oder durch Poren oder Kanäle gelangt. Es gibt zwei Arten von Poren oder Kanälen: diejenigen, die immer offen sind und diejenigen, die sich öffnen und schließen, dh sie sind vorübergehend geöffnet.

Die Poren, die wiederum vorübergehend offen sind, können (1) spannungsabhängig sein, dh sie öffnen sich als Reaktion auf eine bestimmte Spannung und (2) ligandenabhängig, die zum Öffnen an eine bestimmte Chemikalie binden müssen.

Transport durch erleichterte Diffusion

In diesem Fall bewegt ein Transporter die zu transportierende Substanz von einer Seite der Membran zur anderen. Diese Transporter sind Membranproteine, die sich permanent auf der Membran oder in Vesikeln befinden können, die bei Bedarf mit dieser fusionieren.

Diese Transporter arbeiten auch zugunsten der Konzentrationsgradienten der Substanzen, die sie transportieren.

Diese Transportarten erfordern keinen Energieverbrauch und werden daher als passive Transporte bezeichnet, da sie zugunsten eines Konzentrationsgradienten auftreten.

Co-Transport

Eine andere Art des passiven Transports durch semipermeable Membranen wird als Cotransport bezeichnet. In diesem Fall wird der Konzentrationsgradient einer Substanz für den gleichzeitigen Transport einer anderen Substanz gegen ihren Gradienten verwendet.

Diese Art des Transports kann in zwei Formen erfolgen: Symport, bei dem die beiden Substanzen in dieselbe Richtung transportiert werden, und Antisport, bei dem eine Substanz in die eine und die andere in die entgegengesetzte Richtung transportiert wird.

Aktiver Membrantransport

Diese benötigen Energie und die bekannten verwenden ATP, weshalb sie ATPasen genannt werden. Diese Transporter mit enzymatischer Aktivität hydrolysieren ATP, um die Energie zu erhalten, die für die Bewegung von Substanzen gegen ihren Konzentrationsgradienten erforderlich ist.

Drei Arten von ATPasen sind bekannt:

Die Na + / K + -Pumpen und die Calciumpumpen (Calcium-ATPasen). Diese haben eine Struktur, die durch eine in die Membran eingebettete α- und eine ß-Untereinheit gebildet wird.

ATPasen V und ATPasen F, die eine charakteristische Stammform haben, die aus mehreren Untereinheiten und einem Kopf besteht, der sich um die Stammuntereinheiten dreht.

ATPasen V dienen dazu, Wasserstoffionen gegen einen Konzentrationsgradienten zu pumpen, beispielsweise im Magen und in Lysosomen. In einigen Vesikeln, wie z. B. dopaminergen, gibt es Wasserstoffbomben dieses Typs, die H + in die Vesikel pumpen.

Die ATPasen F nutzen den H + -Gradienten, um sich durch seine Struktur zu bewegen, ADP und P aufzunehmen und ATP zu bilden, dh anstatt ATP zu hydrolysieren, synthetisieren sie es. Diese befinden sich in den Membranen der Mitochondrien.

Sekundärer aktiver Transport

Es ist dieser Transport, der unter Verwendung des von einer ATPase erzeugten elektrochemischen Gradienten eine andere Substanz gegen den Gradienten zieht. Das heißt, der Transport der zweiten Substanz gegen ihren Konzentrationsgradienten ist nicht direkt an die Verwendung von ATP durch das Transportermolekül gekoppelt.

Eigenschaften

In lebenden Zellen ermöglicht das Vorhandensein semipermeabler Membranen die Aufrechterhaltung von Konzentrationen von Substanzen, die sich vollständig von den Konzentrationen derselben Substanzen in der extrazellulären Umgebung unterscheiden.

Trotz dieser Konzentrationsunterschiede und offener Kanäle oder Poren für bestimmte Substanzen entweichen diese Moleküle nicht oder treten nicht ein, es sei denn, bestimmte Bedingungen sind erforderlich oder werden geändert.

Der Grund für dieses Phänomen ist, dass es ein elektrochemisches Gleichgewicht gibt, das bewirkt, dass die Konzentrationsunterschiede zwischen den Membranen durch den elektrischen Gradienten kompensiert werden, der durch die diffusionsfähigen Ionen erzeugt wird, und dies tritt auf, weil einige Substanzen nicht in die Zellen gelangen können. .

Verweise

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Essentielle Zellbiologie. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts & P. ​​Walter (2008). Molekularbiologie der Zelle (5. Aufl.). New York: Garland Science, Taylor & Francis Group.
3. Bern, R. & Levy, M. (1990). Physiologie. Mosby; Internationale Ed-Ausgabe.
4. Fox, SI (2006). Humanphysiologie (9. Aufl.). New York, USA: McGraw-Hill Press.
5. Luckey, M. (2008). Membranstrukturbiologie: mit biochemischen und biophysikalischen Grundlagen. Cambridge University Press.