Permeabilität einer Phospholipid-Doppelschicht

Die Funktion einer Biomembran besteht hauptsächlich darin, das Innere und Äußere von Räumen zu trennen und den Stoffaustausch zwischen den Räumen zu kontrollieren.

Die Zellmembran ist in diesem Sinne die kontrollierende Grenze zwischen dem Zellinneren (Cytoplasma) und der Außenwelt. Sie entscheidet, welche Moleküle in die Zelle hinein- oder aus ihr herausgelangen können. Auch die Kompartimente innerhalb der Zelle sind durch Membranen vom Cytoplasma abgegrenzt, die den Stoffaustausch zwischen den Kompartimenten regulieren.

Welche Moleküle dabei durch die Membran hindurchgelangen können, hängt von der Permeabilität der Membran für diese Moleküle ab. Die Permeabilität wiederum hängt von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Moleküle und der Membran ab. Membranen lassen also nicht alle Moleküle gleich gut passieren, sondern sind für manche Moleküle durchlässig (permeabel) und für andere undurchlässig (impermeabel). In der Gesamtheit bezeichnet man diese Eigenschaft als selektive Permeabilität der Membran oder semipermeabel.

Die Permeabilität einer Membran für ein bestimmtes Molekül hängt von der Größe der Teilchen und ihrer Polarität ab. Die Polarität bestimmt, wie gut ein Molekül mit den hydrophilen und hydrophoben Bereichen der Membran wechselwirken kann.

Man unterscheidet dabei grob vier Kategorien von Molekülen:

1.) Sehr kleine Moleküle wie Sauerstoff (O₂) und Kohlendioxid (CO₂).

2.) Größere polare Moleküle, wie z.B. Glucose oder Aminosäuren, und Ionen von Salzen wie Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺) oder Chlorid (Cl⁻).

3.) Größere unpolare Moleküle, wie z.B. Steroidhormone (z.B. Testosteron, Östrogen) oder andere lipophile Substanzen.

4.) Wasser-Moleküle (H₂O) bilden eine Sonderkategorie, da sie zwar polar, aber relativ klein sind. Ferner bilden sie in der natürlichen Umgebung von Zellen die zahlenmäßig mit großem Abstand häufiste Molekülart.

Die Permeabilität der Membran für diese Moleküle lässt sich mit der folgenden Simulation untersuchen.

Aufgaben

1. Wähle nacheinander die verschiedenen Molekültypen aus und starte jeweils die Simulation. Beobachte das Geschehen. Verschiebe die Start-Konzentration und beobachte die Auswirkungen.
2. Beantworte folgenden Leitfragen:
   
   • Welche Permeabilität hat die Membran für die verschiedenen Typen an Teilchen jeweils (keine, geringe, hohe) ? Erstelle eine tabellarische Übersicht.
   • Wie erklärt sich diese Permeabilität der Membran für diese Moleküle über die chemischen Eigenschaften der Teilchen, die Eigenschaften der Membran und den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilen? Notiere jeweils in Stichworten.
   • In welche Richtung bewegen sich die Moleküle jeweils durch die Membran (wenn sie überhaupt durchkommen)? Bewegen sich sich alle ständig in die gleiche Richtung oder jedes Molekül in einen andere? Lässt sich eine Tendenz erkennen? Und wenn ja, wie erklärt sich diese?