Zellmembran

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Zellmembran

Definition

Die Zellmembran, auch als Plasmamembran bezeichnet, ist eine Doppelschicht aus Lipiden und Proteinen, die eine Zelle umgibt. Sie trennt das Zytoplasma (den Inhalt der Zelle) von der äußeren Umgebung. Sie ist ein Merkmal aller Zellen, sowohl der prokaryotischen als auch der eukaryotischen.

Funktion der Zellmembran

Die Zellmembran gibt der Zelle ihre Struktur und reguliert die Stoffe, die in die Zelle eindringen und sie verlassen. Sie ist eine selektiv durchlässige Barriere, das heißt, sie lässt einige Stoffe passieren, andere aber nicht. Wie eine Zugbrücke, die eine Burg schützen und Feinde fernhalten soll, lässt die Zellmembran nur bestimmte Moleküle ein- oder austreten.

Die Membran durchqueren

Kleine Moleküle wie Sauerstoff, den die Zellen benötigen, um Stoffwechselfunktionen wie die Zellatmung auszuführen, und Kohlendioxid, ein Nebenprodukt dieser Funktionen, können leicht durch die Membran ein- und austreten. Auch Wasser kann die Membran ungehindert durchqueren, wenn auch langsamer.

Hochgeladene Moleküle wie Ionen können jedoch nicht direkt passieren, ebenso wenig wie große Makromoleküle wie Kohlenhydrate oder Aminosäuren. Stattdessen müssen diese Moleküle durch Proteine hindurch, die in die Membran eingebettet sind. Auf diese Weise kann die Zelle die Diffusionsgeschwindigkeit dieser Stoffe steuern.

Eine weitere Möglichkeit, wie die Zellmembran Moleküle in das Zytoplasma bringen kann, ist die Endozytose. Der umgekehrte Prozess, bei dem die Zelle Inhalte außerhalb der Membranbarriere abgibt, wird Exozytose genannt.

Die Endozytose umfasst die Phagozytose („Zellfressen“) und die Pinozytose („Zelltrinken“). Bei diesen Prozessen bildet die Zellmembran eine Vertiefung, die das Teilchen, das sie verschlingt, umgibt. Dann „kneift sie ab“ und bildet eine kleine Membrankugel, ein so genanntes Vesikel, das das Molekül enthält und es dorthin transportiert, wo es in der Zelle gebraucht wird.

Zellen können Stoffe auch durch Exozytose, das Gegenteil der Endozytose, über die Zellmembran an die äußere Umgebung abgeben. Bei der Exozytose bilden sich Bläschen im Zytoplasma und wandern zur Oberfläche der Zellmembran. Dort verschmelzen sie mit der Membran und geben ihren Inhalt an die Zellaußenseite ab. Durch die Exozytose werden die Abfallprodukte der Zelle entfernt, d. h. die Teile von Molekülen, die von der Zelle nicht verwendet werden, einschließlich alter Organellen.

Signalisierung an der Zellmembran

Die Zellmembran spielt auch eine wichtige Rolle bei der Zellsignalisierung und Kommunikation. Die Membran enthält mehrere eingebettete Proteine, die Moleküle außerhalb der Zelle binden und Nachrichten an das Innere der Zelle weiterleiten können.

Wichtig ist, dass diese Rezeptorproteine an der Zellmembran an Substanzen binden können, die von anderen Bereichen des Körpers produziert werden, wie zum Beispiel Hormone. Wenn ein Molekül an seinen Zielrezeptor auf der Membran bindet, setzt es einen Signaltransduktionsweg innerhalb der Zelle in Gang, der das Signal an die entsprechenden Moleküle weiterleitet.

Als Ergebnis dieser oft komplexen Signalwege kann die Zelle die vom Signalmolekül vorgegebene Aktion ausführen, z. B. die Produktion eines bestimmten Proteins herstellen oder stoppen.

Wie ermöglicht es die Struktur der Zellmembran, diese Funktionen auszuführen?

Struktur der Zellmembran

Die Zellmembran besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht. Phospholipide sind Lipidmoleküle, die aus einem Phosphatgruppen-Kopf und zwei Fettsäure-Schwänzen bestehen. Die Eigenschaften von Phospholipidmolekülen ermöglichen es ihnen, spontan eine doppelschichtige Membran zu bilden.

Der Phosphatgruppen-Kopf eines Phospholipids ist hydrophil, während der Phospholipid-Schwanz hydrophob ist. Das bedeutet, dass die Phosphatgruppe von Wasser angezogen wird, während der Schwanz von Wasser abgestoßen wird.

Wenn sie sich in Wasser oder einer wässrigen Lösung (auch im Körper) befinden, orientieren sich die hydrophoben Köpfe der Phospholipide so, dass sie sich auf der Innenseite befinden, so weit wie möglich vom Wasser entfernt. Im Gegensatz dazu befinden sich die hydrophilen Köpfe auf der Außenseite und kommen mit dem Wasser in Kontakt. Das Ergebnis ist eine Doppelschicht aus Phospholipiden, bei der sich die hydrophoben Köpfe in der Mitte und die hydrophilen Schwänze an der Außenseite der Struktur anordnen. Der Fachausdruck für diese Doppelschicht aus Phospholipiden, die die Zellmembran bildet, ist Phospholipid-Doppelschicht.

Membran-assoziierte Faktoren

Neben der Phospholipid-Doppelschicht enthält die Zellmembran auch Lipidmoleküle, insbesondere Glykolipide und Sterole. Ein wichtiges Sterol ist Cholesterin, das in tierischen Zellen die Fluidität der Zellmembran reguliert. Wenn weniger Cholesterin vorhanden ist, werden die Membranen flüssiger, aber auch durchlässiger für Moleküle. Die Menge an Cholesterin in der Membran trägt dazu bei, ihre Durchlässigkeit aufrechtzuerhalten, so dass jeweils die richtige Menge an Molekülen in die Zelle eindringen kann.

Die Zellmembran enthält auch viele verschiedene Proteine. Proteine machen etwa die Hälfte der Zellmembran aus. Viele dieser Proteine sind Transmembranproteine, die in die Membran eingebettet sind, aber auf beiden Seiten herausragen (d.h. sie überspannen die gesamte Lipiddoppelschicht).

Einige dieser Proteine sind Rezeptoren, die an Signalmoleküle binden. Andere sind Ionenkanäle, die die einzige Möglichkeit darstellen, Ionen in die Zelle hinein oder aus ihr heraus zu lassen. Wissenschaftler verwenden das Flüssigkeitsmosaikmodell, um die Struktur der Zellmembran zu beschreiben. Da die Zellmembran zu einem großen Teil aus Phospholipiden besteht, hat sie eine flüssige Konsistenz, so dass sich die Proteine frei über ihre Oberfläche bewegen können. Die Vielzahl der verschiedenen Proteine und Lipide in der Zellmembran verleihen ihr das Aussehen eines Mosaiks.

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