Semipermeabilität

Medizinische Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher (Facharzt für innere Medizin) am 15. November 2016
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Semipermeabilität bezieht sich auf Biomembrane, die sich gegenüber bestimmter Stoffe selektiv durchlässig verhalten und von anderen Substanzen nicht passiert werden können. Die Semipermeabilität ist die Grundlage der Osmose und zeichnet die Zellen aller Lebewesen aus. Störungen der Semipermeabilität haben verheerende Folgen für den Elektrolyt- und Wasserhaushalt in den Zellkompartimenten.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Semipermeabilität?

Semipermeabilität bedeutet wörtlich übersetzt "Halbdurchlässigkeit". Der Begriff steht für eine Eigenschaft von physikalischen oder substanziellen Grenzflächen. Semipermeable Flächen lassen bestimmte Teilchen passieren, während sie andere von der Passage abhalten.

In der Medizintechnik und der Biologie spielt Semipermeabilität vor allem im Kontext von Membranen eine Rolle. Semipermeable Membrane besitzen selektive Durchlässigkeit und ermöglichen gewissen Teilchen die Membranpassage in eine bestimmte Richtung. Die entsprechenden Membrane stellen ein Trennsystem dar, das ohne spezifische Transportsysteme bestimmte Substanzen auf die andere Seite der Membran treten lässt.

Membrane umgeben Zellen, in denen dem Überleben zuliebe ein spezifisches Milieu aufrechterhalten werden muss. Ohne die Semipermeabilität von Membranen wäre die Aufrechterhaltung des spezifischen Zellmilieus undenkbar. In der Biologie ist Semipermeabilität darüber hinaus die Basis für Vorgänge wie Osmose, Osmoregulation und Turgor.

Funktion & Aufgabe

Mit dem Begriff des Membrantransports werden sämtliche Stoffdurchtritte durch Biomembrane zusammengefasst. Zwei grundsätzlich unterschiedliche Mechanismen zeichnen den Membrantransport aus: neben der freien Permeation im Sinne der Diffusion existiert ein spezifischer Transport.

Membrane bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, die aus sich heraus eine Barriere zwischen den wässrigen Kompartimenten der Zelle darstellt. Der extraplasmatische und cytoplasmatische Raum werden auf diese Weise voneinander getrennt. Unterschiedliche Milieus können in den Kompartimenten herrschen. In bestimmten biologischen Systemen ist eine Zellmembran dank ihrer Fluidität für kleinere Moleküle durchlässig. Diese Durchlässigkeit besteht im biologischen System zum Beispiel für Wasser, das sich gemäß des bestehenden Konzentrationsgradienten an der Membran entlang in Richtung der höheren Konzentration bewegt.

Dieses Prinzip ist ein Basisbaustein von vielen Organismen und so auch eine Grundlage des menschlichen Organismus. Semipermeable Membrane sind vor allem für Lösungsmittel durchlässig. Gelöste Stoffe werden oft von der Membran zurückgehalten, um das Zellmilieu hinter der Trennschicht aufrechterhalten zu können. Damit lassen semipermeable Membrane Moleküle bis zu einer bestimmten Molmasse oder Größe hindurchtreten, während solche über der gegebenen Molmasse oder Größe am Durchtritt gehindert werden.

Mittlerweile hält die Wissenschaft vorübergehende Unregelmäßigkeiten innerhalb der Lipiddoppelschichten von Membranen für die primäre Ursache der Semipermeabilität. Als Grundlage der Osmose ist Semipermeabilität ein wichtiger Baustein von allen lebendigen Organismen. Mit dem Begriff der Osmose wird der gerichtete Fluss molekularer Teilchen durch selektiv permeable oder semipermeable Membrane bezeichnet. Um einen regulierten Wasserhaushalt zu erzielen, sind die Zellen aller Lebewesen auf Osmose und damit die Semipermeabilität angewiesen.

Semipermeabilität ist außerdem für die Osmoregulation entscheidend. Damit ist die Fähigkeit gemeint, Konzentrationen von osmotisch wirksamen Stoffen im Stoffwechsel regulieren zu können. Diese Fähigkeit dient der Vermeidung von osmotischem Stress und hilft Lebewesen außerdem dabei, aus ihrem osmotischen Potenzial gewisse Vorteile zu ziehen.

Darüber hinaus bildet die Semipermeabilität die Basis des Turgordrucks von Pflanzen. Dieser Druck entspricht einem hydrostatischen Druck in Zellen, der physiologische Prozesse wie den Gasaustausch oder unterschiedliche Transportprozesse ermöglicht.




Krankheiten & Beschwerden

Systemische Entzündungsreaktionen wie die Sepsis können Auswirkungen auf die Permeabilität zeigen. In diesem Zusammenhang kommt es zur Ausschüttung des Mediatorstoffes Histamin. Nach der Ausschüttung erhöht sich unter anderem die Permeabilität der Gefäße.

Es existieren viele andere Entzündungsreaktionen mit Auswirkungen auf die Membranpermeabilität von unterschiedlichen Geweben. Eine davon ist die Pankreatitis, bei der die Semipermeabilität des Pankreasgangsystems von Störungen betroffen ist. Die Membranpermeabilität der Zellen nimmt in diesem Fall ab. Erkennbar ist dieses Phänomen zum Beispiel am Durchtritt von Röngtenkontrastmittel im Rahmen der diagnostischen Bildgebung.

Weitere Störungen der Membranpermeabilität treten im Kontext von Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf. Sämtliche Membranpermeabilitätsstörungen ziehen in den meisten Fällen ein Ungleichgewicht im Elektrolythaushalt nach sich.

Abgesehen von den beschriebenen Zusammenhängen können Störungen der Membranpermeabilität auch eine erbliche Basis haben. Eine erblich bedingte Mutation von Membranproteinen kann die Permeabilität einer Zellmembran zum Beispiel deutlich verändern, so unter anderem bei Erkrankungen wie Myotonia congenita Thomsen.

Durch genetische Mutation veränderte Chlorid-Kanäle innerhalb der Muskeln beeinträchtigen bei dieser Krankheit die Membranpassage für Chlorid-Ionen. Ohne die Passage dieser Ionen können die Muskeln nicht in vollem Umfang arbeiten.

Letztlich zeigen alle Membranpermeabilitätsstörungen wesentliche Auswirkungen auf den gesamten Organismus. Wenn eine semipermeable Membran beispielsweise plötzlich nicht mehr für Lösungsmittel durchlässig ist, gerät der Wasserhaushalt in den Kompartimenten der Zelle aus dem Gleichgewicht. Ist eine semipermeable Membran wiederum zu durchlässig, so verändert sich auch in diesem Fall das spezifische Milieu der Zellkompartimente. Die betroffene Zelle kann in beiden Fällen zum Sterben verdammt sein, da das vorgesehene Arbeitsmilieu ihrer Kompartimente aus dem Gleichgewicht gerät.

Auch Autoimmunerkrankungen können die Membranpermeablität beeinträchtigen. Das Antiphospholipid-Syndrom richtet sich beispielsweise gezielt gegen Biomembrane und verändert ihre physiologische Permeabilität.

Bei Pflanzen werden außerdem einige Störungen der Membranpermeabilität oder Semipermeabilität von Membranen beobachtet, die mit parasitären Organismen in Zusammenhang stehen. Bestimmte Parasiten scheiden Welketoxine im Sinne von Marasminen aus. Diese Substanzen bedingen Semipermeabilitätsstörungen, um im Plasma der Wirtszelle eine Permeabilitätserhöhung hervorzurufen und sich so ungehindert Zutritt zu verschaffen.

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