Biologische Moleküle sind amphiphil oder amphipathisch, d. h. sie sind gleichzeitig hydrophob und hydrophil. Die Phospholipid-Doppelschicht enthält geladene hydrophile Kopfgruppen, die mit polarem Wasser wechselwirken. Die Schichten enthalten auch hydrophobe Schwänze, die sich mit den hydrophoben Schwänzen der Komplementärschicht treffen. Bei den hydrophoben Schwänzen handelt es sich in der Regel um Fettsäuren, die unterschiedlich lang sind. Die Wechselwirkungen der Lipide, insbesondere der hydrophoben Schwänze, bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Lipiddoppelschicht, wie z. B. die Fließfähigkeit.

Membranen in Zellen definieren typischerweise geschlossene Räume oder Kompartimente, in denen Zellen eine chemische oder biochemische Umgebung aufrechterhalten können, die sich von der Außenwelt unterscheidet. So schützt die Membran um Peroxisomen den Rest der Zelle vor Peroxiden, Chemikalien, die für die Zelle giftig sein können, und die Zellmembran trennt eine Zelle von ihrem umgebenden Medium. Peroxisomen sind eine Form von Vakuolen in der Zelle, die Nebenprodukte chemischer Reaktionen innerhalb der Zelle enthalten. Die meisten Organellen sind durch solche Membranen abgegrenzt und werden als „membrangebundene“ Organellen bezeichnet.

Selektive PermeabilitätBearbeiten

Das wohl wichtigste Merkmal einer Biomembran ist, dass sie eine selektiv permeable Struktur ist. Das bedeutet, dass die Größe, die Ladung und andere chemische Eigenschaften der Atome und Moleküle, die sie zu durchqueren versuchen, darüber entscheiden, ob dies gelingt. Selektive Permeabilität ist für die wirksame Trennung einer Zelle oder Organelle von ihrer Umgebung unerlässlich. Biologische Membranen haben auch bestimmte mechanische oder elastische Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, ihre Form zu verändern und sich je nach Bedarf zu bewegen.

Im Allgemeinen können kleine hydrophobe Moleküle Phospholipid-Doppelschichten durch einfache Diffusion leicht durchqueren.

Teilchen, die für die Zellfunktionen erforderlich sind, aber nicht frei durch eine Membran diffundieren können, gelangen durch ein Membrantransportprotein hinein oder werden durch Endozytose aufgenommen, bei der die Membran es einer Vakuole ermöglicht, sich mit ihr zu verbinden und ihren Inhalt in die Zelle zu drücken. Viele Arten spezialisierter Plasmamembranen können die Zelle von der äußeren Umgebung trennen: apikale, basolaterale, präsynaptische und postsynaptische Membranen, Membranen von Geißeln, Zilien, Mikrovillus, Filopodien und Lamellipodien, das Sarkolemm von Muskelzellen sowie spezialisierte Myelin- und Dendritenstachelmembranen von Neuronen. Plasmamembranen können auch verschiedene Arten von „Supramembran“-Strukturen wie Caveolae, postsynaptische Dichte, Podosom, Invadopodium, Desmosom, Hemidesmosom, fokale Adhäsion und Zellverbindungsstellen bilden. Diese Arten von Membranen unterscheiden sich in der Lipid- und Proteinzusammensetzung.

Unterschiedliche Arten von Membranen bilden auch intrazelluläre Organellen: Endosom; glattes und raues endoplasmatisches Retikulum; sarkoplasmatisches Retikulum; Golgi-Apparat; Lysosom; Mitochondrium (innere und äußere Membranen); Zellkern (innere und äußere Membranen); Peroxisom; Vakuole; zytoplasmatische Granula; Zellvesikel (Phagosom, Autophagosom, Clathrin-ummantelte Vesikel, COPI-ummantelte und COPII-ummantelte Vesikel) und sekretorische Vesikel (einschließlich Synaptosom, Akrosom, Melanosom und Chromaffingranula).Die verschiedenen Arten von biologischen Membranen haben unterschiedliche Lipid- und Proteinzusammensetzungen. Der Inhalt von Membranen bestimmt ihre physikalischen und biologischen Eigenschaften. Einige Bestandteile von Membranen spielen eine Schlüsselrolle in der Medizin, wie z.B. die Effluxpumpen, die Medikamente aus der Zelle pumpen.

FluidityEdit

Der hydrophobe Kern der Phospholipiddoppelschicht ist aufgrund von Rotationen um die Bindungen der Lipidschwänze ständig in Bewegung. Die hydrophoben Schwänze einer Doppelschicht biegen sich und schließen sich zusammen. Aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser sind die hydrophilen Kopfgruppen jedoch weniger beweglich, da ihre Rotation und Mobilität eingeschränkt sind. Dies führt dazu, dass die Viskosität der Lipiddoppelschicht in der Nähe der hydrophilen Köpfe zunimmt.

Unterhalb einer Übergangstemperatur verliert eine Lipiddoppelschicht an Fluidität, wenn die hochmobilen Lipide weniger Bewegung zeigen und zu einem gelartigen Feststoff werden. Die Übergangstemperatur hängt von solchen Komponenten der Lipiddoppelschicht wie der Länge der Kohlenwasserstoffkette und der Sättigung der Fettsäuren ab. Die temperaturabhängige Fluidität ist ein wichtiges physiologisches Merkmal für Bakterien und kaltblütige Organismen. Diese Organismen halten eine konstante Fluidität aufrecht, indem sie die Fettsäurezusammensetzung der Membranlipide in Abhängigkeit von der Temperatur verändern.

In tierischen Zellen wird die Membranfluidität durch den Einbau des Sterols Cholesterin moduliert. Dieses Molekül ist in besonders großen Mengen in der Plasmamembran vorhanden, wo es etwa 20 Gewichtsprozent der Lipide in der Membran ausmacht. Da Cholesterinmoleküle kurz und starr sind, füllen sie die Zwischenräume zwischen benachbarten Phospholipidmolekülen aus, die durch die Knicke in ihren ungesättigten Kohlenwasserstoffschwänzen entstehen. Auf diese Weise neigt Cholesterin dazu, die Doppelschicht zu versteifen, was sie starrer und weniger durchlässig macht.

Für alle Zellen ist die Membranfluidität aus vielen Gründen wichtig. Sie ermöglicht es den Membranproteinen, schnell in der Ebene der Doppelschicht zu diffundieren und miteinander zu interagieren, wie es beispielsweise bei der Zellsignalisierung entscheidend ist. Sie ermöglicht die Diffusion von Membranlipiden und -proteinen von den Stellen, an denen sie nach ihrer Synthese in die Doppelschicht eingebaut werden, in andere Regionen der Zelle. Sie ermöglicht es den Membranen, miteinander zu verschmelzen und ihre Moleküle zu vermischen, und sie sorgt dafür, dass die Membranmoleküle bei der Teilung einer Zelle gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt werden. Wären biologische Membranen nicht flüssig, wäre es schwer vorstellbar, wie Zellen leben, wachsen und sich vermehren könnten.