Zellmembran

Zellmembran einfach erklärt – Definition

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.

Unterschied Zellmembran und Zellwand

Die Zellmembran ist nicht das gleiche wie die Zellwand.

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.

Aufbau Zellmembran – Bestandteile

Zellmembranen haben denselben Aufbau wie alle Biomembranen. Ihre Bestandteile setzen sich aus Phospholipiden, sowie verschiedenen Proteinen und andere Membranlipiden zusammen.

Flüssig-Mosaik-Modell

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.

Jedoch kann diese Fluidität der Membran beeinflusst werden. Einerseits durch die Temperatur, andererseits durch die Zusammensetzung der Fettsäuren.

Membranlipide

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.

Phospholipide

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:

• Glycerophospholipide
• Sphingophospholipide

Cholesterin

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.

Glykolipide

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

Proteine bilden in etwa 50 % der Gesamtmasse der Biomembran. Da Lipide deutlich kleiner sind als Proteine, stehen diese im Verhältnis von 50 : 1.

Integrale Membranproteine

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:

• Transmembranproteine
• Endo- und Ektoproteine
• lipidverankterte Proteine

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

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

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.

Selektive Permeabilität

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.

Aufgaben Zellmembran – Funktionen Zellmembran

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:

• Abgrenzung des Zellinnenraums durch sogenannte Kompartimente
• aktiver und passiver Stofftransport
• Signalübertragung
• Verbindung zu anderen Zellen
• Energieumwandlung

Stofftransport

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

Passiver Transport

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.

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 hinauszutransportieren. Für diese Vorgänge gibt es sogenannte Carrier-Proteine (to carry = tragen), die unter Verbrauch von ATP Moleküle durch die Zellmembran befördern.

Zellmembran verschiedener Zellarten

Im allgemeinen Aufbau der Zellmembran gibt es keine Unterschiede zwischen den Zellen der Pflanzen, der Tieren und der Bakterien.

Zellmembran Tierzelle

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.

Zellmembran Pflanzenzelle

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.

Zellmembran Bakterien

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.