Zellmembran: Aufbau und Funktion

Die Zellmembran ist eine wesentliche Struktur, die jede Zelle umgibt und schützt. Bestehend aus einer Phospholipid-Doppelschicht und eingebetteten Proteinen, kontrolliert sie den Transport von Molekülen und ermöglicht Zellkommunikation. Diese dynamische Barriere spielt eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Funktion der Zelle. Dieser Artikel beschreibt Aufbau und Funktion dieser extrem wichtigen Strukturen.

Zellmembran – Definition

Die Zellmembran ist eine dünne, flexible Hülle, die die Zelle umschließt und sie von ihrer Umgebung abgrenzt. Sie besteht hauptsächlich aus einer Doppelschicht von Phospholipiden und eingebetteten Proteinen, die den Transport von Substanzen in und aus der Zelle regulieren und verschiedene Zellfunktionen unterstützen.

Zellmembran – Aufbau

Die Zellmembran bildet einen Teil der äußeren Hülle eukaryotischer Zellen. Sie ist vor allem aus Phospholipiden aufgebaut, die zusammen eine Doppelschicht bilden. Phospholipide bestehen aus einem negativ geladenen Phosphatrest und einem Fettsäure-Schwanz. Die Phosphate haben wasserlösliche Eigenschaften, Fettsäuren haben fettlösliche Eigenschaften. Aus diesem Grund ordnen sich diese Phospholipide in einer Doppelschicht an, in dem sich die Fettsäure-Schwänze zweier Phospholipide zusammenlagern und die Phosphat-Köpfe nach außen in ein wässriges Milieu zeigen.

Zusätzlich sind in die Membran weitere fettige Substanzen sowie auch Proteine eingelagert. So bewirkt Cholesterin eine fluidere (flüssigere) Eigenschaft der Membran. Proteine in der Zellmembran können integral sein, das heißt sie gehen komplett durch die Membran und ragen in die Zelle, oder sie peripher, das heißt sie ragen nur auf einer Seite entweder in die Zelle oder auf die Außenseite. Proteine und eingelagerte Fette können mit Zuckerresten besetzt sein und bilden die Glykokalix, die unter anderem der Erkennung und Kommunikation zwischen Zellen dienen. Die Glykokalix ist ein Zuckermantel, der die Zelle umgibt und viele negative Ladungen aufweist, was den Stofftransport durch die Barriere hindurch beeinflusst.

Oberflächendifferenzierungen

Die Zelloberfläche, welche die Form der Zelle bestimmt muss nicht immer einfach nur rund oder viereckig sein, sondern kann viele verschiedene Formen einnehmen. So sind Mikrovilli kleine, fadenförmige Ausstülpungen der Zellmembran und dienen der Oberflächenvergrößerung. Das ist vor allem bei Geweben mit großer Resorptionsarbeit wichtig, wie es im Darm der Fall ist.

Ähnlich sind die Stereozilien aufgebaut. Sie sind relativ lang und kommen in den Samenwegen und im Innenohr vor. Aktiv beweglich sind sie nicht, aber sie werden passiv beweglich, was wichtig für das Wahrnehmen von Schallwellen beim Hörvorgang ist.

Aktiv bewegliche Oberflächendifferenzierungen sind die Kinozilien. Sie tragen im Inneren Mikrotubuli-Proteine und Motorproteine und können somit einen Kinozilienschlag in eine Richtung ausführen. Kinozilien sind vor allem in dem Epithel der Atemwege zu finden, da sie hier für einen Abtransport von Fremdkörpern aus den Atemwegen heraus sorgen. Besonders große Kinozilien befinden sich in den Schwänzen der Spermien, damit diese sich schnell fortbewegen können.

Zellmembran – Funktion

Die Zellmembran ist multifunktional. Sie umhüllt jede Zelle, bietet Schutz und strukturelle Integrität und reguliert den Austausch von Substanzen. Durch ihre selektive Permeabilität (Durchlässigkeit) steuert sie den Eintritt und Austritt von Nährstoffen, Ionen und Abfallprodukten in das Zytoplasma. Zudem ist sie entscheidend für die Kommunikation zwischen Zellen, indem sie Signalmoleküle erkennt und darauf reagiert.

Transportmechanismen

Kanäle sind Tunnel aus Proteinen, die durchlässig für bestimmte Ionen, also geladene Teilchen, sind. Bei Öffnung dieser Kanäle folgen Ionen einem Konzentrationsgradienten, was als Diffusion bezeichnet wird. Das heißt also, dass Ionen von einem Ort niedriger Konzentration zu einem Ort höherer Konzentration wandern, sobald es eine Öffnung für diese gibt. Wasser kann nicht einfach so durch die Zellmembran diffundieren, da sie in der Mitte sehr fettig, also hydrophob (wasserabweisend) ist. Deshalb braucht auch Wasser Kanäle um aus oder in die Zelle zu gelangen. Diese werden Aquaporine genannt. Dieser Transport durch Kanäle mittels Diffusion ist passiv, da keine Energie aufgewendet werden muss.

Eine andere Form des passiven Transports werden von den Transportern (Carrier) übernommen. Sie funktionieren ähnlich wie Kanäle, nur dass sie sich nicht wirklich öffnen. Sie verändern ihre Konformation, also ihre Form und schleusen bestimmte Stoffe in die Zelle. Eine Sonderform des Carriers ist der Cotransporter. Hier werden zwei Stoffe gleichzeitig transportiert und wird ein Stoff entlang eines Konzentrationsgradienten gebracht, die dabei gewonnene Energie wird dazu benutzt den zweiten Stoff entgegen des Gradienten zu transportieren. Erfolgt der Transport beider Stoffe in dieselbe Richtung ist es ein Symport, erfolgt er in unterschiedliche Richtungen ist es ein Antiport. Diese Sonderform des Transports ist sekundär passiv.

Sollten Stoffe allerdings entgegen eines Gradienten transportiert werden, muss Energie aufgewendet werden. Diese Funktion übernehmen Pumpen. Diese verändern nach Bindung von ATP (Adenosintriphosphat), also das Molekül, was dem Körper Energie liefert, ihre Form und transportieren Stoffe aktiv gegen ein Konzentrationsgefälle.

Membranpotenzial

Durch die ungleiche Verteilung von Natrium-Ionen und Kalium-Ionen innerhalb und außerhalb der Zellmembran lässt sich bei den meisten Membranen ein elektrisches Potenzial messen. Dieses Potenzial kann durch Pumpen und Kanäle beeinflusst werden und der Signalübertragung, zum Beispiel bei Nervenzellen, dienen.

Rezeptoren

An der Oberfläche von Membranen sind Rezeptoren ausgebildet. Das sind Proteine, die zum Teil mit Zuckerresten besetzt sind, nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip andere Stoffe wie zum Beispiel Hormone oder Neurotransmitter erkennen und eine Wirkung in der Zelle auslösen.