Warum können polare Moleküle nur mit Hilfe von Kanälen etc. durch die Membran?
Ich lerne gerade für eine Biologieklausur zum Thema Biomembran und frage mich, warum vor allem unpolare Moleküle einfach durch die Membran diffundieren können, polare Moleküle dagegen nur mit Hilfe von Carrierproteinen bzw. Kanälen durch die Membran passieren. Woran liegt das oder bin ich auf einem ganz falschen Weg?
2 Antworten
Moin,
das erklärt die Erkenntnis: »similia similibus solvuntur« (lateinisch für „Gleiches löst sich in Gleichem.”).
Eine Biomembran besteht zu ganz wesentlichen Anteilen aus einer Doppellipidschicht. Diese Doppellipidschicht ihrerseits setzt sich zum größten Teil aus Phospholipiden zusammen. Die Phospholipide wiederum bestehen aus zwei Fettsäuren, die mit einem Glycerin-Grundkörper verestert sind, an dem außerdem noch ein Phosphatrest gebunden ist.
Dadurch entsteht ein kleiner hydrophiler („wasserliebender”), aber lipophober („fettabweisender”) Teil (der sogenannte „Kopf”) und ein größerer hydrophober („wasserabweisender”), aber lipophiler („fettliebender”) Teil (der sogenannte „Schwanz”).
Tja, und da der hydrophobe, aber lipophile Schwanz größer ist und sich die Schwänze von verschiedenen Phospholipiden aneinander legen, entsteht eine Doppelschicht von Schwänzen, die alle kein Wasser mögen.
Doppellipidschicht: Rot sind die hydrophilen Köpfe, grau-weiß die hydrophoben Schwänze.
Die Schwänze bestehen aus relativ langen Kohlenwasserstoffketten. Die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in diesen Ketten sind völlig unpolar, die zwischen Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen nahezu unpolar.
Ionen sind nun aber geladene Teilchen. Solche Teilchen sind hydrophil und lipophob. Sie lösen sich gut in polaren Lösungsmitteln wie Wasser, aber schlecht bis gar nicht in lipophilen Lösungsmittel wie Ölen oder Alkanen...
Weil also die Schwänze fettähnlich bzw. wie hydrophobe Lipide sind, können geladene Ionen nicht durch sie hindurch, weil sie sich in den Kohlenwasserstoffketten nicht lösen lassen.
Andere Lipide können durch die Membran, weil sie zu den Schwänzen lösungstechnisch passen.
Wasser ist ein polares Lösungsmittel mit polaren Bindungen. Eigentlich sollte man erwarten, dass auch Wasser deshalb nicht durch die Membran kommen sollte. Aber das Wassermolekül ist so klein, dass es die Membran eben doch durchdringen kann. Die echten elektrischen Ladungen an einem Ion verhindern das aber, da die Ionen zusätzlich zu ihrer Ladung auch noch von einer Hydrathülle (einer Hülle aus Wassermolekülen) umgeben sind. Die Ladung und die Hydrathülle um die Ionen machen es ihnen in der Regel unmöglich, die Doppellipidschicht einfach so zu überwinden.
Deshalb können solche Ionen die Membran nur mit Hilfe von Ionenkanälen, Carriern oder Ionenpumpen überwinden.
Alles klar?
LG von der Waterkant
Die Zellmembranen bestehen größtenteils aus Lipiden (fettähnlichen Substanzen). Die mischen sich mit unpolaren Stoffen, aber nicht mit polaren wie Wasser und anderen Dipolmolekülen und natürlich Ionen.
Die Kanäle haben polare innere Oberflächen, die Ionen aus ihrer "Hydrathülle" lösen können.
Außerdem haben die Kanäle den Vorteil, dass sie sich schließen lassen, und dadurch polare Stoffe nur dann durchlassen, wenn es sein soll.