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Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen

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Bio-Team
Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen

Inhalt

Membranmodelle im Wandel

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurde durch den englischen Biologen Charles Ernest Overton bekannt, dass die Biomembran aus Lipiden besteht. Daraufhin entstanden in der Biologie Membranmodelle, die fortlaufend modifiziert wurden und noch immer werden.

Was ist ein Membranmodell?

Membranmodelle sind einfach erklärt. Grundsätzlich gibt es vier bedeutende Membranmodelle, die alle aufeinander aufbauen. Die Modelle verdeutlichen den Basisaufbau der Biomembran und somit auch den Membranaufbau jeder Zelle. Mit ihrer Hilfe kann man die komplexen zellulären Membranstrukturen vereinfacht und anschaulich darstellen.

Welche Membranmodelle gibt es?

Die Phospholipideinzelschicht

Im Jahr 1917 ging der US-amerikanische Wissenschaftler Irving Langmuir davon aus, dass sich die Phospholipide zu einer Einzelmembran zusammenlagern und mit den hydrophilen Köpfen auf einer Wasseroberfläche aufliegen. Der lipophile Schwanz wurde dabei nicht weiter berücksichtigt.

Die Phospholipiddoppelschicht

Im Jahr 1925 stellten die niederländischen Wissenschaftler Evert Gorten und Francois Grendel fest, dass es sich bei der Biomembran nicht um eine Einzelschicht, sondern um eine Lipiddoppelschicht handelt. Dieses sogenannte Bilayer-Modell beschreibt, dass die hydrophilen Köpfe die äußere Membran und die lipophilen Schwänze den inneren Teil der Membran bilden.

Das Sandwich-Modell

Die englischen Wissenschaftler James Danielli und Hugh Davson erweiterten das Modell der Phospholipiddoppelschicht im Jahr 1950. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Lipiddoppelschicht von einer starren Proteinschicht umgeben ist. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass diese Membranproteine ausschließlich hydrophile Eigenschaften aufweisen.

Das Flüssig-Mosaik-Modell

Dieses Modell entstand im Jahr 1972 durch Seymour Jonathan Singer und Garth Nicolson und wurde anschließend von Frye & Michael Eddin erweitert. Die mittlerweile etablierte Phospholipiddoppelschicht weist sowohl hydrophile als auch lipophile Membranproteine auf. Zudem kann ein einziges Protein beide Eigenschaften haben. Die Membran ist in ständiger Bewegung. Membranproteine sind beweglich und diffundieren innerhalb der gallert- bzw. gelartigen Biomembran. Allerdings wird die freie Bewegung durch die Interaktion der Proteine untereinander eingeschränkt.

Die Abbildung der Membranmodelle gibt einen Überblick über die wichtigsten historischen Modelle und zeigt schließlich das bis heute gültige Flüssig-Mosaik-Modell.

Biomembran, historische und aktuelle Modellvorstellungen

Die Beispiele der Membranmodelle zeigen, dass mit fortschreitender Technik weitere Eigenschaften der Biomembran entdeckt werden können. Somit ist die Geschichte der Membranmodelle wahrscheinlich noch nicht vollständig abgeschlossen.

Membranmodelle – Zusammenfassung

  • Membranmodelle zeigen den Aufbau der zellulären Biomembran und werden fortlaufend modifiziert.
  • Die historische Entwicklung der Modelle führte von einer Phospholipideinzelschicht über eine Phospholipiddoppelschicht und das Sandwich-Modell bis hin zum heutigen Flüssig-Mosaik-Modell.

Im Video zur Biomembran werden dir die einzelnen Membranmodelle detailliert erklärt. Du erfährst, welche Wissenschaftler an ihren Entwicklungen beteiligt waren und wodurch es immer wieder zu neuen Erkenntnissen kam. Auch zum Thema Biomembran gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt – du kannst dein neu gewonnenes Wissen also sogleich testen!

Transkript Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen

Hallo! Wie man sich heute eine Biomembran vorstellt, weißt du sicher. Aber hast du auch eine Idee, wie man sich früher Biomembranen vorstellte und wie man zu dem heutigen Modell von Biomembranen gelangte?

Das möchte ich dir in diesem Video erklären und dir dabei verschiedene historische Modellvorstellungen der Biomembran zeigen. Dabei wirst du sehen, wie sich z.B. Langmuir zu Beginn des 20. Jahrhunderts oder Danielli und Davson Mitte des 20. Jahrhunderts eine Biomembran vorstellten. Auch werde ich dir die späteren Modelle von Singer und Nicolson und Frye und Edidin zeigen, die heute noch weitestgehend gültig sind.

Overton

Schon am Ende des 19. Jahrhunderts nahm der englische Biologe Overton an, dass eine Biomembran aus Lipiden besteht. Er hatte beobachtet, dass lipophile, also fettlösliche, Stoffe viel besser in eine Zelle gelangen können als hydrophile, also wasserlösliche, Stoffe.

Langmuir

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts, genauer im Jahr 1917, stellte der amerikanische Chemiker Langmuir weitere Vermutungen zur Biomembran an. Er verwendete Phospholipide, die, wie du sicher weißt, aus einem hydrophilen, also polaren, Kopf und einem lipophilen, also unpolaren, Schwanz-Teil bestehen.

Langmuir vermutete, dass diese auf einer Wasseroberfläche schwimmen, wobei der hydrophile Teil dem Wasser zugewandt ist und der lipophile Teil aus dem Wasser heraus ragt. Er stellte auf diese Weise künstliche Phospholipidmembranen her.

Gorter und Grendel

Die niederländischen Wissenschaftler Gorter und Grendel erweiterten das Modell. Sie hatten den Gehalt an Phospholipiden in roten Blutkörperchen gemessen und schlossen darauf hin auf eine Lipiddoppelschicht als Zellmembran.

In ihrem Modell sind die Phospholipide so angeordnet, dass die liphophilen Teile der Moleküle im Inneren der Membran aneinander gelagert sind, während die hydrophilen Teile der Moleküle nach Außen zeigen. Man spricht bei diesem Modell auch vom Bilayer-Modell. In diesem Modell wurde der hohe Proteinanteil einer Biomembran allerdings noch nicht berücksichtigt.

Davson und Danielli

Das geschah erst Mitte des 20. Jahrhunderts. Denn in den 1950er Jahren erweiterten die Forscher Davson und Danielli das Bilayer-Modell zum so genannten Sandwich-Modell. Dieses besagt, dass die Lipid-Doppelschicht beidseitig von einer starren Proteinschicht bedeckt ist. Auch die ersten Aufnahmen mit Elektronenmikroskopen unterstützten dieses Modell, so dass das Sandwich-Modell viele Jahre Bestand hatte.

Singer und Nicolson

In der Zwischenzeit wurden weitere Experimente gemacht und das Sandwich-Modell konnte zahlreiche Eigenschaften von Membranproteinen nicht erklären.

Daher wurde das Sandwich-Modell von Singer und Nicolson 1972 zum so genannten Flüssig-Mosaik-Modell erweitert. Nach diesem Modell besteht die Biomembran aus einer Lipiddoppelschicht, in die Proteine ein- und angelagert sind. Einige der Membranproteine reichen durch die Membran hindurch und ragen auf beiden Seiten der Membran in das wässrige Milieu hinein.

Andere ragen nur an einer Seite in das wässrige Milieu. Wieder andere sind der Membran nur aufgelagert. Das Flüssig-Mosaik-Modell erklärt damit Beobachtung, dass isolierte Membranproteine gleichzeitig hydro- und auch lipophile Eigenschaften haben können. Das Sandwich-Modell ging dagegen allein von hydrophilen Eigenschaften aus.

Frye und Edidin

Zur gleichen Zeit fanden die Forscher Frye und Edidin heraus, dass die Membran in ständiger Bewegung ist. Die beiden Forscher hatten Experimente mit Farbstoffen gemacht und die Beweglichkeit von Membranproteinen innerhalb der Membran festgestellt.

Du kannst dir die Membran also wie eine zähe Flüssigkeit vorstellen, in der die Proteine schwimmen und sich frei bewegen können. Daher stammt auch der Name Flüssig-Mosaik-Modell für dieses Membranmodell.

Dieses Membranmodell ist noch heute gültig und berücksichtigt die zahlreichen Eigenschaften von Biomembranen und Membranproteinen. Man weiß heute allerdings, dass aufgrund der hohen Konzentration an Proteinmolekülen in der Lipid-Doppelschicht eine Interaktion stattfinden muss. Die Membranproteine beeinflussen sich also untereinander, sodass sie sich nicht völlig ungehindert durch die Membran bewegen können.

Zusammenfassung

Du hast in diesem Video gesehen, wie sich die Modelle der Biomembran mit der Zeit verändert haben: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts ging Langmuir von einer einschichtigen Phospolipid-Schicht aus. Gorter und Grendel nahmen eine Lipid-Doppelschicht in ihr Modell von der Biomembran auf.

Davson und Danielli vermuteten, dass die Lipid-Doppelschicht beidseitig von Proteinen bedeckt ist. Die prägten also das Sandwich-Modell. Singer und Nicolson sowie Frye und Edidin erstellten das noch heutige Flüssig-Mosaik-Modell, in welchem Proteine in der Biomembran eingelagert oder angelagert sind. Sie sind außerdem frei beweglich. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

13 Kommentare

13 Kommentare
  1. sehr gutt gemachtttt

    Von Moha, vor 8 Monaten
  2. Danke , BONUSAUFGABE nicht freigeschaltet HEUL :(

    Von David E., vor mehr als einem Jahr
  3. Danke für die gute Erklärung

    Von Weissphal, vor etwa 2 Jahren
  4. Ein weniger genauer (also mit Kohlenhydraten und Cholesterol) wäre beim Flüssig-Mosaik-Modell toll! Sonst aber sehr hilfreich.

    Von Thalamus, vor mehr als 2 Jahren
  5. Genau was ich brauchte

    Von Alexej B., vor etwa 4 Jahren
Mehr Kommentare

Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Biomembran – historische und aktuelle Modellvostellungen kannst du es wiederholen und üben.
  • Ordne die verschiedenen Erkenntnisse über die Biomembran nach ihrer Entdeckung.

    Tipps

    Man erkannte erst später, dass Proteine auch in die Membran integriert sind.

    Lösung

    Das Modell der Biomembran entwickelte sich vom 19. bis zum 21. Jahrhundert stets weiter. Neue Forschungsmethoden ermöglichten auch neue Erkenntnisse, die immer genauere Details im Aufbau der Biomembran aufzeigten.

    Anfangs konnte man feststellen, dass die Membran lipophil sein muss, da lipophile Stoffe besser in die Membran eindringen konnten als lipophobe. Später erkannte man, dass die Membran tatsächlich aus Phospholipiden besteht. Aufbauend auf dieser Erkenntnis stellte man später fest, dass es sich sogar um eine Phospolipiddoppelschicht handeln muss (Bilayer-Modell). Erst nach der Entwicklung dieses Modells konnte man Untersuchungen entwerfen, um die Oberfläche der Membran besser zu verstehen. Man erkannte im Elektronenmikroskop, dass die Membran mit Proteinen überzogen ist (Sandwichmodell). Um alle Eigenschaften der Biomembran erklären zu können, musste das Modell aber noch weiter entwickelt werden. Man erforschte daraufhin, dass es sich um eine flexible Membran handelt, in der auch Proteine integriert sind (Flüssig-Mosaik-Modell).

  • Bestimme den richtigen Wissenschaftler zum entsprechenden Modell der Biomembran.

    Tipps

    Das Bilayer-Modell beschreibt die Biomembran als Phospholipiddoppelschicht.

    Das Sandwichmodell erweitert das Bilayer-Modell. Es beschreibt zusätzlich eine starre Proteinschicht, die an die Membran gelagert ist.

    Lösung

    Das Modell der Biomembran entwickelte sich mit Hilfe neuer Methoden stets weiter. Hinter jeder neuen Erkenntnis steckt aber auch ein Team aus Wissenschaftlern, denen dieses Modell zu verdanken ist. Die ersten Erkenntnisse über die Membran führten noch zu keinen konkreten Modellen. Overton entdeckte, dass die Membran lipophil sein muss, während Langmuir bereits Phospholipide als Bestandteil vermutete. Das erste namhafte Modell, das Bilayer-Modell aus einer Phospholipiddoppelschicht, geht auf Gorter und Grendel zurück. Danielli und Davson entwickelten dieses weiter zum Sandwichmodell, das bereits eine starre Proteinschicht auf der Membran berücksichtigte. Schließlich entwarfen Singer und Nicolson daraus das Flüssig-Mosaik-Modell, welches die Membran als flexibel beschreibt und integrierte Proteine berücksichtigt.

  • Bestimme, welche der Aussagen man aus dem Bilayer-Modell ableiten kann.

    Tipps

    Hydrophile Stoffe sind polar, lipophile Stoffe sind unpolar.

    Polare und unpolare Stoffe stoßen sich ab.

    Lösung

    Eine Biomembran besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. Phospholipide bestehen aus einem lipophilen und unpolaren Schwanz und einem hydrophilen und polaren Kopf. Polare und unpolare Stoffe stoßen sich jedoch ab. Das Innenmedium einer Zelle ist jedoch auch polar. Die Phospholipide lagern sich daher so zusammen, dass ihre polaren Köpfe nach außen zeigen und ihre unpolaren Schwänze ein eingeschlossenes lipophiles Medium bilden. Das führt jedoch dazu, dass polare Substanzen dieses lipophile Medium nur schlecht durchdringen können. Polare Stoffe passieren die Biomembran daher nur schlecht. Proteine werden im Bilayer-Modell noch nicht berücksichtigt.

  • Bewerte die Gültigkeit des „Sandwichmodells“ der Biomembran.

    Tipps

    Diese Abbildung zeigt das Sandwichmodell.

    Proteine, die an der Außenseite der Membran sitzen, müssten polar sein.

    Lösung

    Das „Sandwichmodell“ der Biomembran von Danielli und Davson von 1950 beschreibt schon viele Details, die auch moderne Modelle berücksichtigen. Demnach ist die Biomembran eine Phospholipiddoppelschicht mit einem inneren lipophilen Milieu. Zudem befinden sich Proteine an der Membran. Bilder des Elektronenmikroskops zeigen jedoch, dass diese Proteine keineswegs wie im Modell als eine starre Schicht gleichmäßig über die Membran verteilt sind, sondern mal mehr und mal weniger auftreten. Man hat zudem mithilfe von Markierungen einzelner Proteine herausgefunden, dass sich Membranproteine innerhalb der Biomembran bewegen können und nicht an einem Ort verankert sind. Zudem weiß man heute, dass Proteine auch durch dir Membran durchreichen. Würden die Proteine nur an der Außenseite der Membran sitzen, würden sie ebenfalls polar sein. Diese durchgängigen Proteine weisen jedoch polare und unpolare Bereiche auf, um die gesamte Membran überbrücken zu können.

  • Ordne den Bestandteilen des Phospholipids die entsprechenden Eigenschaften zu.

    Tipps
    Lösung

    Phospholipide sind Hauptbestandteile von Biomembranen. Sie lagern sich dabei zu einer Phospholipiddoppelschicht zusammen. Der besondere Aufbau eines Phospholipids bestimmt dabei die Eigenschaft der Membran. Polare Stoffe sind hydrophil oder „wasserliebend“. Sie neigen sich zum Wasser, stoßen aber Fett (Lipide) ab. Unpolare Stoffe hingegen sind lipophil oder „fettliebend“. Sie neigen sich zu Fettstoffen hin, stoßen aber Wasser ab. In der Zelle lagern sich die Phospholipide in der Doppelschicht daher so zusammen, dass ihre polaren Köpfe nach außen zeigen und ihre unpolaren Schwänze miteinander verbunden sind.

  • Leite die Versuchsergebnisse aus dem Experiment von Gorter und Grendel ab.

    Tipps

    Ein „Lipidfilm“ meint eine dünne Schicht zusammenhängender lipophiler Stoffe.

    Gorter und Grendel entwarfen das Bilayer-Modell der Biomembran.

    Lösung

    Gorter und Grendel entwarfen das Bilayer-Modell der Biomembran. Dieses beschreibt die Membran als Phospholipiddoppelschicht. Sie entwickelten ihr Modell nach dem beschriebenen Experiment. Da die Membran aus Phospholipiden besteht (polarer Kopf, unpolarer Schwanz), lagern sich die Phospholipide zunächst mit der Kopfseite zum Wasser an. Die unpolaren bzw. lipophilen Schwänze ragen dabei in die Luft und bilden einen dünnen Fettfilm an der Wasseroberfläche. Die Oberfläche der gesamten Phospholipid-Fragmente war dabei doppelt so groß wie die Oberfläche der Blutzelle. Gorter und Grendel entwarfen das Modell der Phospholipiddoppelschicht, berücksichtigten jedoch noch keinerlei Proteine in ihrem Membranmodell.

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