Die Hülle einer Zelle ist keine Wand

Was eine Trennschicht leisten muss

Das Innere einer Körperzelle ist anders zusammengesetzt als die Flüssigkeit, die sie umgibt. In den gängigen physiologischen Lehrbüchern stehen dafür Zahlen, die weit auseinanderliegen: Kalium wird innen mit größenordnungsmäßig 140 Millimol je Liter geführt und außen mit etwa vier, Natrium umgekehrt mit rund zehn innen und etwa 145 außen. Ein solcher Unterschied hält sich nur, wenn zwischen beiden Räumen etwas liegt, das ihn hält.

Dieses Etwas ist dünn. Quer gerechnet liegt es im Bereich weniger Nanometer — also bei einem Bruchteil dessen, was ein Lichtmikroskop trennen kann. Sichtbar wurde es deshalb erst, als sich Verfahren durchsetzten, die nicht mit Licht arbeiten. Bis dahin war der Bau dieser Schicht eine Rechnung und keine Aufnahme.

Ein Ölfilm, der Ladungen nicht durchlässt

Der innere Bereich der Schicht besteht aus Kohlenwasserstoffketten und verhält sich elektrisch wie ein Isolator. Membranphysiologische Standardwerke geben die Kapazität je Fläche mit ungefähr einem Mikrofarad je Quadratzentimeter an — ein Wert, der seit den 1930er-Jahren gemessen wird und der sich zwischen sehr verschiedenen Zelltypen kaum unterscheidet. Genau diese Konstanz war das erste starke Argument dafür, dass alle diese Zellen dieselbe Bauform benutzen.

Aus dem Isolatorcharakter folgt die zweite Beobachtung: Über der Schicht liegt eine Spannung. Sie beträgt bei ruhenden Zellen einige Dutzend Millivolt und ist keine Eigenschaft des Materials, sondern das Ergebnis der ungleichen Verteilung geladener Teilchen auf beiden Seiten.

Warum Wasser durchkommt und ein Natriumion nicht

Ein Wassermolekül ist klein und nach außen betrachtet ungeladen; es kann die fetthaltige Zone in geringem Umfang selbst durchqueren, und für den größeren Durchsatz gibt es eigene Kanäle. Ein Natriumion dagegen reist im Wässrigen nie allein: Es zieht eine Hülle aus Wassermolekülen mit sich, und diese Hülle müsste abgestreift werden, bevor das Teilchen in die Kohlenwasserstoffzone eintritt. Der dafür nötige Energiebetrag ist so hoch, dass der Vorgang praktisch nicht stattfindet.

Der Durchtritt geladener Teilchen läuft deshalb ausschließlich über Eiweiße, die in die Schicht eingelassen sind. Was passiert und was nicht, ist damit keine Frage der Größe allein, sondern eine Frage der Ladung und der mitgeführten Wasserhülle.

Innerhalb einer Lage schnell, zwischen den Lagen kaum

Eine zweite Eigenheit dieser Schicht hat lange gebraucht, bis sie sich in der Fachliteratur durchsetzte: Sie ist beweglich. Die einzelnen Bausteine sind nicht miteinander verknüpft, sondern liegen nebeneinander wie Streichhölzer in einer Schachtel — und sie tauschen fortwährend die Plätze.

Seitlicher Platzwechsel im Mikrosekundentakt

Messungen mit markierten Bausteinen ergeben Diffusionskoeffizienten in der Größenordnung eines Quadratmikrometers je Sekunde. Umgerechnet heißt das: Ein einzelner Baustein legt in einer Sekunde eine Strecke zurück, die der Länge eines Bakteriums entspricht, und wechselt dabei millionenfach je Sekunde die Position mit einem Nachbarn in derselben Lage. Die Schicht ist in dieser Richtung eher eine zähe Flüssigkeit als ein Festkörper.

Der Seitenwechsel läuft nicht von selbst

Quer dazu sieht die Sache anders aus. Damit ein Baustein von der einen Lage in die andere gelangt, müsste sein geladener Abschluss durch die fetthaltige Zone hindurch. Spontan geschieht das nach veröffentlichten Messreihen im Bereich von Stunden bis Tagen — also selten genug, dass die beiden Lagen ihre unterschiedliche Zusammensetzung behalten.

Wo ein solcher Wechsel dennoch gebraucht wird, erledigen ihn eigene Eiweiße. Die Fachliteratur unterscheidet sie nach Richtung: Die einen befördern nach innen, die anderen nach außen, eine dritte Gruppe lässt den Ausgleich in beide Richtungen zu. Die ersten beiden Gruppen arbeiten unter Verbrauch von ATP, weil sie gegen ein Gefälle befördern; die dritte kommt ohne aus.

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