De Membraan permeabiliteit karakteriseert de permeabiliteit van moleculen door het celmembraan. Alle cellen zijn gescheiden van de intercellulaire ruimte door biomembranen en bevatten tegelijkertijd celorganellen die op hun beurt omgeven zijn door membranen. De doorlaatbaarheid van de membranen is noodzakelijk voor het vlotte verloop van de biochemische reacties.
Wat is de doorlaatbaarheid van het membraan?
De membraanpermeabiliteit wordt gedefinieerd als de permeabiliteit van het biomembraan voor vloeistoffen en opgeloste stoffen. Celmembranen zijn echter niet voor alle stoffen doorlaatbaar. Daarom worden ze ook wel semipermeabele membranen (semi-permeabele membranen) genoemd.
Biomembranen bestaan uit twee fosfolipidenlagen die doorlatend zijn voor gassen zoals zuurstof of kooldioxide, evenals voor lipide-oplosbare, niet-polaire stoffen. Deze stoffen kunnen via normale diffusie door de membranen gaan. Polaire en hydrofiele moleculen worden niet doorgelaten. Ze kunnen alleen via passieve of actieve transportprocessen door het membraan worden getransporteerd.
Membranen beschermen de binnenste cellulaire ruimte en de ruimte binnen de celorganellen. Ze zorgen voor het behoud van speciale chemische en fysische omstandigheden voor belangrijke biochemische reacties zonder externe inmenging.
De doorlaatbaarheid van de membranen zorgt voor selectief transport van vitale stoffen uit de extracellulaire ruimte naar de cel en de verwijdering van stofwisselingsproducten uit de cel. Hetzelfde geldt voor de individuele celorganellen.
Functie en taak
Membranen zijn absoluut noodzakelijk voor het ongestoorde proces van vitale biochemische reacties in de cellen en de celorganellen. De membraandoorlaatbaarheid is net zo belangrijk om de cellen te kunnen voorzien van belangrijke voedingsstoffen zoals eiwitten, koolhydraten of vetten. Mineralen, vitamines en andere actieve ingrediënten moeten ook door het membraan kunnen. Tegelijkertijd ontstaan er stofwisselingsproducten die uit de cel moeten worden afgevoerd.
De membranen zijn echter alleen permeabel voor lipofiele moleculen en kleine gasmoleculen zoals zuurstof of kooldioxide. Polaire, hydrofiele of grote moleculen kunnen alleen via transportprocessen door het membraan worden getransporteerd. Hiervoor zijn er passieve en actieve mogelijkheden voor membraantransport.
Passief transport werkt zonder energie te leveren in de richting van een potentiaal- of concentratiegradiënt. Kleinere lipofiele moleculen of gasmoleculen zijn onderhevig aan normale diffusie. Normale diffusie is niet meer mogelijk met grotere moleculen. Bepaalde transporteiwitten of kanaaleiwitten kunnen hier het transport vergemakkelijken. De transporteiwitten overspannen het membraan als een tunnel. Kleinere polaire moleculen kunnen door deze tunnel worden geleid via de werking van polaire aminozuren. Dit maakt ook het transport van kleine geladen ionen door de tunnel mogelijk.
Een andere passieve transportoptie vloeit voort uit de werking van dragereiwitten die gespecialiseerd zijn in bepaalde moleculen. Wanneer het molecuul is gekoppeld, veranderen ze hun conformatie en transporteren ze het door het membraan.
Bij actief membraantransport is de aanvoer van energie noodzakelijk. Het corresponderende molecuul wordt tegen een concentratiegradiënt of een elektrische gradiënt getransporteerd. Energieleverende processen zijn het resultaat van de hydrolyse van ATP, de opbouw van een ladingsgradiënt in de vorm van een elektrisch veld of de toename van entropie door het opbouwen van een concentratiegradiënt.
Endocytose of exocytose is beschikbaar voor stoffen die helemaal niet door het membraan kunnen dringen. Bij endocytose neemt de invaginatie van het biomembraan een druppel vloeistof op en transporteert deze de cel in. Hierdoor ontstaat een zogenaamd endosoom, dat belangrijke stoffen naar het cytoplasma transporteert. Tijdens exocytose worden afvalproducten in het cytoplasma naar buiten afgevoerd door met membraan bedekte transportblaasjes.
Ziekten en aandoeningen
Verstoringen van de membraanpermeabiliteit kunnen tot verschillende ziektetoestanden leiden. De veranderingen hebben invloed op de doorlaatbaarheid van de verschillende ionen. Stoornissen van de membraandoorlaatbaarheid zijn vaak het gevolg van hart- en vaatziekten. Dit kan de elektrolytenbalans van het lichaam beïnvloeden.
Veel erfelijke oorzaken veroorzaken echter ook aandoeningen van de membraandoorlaatbaarheid. Diverse eiwitten zijn betrokken bij de opbouw van het membraan en zijn verantwoordelijk voor de juiste werking van de lipidedubbellaag. Genetische veranderingen bij bepaalde eiwitten zijn onder meer verantwoordelijk voor veranderingen in membraanpermeabiliteit.
Een voorbeeld is de ziekte Myotonia congenita Thomsen. Deze ziekte is een genetische aandoening van de spierfunctie. Een gen dat codeert voor de chloridekanalen van spiervezelmembranen is gemuteerd. De doorlaatbaarheid van de chloride-ionen wordt verminderd. Dit leidt tot een gemakkelijkere depolarisatie van spiervezels dan bij gezonde mensen. De neiging tot spiercontractie wordt vergroot, wat als stijfheid wordt gevoeld. Een gesloten vuist kan bijvoorbeeld alleen met een bepaalde vertraging worden geopend. De ogen kunnen pas na 30 seconden na het sluiten worden geopend, dit staat bekend als lid-lag.
Er zijn ook auto-immuunziekten die specifiek gericht zijn op biomembranen. In deze context is het zogenaamde antifosfolipidensyndroom (APS) bekend. Bij deze ziekte is het immuunsysteem van het lichaam gericht tegen eiwitten die zijn gebonden aan de fosfolipiden in het membraan. Het resultaat is een verhoogde coaguleerbaarheid van het bloed. De kans op hartaanvallen, beroertes en longembolieën is groter.
Verstoringen van de membraanpermeabiliteit zijn ook te vinden in de zogenaamde mitochondriopathieën. In de mitochondriën wordt energie gewonnen door de verbranding van koolhydraten, vetten en eiwitten. De mitochondriën zijn celorganellen die ook omgeven zijn door een membraan. Binnen deze energiecentrales wordt een groot aantal vrije radicalen geproduceerd. Als deze niet worden opgevangen, raken de membranen beschadigd. Dit beperkt de functie van de mitochondriën ernstig. De oorzaken van de verminderde effectiviteit van de radicale aaseters zijn echter divers.
