Semipermeable Membran erklärt

Der Begriff Membran, aus dem Lateinischen für „Häutchen“, definiert dünne großflächige Strukturen, deren Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Durchmesser groß ist. Membranen haben funktional unterschiedliche Eigenschaften, deren Hauptaufgabe es ist, zwei verschiedene Kompartimente voneinander zu trennen, zu Umhüllen oder sich in Schwingung versetzen zu lassen.

Die bekanntesten Membranen auf zellulärer Ebene sind die Zellmembranen, die Biomembranen sowie die Flugmembranen und Schwimmhäutchen. Da oftmals die Natur Pate für neue technische Errungenschaften steht, ist es nicht verwunderlich, dass technische Membranen, denen der Natur oftmals sehr ähneln. Gute Beispiele für technische Membranen sind Schwingungsmembranen akustischer Systeme sowie Filtermembranen zur verfahrenstechnischen Trennung von Stoffen.

Der Aufbau der Biomembran

Aus biologischer Sicht ist eine Membran eine Struktur, deren Hauptbestandteile Lipide und Proteine sind. Darüber hinaus enthalten Membranen Kohlenhydrate sowie Ionen, die für die Stabilität der Struktur sorgen. Die ersten gängigen Modelle des molekularen Aufbaus einer Biomembran entwickelten sich weit vor der Einführung eines Elektronenmikroskops, unter der Annahme, dass Membranen aus Lipiden bestehen, da fettlösliche Substanzen (lipophil) viel einfacher die Barriere der Zellschicht durchquerten als fettunlösliche, sogenannte lipophobe Substanzen.

Die anteilsmäßig am häufigsten vertretenen Lipide in den Biomembranen sind die Phospholipide. Sie sind ihrer Moleküleigenschaft nach amphipathisch, das heißt, dass ihre Molekülstruktur sowohl aus einem hydrophilen als auch einen hydrophoben Bereich besteht. Mit diesem Wissen konnte I. Langmuir 1917 die erste künstliche Membran erzeugen, indem er Phospholipide in Benzol, einem organischen Lösungsmittel löste und es zu Wasser gab. Nach der Verdunstung des Benzols blieben die Lipide als eine Schicht beziehungsweise ein Film auf dem Wasser zurück. Die Phospholipide ordneten sich zu einer Doppelschicht an, indem die hydrophilen Teile der Moleküle mit dem Wasser in Kontakt treten, die hydrophoben hingegen vom Wasser abgeschirmt werden. Es entsteht somit eine stabile Grenze zwischen zwei wässrigen Kompartimenten.

Die semipermeable Membran

Die Permeabilität beziehungsweise Durchlässigkeit einer Membran beschreibt die Eigenschaft der Barriere für einige Stoffe durchlässig zu sein, für andere hingegen nicht. Wiederum kann der Aufbau der Biomembran hinzugezogen werden, um diese Eigenschaft näher zu analysieren. Biomembranen betreiben selektive Permeabilität. Die Eigenschaft und der Aufbau des hydrophoben Innenbereiches der Membran behindern den Transport von Ionen, geladenen Teilchen und polaren Molekülen, da diese hydrophil sind. Entgegen diesem Bestreben verhalten sich hydrophobe Moleküle wie Kohlenwasserstoffe oder kleine ungeladene Teilchen, zum Beispiel Sauerstoff und Kohlendioxid, entsprechend entgegengesetzt und passieren die Barriere ohne Mühe. Das Gleiche gilt für Wasser, ein Lösungsmittel, dessen Moleküle zwar auch polar sind, aber klein genug für die Passage. Für große polare Moleküle wie Glucose ist die Membran hingegen undurchdringlich. Dies gilt auch für alle Ionen, die aufgrund ihrer Ladung eine größere Wasserhülle um sich tragen.

Die Biomembran ist eine fluide, selektiv permeable Membran, die durch das sogenannte Flüssig-Mosaik-Modell beschrieben wird. Die Eigenschaft der Lipide begünstigt eine Bewegung der Membran, die zum Beispiel durch Kälte oder Cholesterin wiederum eingeschränkt werden kann. In der Membranschicht beziehungsweise der flüssigen Grundsubstanz der Lipiddoppelschicht sind Proteine eingelagert, die entweder als Rezeptoren, Enzyme oder Transportproteine fungieren. Damit ist es biologischen Membranen möglich, für bestimmte Ionen und polare Moleküle durchlässig zu sein, da sie von Transportproteinen durch diese hindurchgeschleust werden. Die Membran ist selektiv permeabel.

Der passive Transport von Teilchen

Die Diffusion von Teilchen im flüssigen Medium

Die Eigenschaft von Molekülen ist das Streben nach einer ungeordneten Molekularbewegung aufgrund ihrer kinetischen Energie. Die Diffusion ist somit eine Wärmebewegung von Flüssigkeits- und Gasmolekülen und die damit einhergehende gleichmäßige Verteilung im Raum. Die Thermodynamik des zugrundeliegenden Prozesses ist zunächst ungeordnet, wenn man diesen auf Molekülebene betrachtet, hingegen geordnet im Sinne der ganzen Substanz. Es gilt: solange keine anderen Kräfte wirken, diffundieren Substanzen aus dem Bereich erhöhter Konzentration in den Bereich einer niedrigen Konzentration.

Dabei diffundieren die Teilchen entlang eines Konzentrationsgefälles. Dieses Konzentrationsgefälle stellt selbst eine potentielle Energie dar und ist der eigentliche Wirkmechanismus der Diffusion. Die Diffusion gelöster Stoffe durch eine Membran wird durch ihre Permeabilität bestimmt. Ist eine Membran für alle im Lösungsmittel gelösten Stoffe passierbar, so werden sich diese in beiden Kompartimenten gleichmäßig verteilen, bis ein Fließgleichgewicht herrscht. Die Moleküle diffundieren nun durch die Membran mit gleicher Häufigkeit. Wasser hingegen ist ein Stoff, der ungehindert durch die Membran diffundiert. Wichtig dabei ist zu verstehen, dass jede Substanz seinem eigenen Konzentrationsgefälle folgt und somit unabhängig von anderen gelösten Stoffen ist.

Die Osmose, der passive Transport von Wassermolekülen

Vergleicht man zwei Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration gelöster Substanz, wird die Lösung mit höherer Konzentration hypertonisch, diejenige mit geringerer Konzentration hypotonisch und Lösungen mit der gleichen Konzentration gelöster Stoffe hingegen isotonisch genannt. Dabei ist die Zahl der gelösten Teilchen das alles Entscheidende.

Werden zwei unterschiedlich konzentrierte Lösungen (z.B. Zuckerlösungen) durch eine Membran voneinander getrennt, die für das Lösungsmittel Wasser durchlässig ist, jedoch undurchlässig für den gelösten Stoff (semipermeable Membran), diffundiert das Wasser von der hypotonischen Lösung zur hypertonischen Lösung, um diese zu verdünnen. Dieser passive Transport des Wassers durch eine Membran wird Osmose genannt und führt zu einem Konzentrationsausgleich in beiden Kompartimenten. Die Richtung der Osmose ist dabei ausschließlich abhängig von der Gesamtkonzentration der gelösten Teilchen. Bei der Diffusion des Wassers baut dieses in der hypertonischen Flüssigkeit einen Druck auf. Im Gegensatz dazu bezeichnet man denjenigen Druck, der ausgeübt werden muss, um das Eindringen der Lösungsmittelteilchen durch eine semipermeable Membran zu verhindern, als osmotischen Druck.

Osmose ist das grundlegende Prinzip von Flüssigkeitstransporten durch biologische Zellmembranen und findet zudem technische Anwendung in der Osmometrie, also der Bestimmung von Molmassen unterschiedlicher Moleküle. Zudem kommen Osmoseanlagen bei bemannten Weltraummissionen zum Einsatz, indem Trinkwasseraufbereitung mithilfe der Umkehrosmose umgesetzt wird.

Quellen

• Neil A. Campbell. Biologie. Spektrum Verlag
• Peter W. Atkins. Physikalische Chemie. VCH Verlag
• Brockhaus, Natur - Wissenschaft - Technkik
• GROHMANN, Andreas Nikolaos, et al. Wasser: Chemie, Mikrobiologie und nachhaltige Nutzung. Walter de Gruyter, 2011

Artikel vom 19.01.2019