Eine Phospholipiddoppelschicht ist eine zwei Moleküllagen dicke Schicht aus Phospholipiden und bildet die Grundstruktur fast aller Zellmembranen. Sie ist etwa 5 Nanometer dick, gemessen vom äußeren Rand der Köpfe der Moleküle auf der einen Seite bis zu denen auf der anderen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters.

Größe

Jedes Phospholipid hat einen Kopf, der Wasser anzieht, und zwei Schwänze, die es meiden. In einer Doppelschicht sind die Köpfe dem Wasser auf beiden Seiten zugewandt, während sich die Schwänze in der Mitte treffen und einen wasserabweisenden Kern bilden. Im Jahr 2000 ausgewertete Messungen ergaben für die vollständige Dicke von Doppelschichten aus Phosphatidylcholin, einem verbreiteten Phospholipid, 4,4–4,7 Nanometer in der flüssigen Form, wie sie in lebenden Zellen vorkommt. In einer kühleren, geordneteren Form erreicht sie 5,2 Nanometer.

Der wasserabweisende Kern macht 2,6–2,9 Nanometer der Dicke der flüssigen Doppelschicht aus. Echte Zellmembranen bestehen aus einer Mischung vieler Lipidarten. Röntgenmessungen aus dem Jahr 2004 ergaben 3,6–4,3 Nanometer zwischen den Phosphatgruppen auf den beiden Seiten von Membranen aus Rattenleberzellen, wobei die Köpfe noch etwas darüber hinausreichen.

Membranen sind außerdem dicht mit Proteinen durchsetzt, die etwa die Hälfte der Membranfläche bedecken, und viele dieser Proteine ragen auf beiden Seiten aus der Membran heraus. Mit ihnen zusammen wird eine ganze Membran oft als 5–10 Nanometer dick beschrieben.

Größenvergleiche

Zwei Phospholipide, jeweils etwa 2–2,5 Nanometer lang, überspannen, Schwanz an Schwanz gelegt, die Doppelschicht.
Eine Alpha-Helix aus 20–25 Aminosäuren, 3–3,75 Nanometer lang, ist lang genug, um den wasserabweisenden Kern zu durchqueren. Proteine, die Membranen durchqueren, tun dies oft auf diese Weise.
Ein porcines Circovirus, Stand 2026 eines der kleinsten bekannten Viren, ist etwa dreieinhalbmal so breit, wie die Doppelschicht dick ist.
Etwa 20.000 übereinandergestapelte Doppelschichten wären so dick wie ein Blatt Papier, also etwa 0,1 Millimeter.
Wäre eine Doppelschicht auf die Dicke eines Blatts Papier vergrößert, wäre ein Menschenhaar 1,6–2 Meter breit.

Was die Doppelschicht bewirkt

Die Doppelschicht trennt das Wasser und die darin gelösten Stoffe im Inneren einer Zelle von denen außerhalb. Ihr wasserabweisender Kern bildet eine Barriere für Wasser und für Stoffe, deren Moleküle geladen oder polar sind – wobei ein polares Molekül eine ungleichmäßig verteilte elektrische Ladung trägt. Phospholipide bilden von selbst eine Doppelschicht, wenn sie ins Wasser gegeben werden, und das Ergebnis heilt sich selbst. Eine sehr feine Nadel kann eine Zellmembran durchdringen, ohne sie zum Platzen zu bringen, und die Membran fließt wieder zusammen, sobald die Nadel herausgezogen wird.

Wie sie entdeckt wurde

Wissenschaftler identifizierten die Zellmembran in den 1890er-Jahren und fanden 1915 heraus, dass sie hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen besteht. 1935 schlugen Hugh Davson und James Danielli vor, dass sie wie ein Sandwich aufgebaut sei, mit Lipiden als Füllung und Proteinen als Brot. In den 1950er-Jahren zeigten Transmissionselektronenmikroskope, dass der Kern der Membran aus einer Doppelschicht statt aus einer einzelnen Schicht besteht.

1972 schlugen S. J. Singer und Garth Nicolson das Flüssig-Mosaik-Modell vor, das nach wie vor am besten erklärt, wie Membranen aufgebaut sind und funktionieren. Es stellt eine Membran als Mosaik aus Phospholipiden, Cholesterin, Proteinen und Kohlenhydraten dar, die wie lose Kacheln aneinander vorbeigleiten und sich verschieben.

Quellen

Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
Modulation of the Bilayer Thickness of Exocytic Pathway Membranes by Membrane Proteins Rather Than Cholesterol. Mitra et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004.
What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
α-helix. In Foundations of Protein Structure. EMBL-EBI Training.
Conformational Changes and Nuclear Entry of Porcine Circovirus without Disassembly. Wang et al., Journal of Virology, 2019.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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