Cytologie
Membran
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In unserem Beitrag und im Video erklären wir dir, was eine Zellmembran ist, wie sie aufgebaut ist und welche Funktionen sie erfüllt.

Was ist eine Zellmembran?

Die Zellmembran (auch Zytomembran, Plasmamembran oder Plasmalemma genannt) ist eine Biomembran . Es handelt sich dabei in der Regel um eine Doppellipidschicht.

Sie trennt den Zellinnenraum (inneres Milieu) von ihrer Umgebung (Extrazellulärraum). Dadurch schützt sie das innere Milieu der Zelle. Du kannst sie dir also wie eine Art dünne Haut vorstellen, die jede Zelle umgibt.

In der Doppellipidschicht sind in der Regel weitere Lipide und auch Proteine eingebaut. Sie ermöglichen der Zelle den Stofftransport und auch die Kommunikation mit anderen Zellen.

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Die Zellmembran

Merke: Du kannst die Zellmembran sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten finden.

Zellmembran Definition

Die Zellmembran (engl.: cell membrane) kommt in den Zellen aller Lebewesen vor. Sie trennt den Innenraum der Zelle vom sogenannten extrazellulären Raum und hält dadurch das innere Milieu aufrecht.

Zellmembran Aufbau

Der Aufbau der Zellmembran ist bei den Eukaryoten und Prokaryoten relativ ähnlich. Sie ist bei beiden ziemlich flexibel und umschließt das Zellinnere. Jedoch unterscheiden sie sich manchmal in ihrer chemischen Zusammensetzung.

In den prokaryotischen Archaeen  findest du als Lipidkomponente beispielsweise keine Fettsäuren, sondern verschiedene Alkohole. Dadurch können die Archaeen auch in extremen Gebieten überleben.

Phospholipiddoppelschicht

Die Zellmembran besteht in tierischen und pflanzlichen Zellen und in Bakterien aus einer sogenannten Phospholipiddoppelschicht. Das bedeutet, dass die Zellmembran zum Großteil aus den sogenannten Phospholipiden besteht. Sie enthalten einen Kopfteil und zwei Schwanzteile.

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Aufbau der Doppellipidschicht (Zellmembran)

Insgesamt sind Phospholipide amphiphil. Das bedeutet, dass sie einen wasserliebenden (hydrophilen) und einen wassermeidenden (hydrophoben) Teil besitzen. Da der Raum um die Membran herum größtenteils aus Wasser besteht, sind die polaren, hydrophilen Köpfe nach außen gewandt. Die hydrophoben Schwänze zeigen nach innen und machen den Raum innerhalb der Doppelschicht aus.

Membranproteine

An der Lipiddoppelschicht der Zellmembran liegen verschiedene Membranproteine. Du kannst sie, je nach Position und Aufbau, in folgende Kategorien unterteilen:

  • periphere Proteine: Sie werden auch wechselständige Proteine oder membranständige Proteine genannt. Das ist der Fall, da sie auf der inneren oder äußeren Schicht der Membran liegen, die Membran jedoch nicht durchdringen.
  • integrale Proteine: Dabei handelt es sich um Proteine, die entweder in die Membran eingebettet sind oder diese sogar ganz durchdringen. Je nach Aufbau und spezifischer Funktion kannst du sie weiter unterteilen. So unterscheidest du unter anderem zwischen Kanalproteinen, Transmembranproteinen und Rezeptorproteinen.
  • lipidverankerte Proteine: Sie befinden sich auf der Oberfläche der Membran, sind entgegen den peripheren Proteinen allerdings an ein Lipid gebunden. Es handelt sich hierbei um eine seltenere Art von Membranproteinen.
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Arten von Membranproteinen

Glykokalix

Innerhalb der Zellen von Tieren und Prokaryoten findest du an der Zellmembran zusätzlich noch die sogenannte Glykokalix (auch Glykokalyx). Dabei handelt es sich um einen Kohlenhydratanteil.

Er ist an einigen Proteinen und Lipiden an der Außenseite der Zelle gebunden. So ermöglicht er den Zellen sich mit anderen Zellen zu größeren Zellverbänden zusammenzuschließen. Außerdem stabilisiert die Glykokalix die Zellmembran zusätzlich und schützt sie vor fremden, chemischen oder mechanischen Einwirkungen.

Merke: Die Verbindung der Proteine mit den Kohlenhydraten kannst du als Glykoproteine bezeichnen. Lipide mit Kohlenhydratanteil werden Glykolipide genannt.

Der grundsätzliche Aufbau und die Dicke der Glykokalix unterscheiden sich zwischen den Zellen sehr stark.

Zellmembran Funktion

Die Zellmembran erfüllt einige wichtige Funktionen innerhalb der Zelle. Grundsätzlich erfüllt sie folgende Aufgaben:

  • Abgrenzung des Zellinnenraums (= intrazellulärer Raum)
  • Transport von Molekülen (Membrantransport)
  • Übertragung von Signalen
  • Schaffen einer Verbindung zu anderen Zellen

Abgrenzung des Zellinnenraums

Die wichtigste Aufgabe der Zellmembran ist die Abgrenzung des Zellinnenraums vom Außenraum.

Die hydrophobe Schicht im Innenraum der Membran können nur kleine, unpolare Moleküle, wie zum Beispiel Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2), durchdringen. Größere Moleküle, Ionen oder Proteine können nur unter bestimmten Bedingungen durchgelassen werden. Diese Halbdurchlässigkeit der Membran kannst du auch als Semipermeabilität bezeichnen.

Membrantransport

Damit größere Moleküle die Membran passieren können, sind verschiedene Proteine in der Zellmembran notwendig. Je nach Molekül oder Ion kommen dabei folgende Durchgänge zum Einsatz:

  • Ionenkanäle: Sie durchdringen die gesamte Membran und bilden einen hydrophilen Kanal. Dadurch können Ionen durch die Membran dringen. Das Öffnen und Schließen der Kanäle kann die Zelle unter anderem über Signalproteine oder elektrische Spannung steuern.
  • Aquaporine: Hierbei handelt es sich um Kanäle, die spezifisch für Wasser sind. Wasser ist zwar ein sehr kleines Molekül und kann die Membran in einigen Fällen ohne Probleme durchdringen. Mithilfe der Aquaporine kann die Zelle ihre Wasseraufnahme und -abgabe aber gezielter steuern.
  • Transportproteine/Carrier-Proteine: Sie sind für den Membrantransport von Molekülen, wie Glucose oder Aminosäuren, zuständig. Sie ändern ihre Struktur, wenn ein passendes Molekül an sie bindet. Dadurch kann es auf die andere Seite der Membran transportiert werden.
  • Cotransporter: Sie funktionieren ähnlich wie die Transportproteine. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass er zwei Stoffe gleichzeitig durch die Membran transportiert, entweder in dieselbe Richtung (Symport) oder in die entgegengesetzte Richtung (Antiport).
  • Ionenpumpen: Durch den Verbrauch von Energie in Form von ATP können Pumpen, wie die Natrium-Kalium-Pumpe , Moleküle entgegen einer Konzentrationsdifferenz, also des sogenannten Gradienten, in die Zelle oder aus der Zelle heraus transportieren.
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Membrantransport durch Kanäle, Transporter und Pumpen

Um den Stofftransport darüber hinaus zu regulieren, kann die Zelle die Fluidität der Membran erhöhen oder erniedrigen. Das geschieht über das Einlagern oder Freisetzen von Cholesterin, denn Cholesterin erhöht die Fluidität der Membran. Eine hohe Fluidität steht für eine dünnflüssigere Membran und somit auch für einen leichteren Transport.

Signalübertragung

Für die Signalübertragung zwischen den Zellen befinden sich an der Zellmembran sogenannte Rezeptorproteine. Sie bestehen aus einem Kanal, der durch die Membran in die Zelle führt, und einem Rezeptor.

Wenn ein Signalmolekül nach dem Schlüssel-Schloss Prinzip an den Rezeptor andockt, öffnet sich der Kanal. Dann können die Signalproteine die Zelle durchdringen.

Zellverbindung

Für die Verbindung zwischen mehreren Zellen ist primär die Zellmembran verantwortlich. Hierbei spielt die Glykokalix eine wichtige Rolle. Die Kohlenhydratanteile der Glykoproteine und Glykolipide können sich mit der Matrix des extrazellulären Raums verbinden. Dadurch bilden sich Gewebe, die sich bis hin zu den anderen Zellen fortführen. Über diese Zellverbände können dann unter anderem verschiedenste Stoffe ausgetauscht werden.

Ebenfalls wichtig für die Zellverbindungen sind die sogenannten Gap Junctions. Du kannst sie dir als Ansammlungen mehrerer Kanäle (Connexine) zwischen zwei Zellen vorstellen. Sie können die Cytoplasmen der Zellen direkt miteinander verbinden und so Stoffe schneller austauschen. Wie das genau funktioniert, erfährst du in unserem Video zu den Gap Junctions!

Zum Video: Gap Junctions
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