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Zellmembran

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Zellmembran

Die Zellmembran ist ein essentielles Bauteil aller Zellen und damit als Zellorganell Teil der Zellbiologie. Wir erklären dir im Folgenden, wie eine Zellmembran aufgebaut ist und welche Funktionen sie besitzt. Für Infos zu weiteren Zellorganellen, klicke oben im Menü!

Membranen

Membranen gehören zu den wichtigsten Grundstrukturen aller Zellen. Sie grenzen die Zelle nach außen hin ab als Zellmembran (auch Plasmamembran oder Plasmalemma genannt) und unterteilen bei Eucyten das Zellplasma in verschiedene Räume, sogenannte Kompartimente. Es gibt eine sogenannte Einheitsmembran, die Grundstruktur, die alle Biomembranen gemeinsam haben. Wenn man sich eine Membran unter dem Elektronenmikroskop ansieht, lässt sich ein einheitliches Muster erkennen: zwei parallel verlaufende dunkle Linien, getrennt durch einen breiteren hellen Bereich.

Aufbau einer Zellmembran

Zellmembranen haben denselben Grundaufbau, wie alle Biomembranen. Sie bestehen hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen. Der größte Teil der Membranlipide gehört zu den Phospholipiden. Diese zeichnen sich durch einen „zwittrigen“ Charakter aus: Sie besitzen einen polaren, wasserlöslichen Kopf und ein lipophiles (und damit hydrophobes), fettlösliches Schwänzchen.

Sobald sich mehrere dieser Membranlipide in einer wässrigen Umgebung befinden, lagern sie sich so zu Doppelschichten zusammen, dass immer zwei Lipide mit dem hydrophoben Schwänzchen zueinander zeigen und diese Paare sich dann aneinanderreihen. So kann sich die Zellmembran energetisch günstig in Wasser lösen und trotzdem im Innern eine geschützte fettlösliche Lipidschicht ausbilden.

Innerhalb und auf der Oberfläche dieser Lipiddoppelschicht, welche das Grundgerüst der Zellmembran darstellt, befinden sich in unregelmäßiger Anordnung die Membranproteine. Man unterscheidet dabei zwischen den peripheren, lose auf der Oberfläche sitzenden Proteinen und den integralen Proteinen, die ein fester Bestandteil der Doppelschicht sind.

Es ist außerdem möglich, dass sich mehrere Proteine zu einem Proteinkomplex zusammenlagern und eine Membranpore bilden. Es gibt zudem spezielle Lipide und Proteine, die Kohlenhydratketten an die Außenseite der Membran binden können. Sie werden Glycolipide und -proteine genannt.

Achtung! Mit der Außenseite ist immer nur die Außenseite der Lipiddoppelschicht gemeint, nicht die der Zelle. Vorgänge an der Membranoberfläche sind also nicht auf das Zelläußere limitiert.

Abbildung 1: schematische Darstellung einer Zellmembran. Quelle: wikipedia.de

Funktionen der Zellmembran

Die Zellmembran hat viele unterschiedliche Funktionen für die Zelle, die sich aus ihrem individuellen Aufbau und den in ihr enthaltenen Lipiden und Proteinen zusammensetzen. Diese Funktionen lassen sich gut in die folgenden Kategorien einteilen:

Stofftransport

Passiver Transport

Durch die Doppellipidschicht der Zellmembran können, wie durch alle Biomembranen, besonders lipophile Stoffe gut hindurch diffundieren. Das bedeutet, dass Teilchen auf beiden Seiten der Membran so durch sie hindurch passieren, dass die Konzentration dieses Stoffes am Ende auf beiden Seiten gleich ist.

Dieses Gleichgewicht wird nach Möglichkeit durch andauernde Diffusion ständig aufrechterhalten. Bei der Diffusion geschieht der Stoffausgleich also entlang des Konzentrationsgefälles.

Auch sehr kleine polare Wassermoleküle und kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid können durch die Zellmembran diffundieren. Große hydrophile (wasserlösliche) Teilchen oder Ionen können jedoch nur selten durch Zellmembranen diffundieren. Somit besteht eine Selektivität der Zellmembran bzgl. ihrer Durchlässigkeit. Man sagt auch, die Membran ist selektiv permeabel oder semipermeabel.

Diffusionsvorgänge durch semipermeable Membranen werden als Osmose bezeichnet. Wenn größere Moleküle die Membran passieren wollen, sind dazu bestimmte integrale Proteine, die Tunnelproteine notwendig. Sie bilden ein Hilfsmittel für den Stofftransport entlang des Konzentrationsgefälles bei größeren Molekülen, ohne die Membran auch für schädliche Stoffe durchlässig zu machen (erleichterte Diffusion).

Die Diffusion und Osmose direkt durch die Membran sowie die Diffusion durch Tunnelproteine geschieht ohne Energiezufuhr und wird aus diesem Grund auch als „passiver Transport“ bezeichnet.

Aktiver Transport

Immer, wenn in einer Zelle eine andere Stoffkonzentration erzielt werden soll als in ihrer Umgebung vorliegt, ist es notwendig, Moleküle unter Energieaufwand in die Zelle einzuschleusen oder aus ihr hinaus zu transportieren. Für diese Vorgänge gibt es sogenannte Carrier-Proteine (to carry = tragen), die unter Verbrauch von ATP Moleküle durch die Zellmembran befördern.

Abbildung 2: Passiver und aktiver Transport über eine Zellmembran

Endocytose und Exocytose

Der oben erläuterte Stofftransportweg funktioniert super bei kleineren einzelnen Molekülen. Doch wie sieht es aus, wenn flüssige/ gelöste Stoffe in Form von Tröpfchen oder größere Partikel durch die Membran transportiert werden sollen? Diese Vorgänge benötigen andere Mechanismen: die Endo-/Exocytose. Dabei steht Endocytose („endon“ = innen) für die Aufnahme in die Zelle und Exocytose („exo“ = außen) für die Abgabe aus der Zelle in die Zellumgebung.

Endocytose

Bei der Endocytose formt die Zellmembran eine Einstülpung nach innen, sodass sich ein sogenanntes Vesikel im Zellplasma formt. In diesem Vesikel befindet sich der Stoff, der in die Zelle transportiert werden soll. Bei der Endocytose wird nochmal zwischen Phagocytose (Feststoff im Vesikel) und Pinocytose (Flüssigkeit im Vesikel).

Exocytose

Bei der Exocytose werden Stoffe, die aus der Zelle hinaus transportiert werden sollen im Cytoplasma in Vesikeln untergebracht, die sich dann an den Zellrand bewegen. Wenn die Vesikel an der Membran angekommen ist, verschmelzen sie mit ihr, sodass der Vesikelinhalt an die Zellumgebung abgegeben werden kann.

Signalübertragung

Zusätzlich zum Stofftransport für Moleküle und Makropartikel, können periphäre Membranproteine an der Außenseite der Zelle Signale empfangen und an das Innere der Zelle weitergeben. Dazu dienen die oben bereits genannten Kohlenhydratketten, die an den Glycoproteinen und -lipiden haften als Kontakt- und Erkennungsflächen.

Funktionen anderer Membranen

Auch innerhalb eukaryotischer Zellen finden sich Biomembranen. Diese Membranen grenzen die Zelle nicht nach außen hin ab (wie die Zellmembran), sondern unterteilen die Zelle im Innern in einzelne Räume. Diese Funktion wird auch Kompartimentierung genannt. Das ist deshalb so sinnvoll, weil nur durch diese Abgrenzung unterschiedliche chemische Reaktionsräume in derselben Zelle entstehen können. So können unterschiedliche Reaktionen mit unterschiedlichen Potentialen zur selben Zeit ablaufen, ohne einander zu beeinflussen. Zwischen diesen Kompartimenten finden ebenfalls Stofftransporte über Vesikel statt.

Wusstest du schon? Fast alle wesentlichen eukaryotischen Zellorganellen besitzen ihr eigenes Zellkompartiment und sind damit Teil eines sogenannten Endomembransystems.

Zellmembran - Das Wichtigste auf einen Blick

Zellmembranen sind besondere Biomembranen, deren Aufgabe es ist, die Zelle von ihrer Umgebung abzuschirmen und den Stofftransport in die und aus der Zelle zu regulieren. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht und Membranproteinen mit unterschiedlichen und sehr spezifischen Funktionen. Der Stofftransport geschieht über Diffusion, Osmose oder Proteine und erfolgt, wenn gegen das Konzentrationsgefälle, mit ATP-Verbrauch.

Hier siehst du kurz und knackig die wichtigsten Informationen über die Zellmembran in einer übersichtlichen Liste zusammengefasst:

  • Aufbau von Zellmembranen: Lipiddoppelschicht mit integralen und peripheren Membranproteinen; außen hydrophil, innen hydrophob
  • Funktionen von Zellmembranen:

1. Stofftransport

2. Endocytose/ Exocytose = nach innen/ außen durch Vesikel

3. Signalübertragung: Kompartimentierung durch Biomembranen

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