Wie entsteht die selektive Permeabilität?
Aufgrund ihres Aufbaus sind Biomembranen selektiv permeabel, d. h. sie lassen nur bestimmte Teilchen passieren. Diese Eigenschaft ist für die Existenz einer Zelle essentiell (lebensnotwendig). Die Phospholipide, die die Membran bilden, erzeugen aufgrund ihrer Anordnung innerhalb der Doppelschicht eine wasserabweisende (hydrophobe) Region. Diese Region verhindert das Passieren von nicht hydrophoben Teilchen, also nicht polaren (apolaren) Teilchen. Somit leistet allein dieser simple Aufbau einen großen Beitrag zur Selektivität einer Biomembran. Konkret bedeutet dies, dass fettlösliche und nicht polare Substanzen die Membran leichter passieren können als wasserlösliche (polare) Substanzen.
Ein Beispiel:
Das Sauerstoffmolekül ist ein absolut symmetrisches Molekül und daher nicht polar (apolar). Es kann somit sehr gut Biomembranen passieren. Anders sieht es z. B. mit Wassermolekülen aus. Sie sind polar und können daher die Biomembranen eher schlecht passieren. D. h. aber nicht, dass KEINE Wassermoleküle die Membran passieren, sondern, dass nur eine geringe Anzahl von Wassermolekülen (pro Zeiteinheit) eine Membran passieren kann.
Wir reden von vielen Teilchen, die sich statistisch (d. h. zufällig) in alle möglichen Richtungen bewegen. Sowohl Wassermoleküle als auch Lipidmoleküle der Membran sind in ständiger Bewegung. Statistisch werden also allein aufgrund dieser Bewegung einige Wassermoleküle die Membran passieren können. Zudem ist zu beachten, dass je kleiner die Teilchen sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie die Membran passieren.
Wasser oder andere polare Teilchen können in begrenztem Maße die Membran in beide Richtungen passieren. Durch Kanäle, die den Durchlass des Wassers durch die Membran erleichtern, können pro Sekunde mehrere Milliarden Wassermoleküle transportieren. Ohne diese Kanäle (Aquaporine) würden zwar Wassermoleküle die Membran passieren können, dies würde aber sehr lange dauern. Die selektive Permeabilität der Membran entsteht also durch den Aufbau der Lipiddoppelschicht in Zusammenspiel mit vorhandenen Membranproteinen.
Brownsche Molekularbewegung
Die Grundlage der Diffusion ist die ständige zufällige Bewegung von Teilchen, die sogenannte Brownsche Molekularbewegung. Der schottische Botaniker Robert Brown entdeckte im Jahr 1827, dass mikroskopische Teilchen sich ständig und zufällig in verschieden Richtungen bewegen. Dabei wechseln sie ihre Richtung ruckartig.
Jede Bewegung benötigt Energie. Wenn sich die Teilchen in ständiger Bewegung befinden, müssen sie in gewisser Weise Energie besitzen. Die Wärmeenergie ist der Grund für die ständige Teilchenbewegung.
Je höher die Wärmeenergie ist, desto schneller und chaotischer bewegen sich die Teilchen und desto höher ist ihre Temperatur. Die Temperatur ist eigentlich nichts anders als die gemittelte Bewegungsenergie der Teilchen. Wenn die Wärmeenergie abnimmt, bewegen sich die Teilchen langsamer, ihre Temperatur nimmt ab (sie werden kälter). Schließlich, wenn die Wärmeenergie den Wert Null erreicht, hört die Brownsche Molekularbewegung komplett auf. Dies geschieht bei der niedrigsten Temperatur im Universum (ca. -273°C). Diese Temperatur wird auch der absolute Nullpunkt genannt.
Was ist ein Konzentrationsgefälle?
Die Abbildung zeigt einen Zuckerwürfel (braun), der ins Wasser (blau) eingetaucht wurde. Die Anzahl der Zuckerteilchen (braune Kreise) ist auf der linken Seite größer als auf der rechten Seite des Behälters. In diesem Fall sagt man auch, dass die Konzentration von Zucker auf der linken Seite höher ist als auf der rechten Seite. Fachbegriff: Es herrscht ein Konzentrationsgefälle zwischen den beiden Seiten der Lösung.
Dabei befinden sich sowohl die Wassermoleküle als auch die Zuckerteilchen in ständiger Bewegung (Brownsche Molekularbewegung). Dies führt dazu, dass sich die Zuckerteilchen nach einiger Zeit überall im Behälter verteilen. Sowohl die Bewegung von Wassermolekülen als auch die von Zuckerteilchen ist rein zufällig. Dennoch sieht es nach einiger Zeit so aus als ob sich die Zuckerteilchen entlang ihres Konzentrationsgefälles von links nach rechts ausbreiten. Dieses Phänomen wird als Diffusion bezeichnet.
Was heißt denn es sieht nur so aus?
Es sieht nur so aus, als ob sich die Teilchen „bewusst“ entlang ihres Konzentrationsgefälles bewegen, denn in Wirklichkeit bewegen sie sich immer noch zufällig in alle möglichen Richtungen (Brownsche Molekularbewegung).
Welche Bedeutung hat die Diffusion für die Zelle?
Durch die Diffusion gelingen viele Stoffe, die die Membran normalerweise nicht passieren können, ohne Energieverbrauch in die Zelle. Die Diffusion benötigt keine Energie, da im Konzentrationsgefälle selbst die benötigte Energie gespeichert ist. Zum Beispiel ist aufgrund von Zellatmung die Konzentration von Sauerstoff in der Zelle immer niedriger als im Blut. Deswegen diffundiert Sauerstoff ständig aus dem Blut in die Zellen hinein. Umgekehrt verhält es sich mit Kohlendioxid (CO2).