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Was ist eine Zellmembran? Mithilfe einer Zellmembran können Zellen untereinander sowie mit ihrer Umwelt “kommunizieren”. Die Zellmembran ist eines der wichtigsten Merkmale einer Zelle, da sie die Zelle vor äußeren Einflüssen schützt.
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Feedback sendenVielleicht hast Du schon mal eine Zelle im Biologieunterricht unter dem Mikroskop gesehen. Eine Zelle erscheint unter dem Mikroskop als ein kleines rundes Objekt, welches eine glatte, klare Membran besitzt. Obwohl es unmöglich erscheint, kann so eine kleine dünne Barriere die Zelle vor der Außenwelt schützen.
Alle Zellen, egal ob pro- oder eukaryotische Zellen, besitzen eine Zellmembran, welche verschiedene Aufgaben erfüllt.
Eine Zellmembran (kann auch als Plasmamembran oder Plasmalamella bezeichnet werden) ist einfach erklärt eine Biomembran. Sie besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht und verschiedenen Proteinen. Aufgrund der Doppelschicht kann man sie auch als Bilayer bezeichnen.
Die Hauptfunktion einer Zellmembran ist, eine Begrenzung zwischen den benachbarten Zellen oder Reaktionsräume zu bilden. Solche Räume nennt man auch Kompartimente. Eine Zellmembran stellt eine Barriere zwischen dem Raum außerhalb der Zelle (Extrazellularraum) und dem Raum innerhalb der Zelle (Intrazellularraum). Sie kann ca. 4 bis 8 nm dick sein, welches von Zelle zu Zelle unterschiedlich sein kann.
Die Zellmembran ist nicht das gleiche wie die Zellwand.
Nähere Informationen zur Zellwand findest Du unter dem gleichnamigen Artikel von StudySmarter!
Die Zellwand ist im Gegensatz zur Zellmembran vollständig permeabel. Die Zellmembran ist nur selektiv permeabel, d. h. sie ist nicht durchlässig für alle Stoffe. Außerdem unterscheiden sie sich in ihrer Dicke. Die Zellmembran ist etwa 4 bis 8 nm dick, während die Zellwand mit einer Größe von 4 bis 20 μm deutlich dicker ist.
Du solltest auf gar kein Fall die Zellmembran mit der Zellwand vertauschen!
Von Organismus zu Organismus ist es unterschiedlich, wer alles eine Zellwand als Zellorganell aufweist. Tierische Zellen besitzen beispielsweise keine Zellwand. Im Gegensatz dazu besitzen Pflanzen-, Bakterien- und Pilzzellen sowie Archaeen eine Zellwand.
Da Prokaryoten keine Kompartimente aufweisen, muss die Zellwand die Zelle vor äußeren Umwelteinflüssen schützen. Die Zellwand bakterieller Zellen besteht hauptsächlich aus Murein, welches ein Polysaccharid-Peptid ist. Die einzige Ausnahme liegt bei Pflanzen-schädigenden Bakterien vor, da sie keine Zellwand besitzen.
Die Zellwand der Pilzzellen besteht ebenfalls aus einem anderen Material als die Zellwand der Pflanzen- und der Bakterienzelle. Die pilzliche Zellwand besteht ebenfalls aus einem Polysaccharid, hier Chitin.
Im Vergleich besteht die Zellwand einer Pflanzenzelle aus Cellulose.
Zellmembranen haben denselben Aufbau wie alle Biomembranen. Ihre Bestandteile setzen sich aus Phospholipiden, sowie verschiedenen Proteinen und andere Membranlipiden zusammen.
Grundlage für das Flüssig-Mosaik-Modell ist, dass die Bestandteile Proteine und Lipide sich in der Membran bewegen können. Das bedeutet, dass sie nicht an einem Ort befestigt sind. Schaut man sich die Biomembran von außen an, fällt auf, dass die Phospholipide sowie die Proteine sich ständig bewegen.
Die Beweglichkeit der Bestandteile in der Zellmembran, stellt die Kernaussage des Flüssig-Mosaik-Modells.
Jedoch kann diese Fluidität der Membran beeinflusst werden. Einerseits durch die Temperatur, andererseits durch die Zusammensetzung der Fettsäuren.
Nähere Informationen zum Flüssig-Mosaik-Modell findest Du im gleichnamigen Artikel von StudySmarter!
Alle Membranlipide haben polare sowie unpolare Bereiche. In wässriger Lösung lagert sich der hydrophile Teil nach außen und der hydrophobe Teil nach innen. So entsteht die sogenannte Bilayer. Da sich im Extrazellularraum hauptsächlich Cytosol befindet, welches viel Wasser beinhaltet, entsteht eine Doppelschicht.
Ein Vesikel besteht aus einer kleinen kugelförmigen Doppelschicht. Im Inneren sind sie hydrophil.
Im Gegensatz dazu bestehen sogenannte Mizellen aus einer Einzelschicht und sind deswegen innen hydrophob.
Phospholipide bestehen aus hydrophobe (wassermeindende), lipophile (fettliebende), apolare Schwänze aus Fettsäuren sowie einen hydrophilen (wasserliebenden), lipophoben (fettabweisenden), polaren Kopf, welcher aus einer Phosphatgruppe besteht.
Die Schwänze bestehen aus zwei Kohlenwasserstoffketten. Die Fettsäuren der Schwänze können entweder gesättigt, also mit nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen, oder einfach oder mehrfach ungesättigt sein. Das bedeutet, dass es eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen zu finden sind.
Die Phospholipide können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden:
Die Zellmembran muss nicht immer aus den gleichen Phospholipiden bestehen.
Cholesterin ist eines der wichtigsten Steroiden in den tierischen Zellen. Der Kopf ist ebenfalls wie andere Lipide hydrophil. Der Schwanz hingegen besteht aus starren Steroidringen, welche hydrophob sind, sowie Kohlenwasserstoffketten. Cholesterin hat eine essenzielle Rolle in den Zellen, und zwar dient es der Stabilität der Membran.
Im Gegensatz zu den Phospholipiden haben Glykolipide einen hydrophilen Kopf aus Zuckermolekülen und nicht aus Phosphat. Wie Phospholipide können die Glykolipide ebenfalls in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: Glyceroglykolipide, welche nur bei Pflanzen und Bakterien zu finden sind, sowie Sphingoglykolipide.
Proteine bilden in etwa 50 % der Gesamtmasse der Biomembran. Da Lipide deutlich kleiner sind als Proteine, stehen diese im Verhältnis von 50 : 1.
Sogenannte integrale Membranproteine befinden sich in der Membran und können von einem Ende bis zum anderen reichen. Solche Membranproteine werden nur isoliert, wenn die komplette Struktur der Zellmembran zerstört wurde.
Integrale Membranproteine werden in drei Gruppen unterteilt:
Sogenannte Transmembranproteine durchdringen die Membran mit ihrem hydrophoben Teil mindestens einmal und die zwei hydrophilen Teile sind nach außen gerichtet. Transmembranproteine sind amphiphil. Das bedeutet, dass sie hydrophobe Aminosäuren besitzen, welche den Innenraum der Membran durchdringen können. Wenn die Proteine die Membran nur einmal durchdringen, nennt man diese single pass-Proteine. Sollte sie die Membran mindestens zweimal durchdringen können, nennt man diese multi pass-Proteine.
Die einzelnen Domänen der Transmembranproteine besteht hauptsächlich aus Alpha-Helices. Einige, eher selten, bestehen aus Beta-Faltblättern. Einzelne Alpha-Helices können kein Kanal formen, deswegen müssen sich mehrere Alpha-Helices ringförmig anordnen, um ein Kanal zu bilden. Vorteilhaft für Beta-Faltblätter ist, dass nur ein Beta-Faltblatt ein Kanal bilden kann.
Die Kanäle sind innen oft hydrophil und außen hydrophob.
Endo- und Ektoproteine können die Membran nicht vollständig, wie die Transmembranproteine durchdringen. Sie befinden sich nur in der inneren oder der äußeren Schicht der Bilayer. Sie liegen nicht einfach auf der Membran. Sie besitzen einen hydrophoben Teil, der tief in das Innen- oder Außenlayer hineingeht.
Lipid-verankerte Membranproteine binden sich an den Lipiden in der Membran.
Periphere Membranproteine sind auf der Membran gebunden, meist an den integralen Proteinen oder an den Köpfen der Lipide durch elektrostatische Anziehungskräfte. Das bedeutet, dass sie nicht in der Zellmembran eingelagert werden, sondern nur auf der Innen- oder Außenseite liegen. Im Gegensatz zu den integralen Membranproteinen, können die periphere Membranproteine entfernt werden, ohne dass die Zellmembran vorher zerstört wird.
Glykokalyx beschreibt die hydrophilen Zucker- oder Kohlenhydratanteile, die an der Außenseite der Zellmembran zu finden sind. Solche Zuckeranteile sind unter anderem Fructose und Glucose.
Glykolipide bestehen aus Zuckeranteilen, die an Lipide gebunden sind und können, wie vorher erwähnt, in zwei Gruppen unterteilt werden: Glyceroglykolipide und Sphingoglykolpide.
Glykoproteine bestehen, wie der Name sagt, aus Zuckeranteilen, die an Proteine gebunden sind. Glykoproteine bestehen aus Mehrfachzucker (Oligosaccharid) und Proteine. Im Gegensatz bestehen Proteoglykane aus Vielfachzucker (Polysacchariden) und Proteine.
Diese Glykolipide sowie Glykoproteine haben wichtige Funktionen in der Zelle. Diese sind: Schutz der Zelle, Erkennung anderer Zellen sowie Zellkontakt und Zelladhäsion.
Die Zellmembran ist nur für bestimmte Moleküle durchlässig, daher die Namensgebung selektiv permeabel. Da das Innere der Zellmembran hydrophob ist, können hydrophile Substanzen schwierig oder gar nicht durchdringen.
Die Zellmembran ist nur für kleine Moleküle und Gase, wie Sauerstoff O₂, Kohlenstoffdioxid CO₂ und Stickstoff N2 sowie kleine ungeladene polare Moleküle wie Wasser H₂O und Ethanol C2H6O durchlässig.
Hingegen ist die Zellmembran undurchlässig für große oder polare Moleküle, wie Proteine und Glukose sowie für geladene Ionen wie Kalium- oder Wasserstoffionen.
Alle möglichen Lebewesen könnten ohne eine Zellmembran bzw. Plasmalemma und deren Funktionen bzw. Aufgaben nicht existieren. Hauptsächlich würde es keinen trennenden Faktor geben, welcher ungewollte Prozesse verhindern könnte.
Die Aufgaben einer Zellmembran sind:
Allgemein kann zwischen dem aktiven und dem passiven Stofftransport unterschieden werden. Der aktive Transport benötigt die Zufuhr von Energie, um Stoffe zu transportieren, während der passive Transport keinen Energiezufuhr braucht.
Abbildung 2: Passiver und aktiver Transport über eine Zellmembran
Durch die Doppellipidschicht der Zellmembran können, wie durch alle Biomembranen, besonders lipophile Stoffe gut hindurchdiffundieren. 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 winzige 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. Sollten größere Moleküle die Membran passieren wollen, müssen diese durch sogenannte Tunnelproteine passieren. 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.
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 hinauszutransportieren. Für diese Vorgänge gibt es sogenannte Carrier-Proteine (to carry = tragen), die unter Verbrauch von ATP Moleküle durch die Zellmembran befördern.
Nähere Informationen zum aktiven Transport findest Du unter dem gleichnamigen Artikel von StudySmarter!
Im allgemeinen Aufbau der Zellmembran gibt es keine Unterschiede zwischen den Zellen der Pflanzen, der Tieren und der Bakterien.
Die Zellmembran einer Tierzelle hat die gleichen Funktionen, die oben genannt wurden. Einerseits bildet die Zellmembran einer Zelle eine Barriere zu ihrer Umgebung, um die Zelle zu schützen. Andererseits kann die Zellmembran die Aufnahme sowie die Abgabe von Stoffe kontrollieren.
Eine Zellmembran einer Pflanzenzelle kann als Plasmalamella sowie Zellmembran bezeichnet werden. Im Aufbau gibt es keinen Unterschied zu den anderen Zellarten. Zur Gewährleistung der Stabilität der Zelle bauen Pflanzenzellen auch eine Zellwand auf.
Bei den gram-negativen Bakterien gibt es einen Unterschied zwischen der äußeren und der inneren Membran. Die innere Membran ist eine typische Phospholipidmembran und umgibt das Cytoplasma. Die äußere Membran besteht aus Phospholipiden sowie Lipopolysacchariden und befindet sich außerhalb der Zellwand.
Nähere Informationen zu den gram-negativen Bakterien sowie zur Gram-Färbung findest Du unter den gleichnamigen Artikeln von StudySmarter!
Verbindung zu anderen Zellen
Signalübertragung
Kompartimentierung durch Biomembranen
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Was macht die Zellmembran?
Eine Zellmembran macht mehrere Dinge:
Wie ist die Zellmembran aufgebaut?
Eine Zellmembran ist eine Biomembran und dementsprechend gleich aufgebaut. Sie besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. An den Phospholipiden sind einige Proteine sowie Lipide befestigt.
Wo befindet sich die Zellmembran?
Jede Zelle hat eine Zellmembran. Die Zellmembran kann sowohl die Zelle begrenzen, sowie im Inneren der Zelle liegen, indem es Barrieren darstellt.
Was ist eine Membran, einfach erklärt?
Eine Membran ist eine sogenannte Schicht, die Reaktionsräume oder Zellen voneinander abgrenzt oder trennt.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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