Cytologie

Zellmembran

In diesem Beitrag erklären wir dir, wie eine Zellmembran aufgebaut ist und welche Funktionen sie für die Zelle erfüllt.

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Inhaltsübersicht

Zellmembran einfach erklärt

Die Zellmembran befindet sich in den eukaryotischen%Verweis und den prokaryotischen%Verweis Zellen. Du kannst sie auch als Plasmalemma, Zytomembran, Plasmamembran oder Cytoplasmamembran bezeichnen.

Unter der Zellmembran kannst du dir eine Schicht vorstellen, die den Innenraum der Zelle (= inneres Milieu) von dem Außenraum (= Extrazellulärraum) abgrenzt. Sie ist eine sogenannte Biomembran und besteht bei den Eukaryoten und Bakterien aus einer Doppellipidschicht. In diese Doppelschicht sind verschiedene Proteine eingebettet.

Die wichtigste Aufgabe der Zellmembran ist die Abgrenzung der Zelle gegen die Umgebung. Außerdem ist sie in der Lage, durch Membranproteine einen Stofftransport zu anderen Zellen herzustellen. Weiterhin kann die Zellmembran mit anderen Zellen über Rezeptorproteine kommunizieren.

Definition

Eine Zellmembran (eng.: cell membrane) kommt in den Zellen aller Lebewesen vor. Sie trennt den Innenraum der Zelle vom sogenannten extrazellulären Raum.

Zellmembran Aufbau

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

In den prokaryotischen Archaeen zum Beispiel befinden sich meist als Lipidkomponente keine Fettsäuren, sondern verschiedenste Alkohole. So können die Archaeen auch in extremen Gebieten überleben.

Phospholipiddoppelschicht

Die Zellmembran besteht in tierischen und pflanzlichen  Zellen und in Bakterien aus einer sogenannten Phospholipiddoppelschicht.

Die Zellmembran besteht zum Großteil aus den sogenannten Phospholipiden. Diese enthalten einen Kopfteil und zwei Schwanzteile. Insgesamt sind die Phospholipide amphiphil. Das bedeutet, dass sie einen hydrophilen (= wasserliebenden) und einen hydrophoben (= wassermeidenden) Teil besitzen. Da der Raum um die Membran herum größtenteils aus Wasser besteht, sind die hydrophilen, polaren Köpfe nach außen gewandt. Die hydrophoben Schwänze zeigen nach innnen und machen den Raum innerhalb der Doppelschicht aus.

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Lipiddoppelschicht der Zellmembran

An dieser Lipiddoppelschicht der Zellmembran liegen verschiedenste Membranproteine. Diese kannst du als periphere Proteine und integrale Proteine bezeichnen. Ein peripheres Protein oder auch wechselständiges Protein liegt auf der inneren oder äußeren Schicht der Membran. Dabei durchdringt es die Membran jedoch nicht. Diese werden auch oft als membranständige Proteine bezeichnet.
Ein integrales Protein kann in die Membran eingebettet sein oder diese sogar ganz durchdringen. Bestimmte Arten der integralen Proteine sind z.B. die Kanalproteine, die Transmembranproteine oder die Rezeptorproteine.
Eine dritte, etwas seltenere Art von Membranproteinen sind die sogenannten lipidverankerten Proteine. Diese befinden sich wie auch die peripheren Proteine, auf der Oberfläche der Membran und sind an ein Lipid gebunden.

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Aufbau der Zellmembran

Glykokalix

Innerhalb der Zellen von Tieren und Prokaryoten findest du an der Zellmembran zusätzlich noch die sogenannte Glykokalix/Glykokalyx. Unter ihr kannst du einen Kohlenhydratanteil (= Zuckeranteil) verstehen, der an einige Proteine und Lipide an der Außenseite gebunden ist. Die Proteine mit den Kohlenhydraten kannst du als Glykoproteine bezeichnen. Die Lipide mit Kohlenhydratanteil werden Glykolipide genannt.

Aus diesem Kohlenhydratanteil können sich größere Gewebe bilden, die bis hin zu anderen Zellen reichen können. Dadurch können größere Zellverbände aufgebaut werden.
Außerdem stabilisiert die Glykokalix die Zellmembran zusätzlich und schützt sie vor fremden chemischen oder mechanischen Einwirkungen.

Der grundsätzliche Aufbau einer Glykokalix unterscheidet sich zwischen den Zellen sehr stark. Auch ihre Dicke unterscheidet sich spezifisch zwischen allen Zellen.

Zellmembran Funktion

Die Zellmembran erfüllt einige wichtige Funktionen innerhalb der Zelle. Diese Aufgaben unterscheiden sich zwischen den verschiedenen Zellarten relativ wenig.

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 (H_2), Sauerstoff(O_2) oder Stickstoff(N_2) durchdringen.
Größere Moleküle, Ionen oder Proteine können nur unter bestimmten Bedingungen durchgelassen werden. Diese Halbdurchlässigkeit der Membran kannst du auch als Semi-Permeabilität bezeichnen.

Membrantransport

Wenn nun einige der größeren Moleküle die Membran gezielt passieren sollen, kommen die verschiedenen Proteine an der Zellmembran zum Einsatz. Für eine Transport von Ionen besitzt die Zellmembran sogenannte Ionenkanäle. Diese integralen Proteine durchdringen die gesamte Membran. Ionenkanäle gehören deshalb zu den Transmembranproteinen.

Der Kanal, den sie dabei bilden, ist hydrophil. Dadurch kann er größere Moleküle oder Ionen in eine Richtung aufnehmen oder abgeben. Das Öffnen und Schließen dieser Kanäle kann die Zelle über Signalproteine oder eine elektrische Spannung steuern.

Für andere, große oder polare Moleküle eignen sich die Transportproteine oder auch Carrier-Proteine. Diese sind in der Lage, ein Substrat an sich zu binden und es in den Innenraum oder den Außenraum „auszuwerfen“.

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Membrantransport durch Proteinkanal, Transportproteine, Aquaporine, Ionenpumpen und Rezeptorproteine

Für den besseren Transport von Wasser besitzt die Zellmembran außerdem die sogenannten Aquaporine. Obwohl Wasser ein sehr kleines Molekül ist und in einigen Fällen die Membran ohne Probleme durchdringen kann, ist der Wassertransport sehr wichtig. Über die Aquaporine kann die Zelle ihre Aufnahme oder Abgabe von Wasser nochmals gezielter steuern.

Eine weitere Art der Transmembranproteine sind die sogenannten Ionenpumpen. Diese sind in der Lage, nötige Konzentrationsdifferenzen zwischen Innenraum und Außenraum der Zelle zu erhalten. Dafür haben sie Enzyme, die ATP durch Hydrolyse spalten können. Daraus ziehen sie die Energie für den Transport.

Die Zelle kann außerdem, um den Stofftransport zu regulieren, die Fluidität der Membran erhöhen oder erniedrigen. Eine hohe Fluidität steht für eine dünnflüssigere Umgebung in der Membran und somit auch für einen leichteren Transport. Diese Fluidität kann die Zelle über Cholesterin innerhalb der Membran steuern.

Signalübertragung

Für die Signalübertragung zwischen den Zellen liegen an der Zellmembran sogenannte Rezeptorproteine. Sie bestehen aus einem Kanal durch die Zelle und einem Rezeptor. Wenn ein Signalmolekül nach dem Schlüssel-Schloss Prinzip an den Rezeptor andockt, öffnet sich der Kanal. Nun können die Signalproteine die Zelle durchdringen.

Zellverbindung

Die Verbindung zwischen mehreren Zellen geschieht auch primär über die Zellmembran. Hierbei spielt die Glykokalix eine wichtige Rolle. Die Kohlenhydratanteile der Proteine und Lipide 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 unter anderem verschiedenste Stoffe ausgetauscht werden.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil in der Zellverbindung sind die sogenannten Gap Junctions . Diese kannst du dir als Ansammlungen von mehreren Kanälen namens Connexine vorstellen, die zwischen zwei Zellen bestehen. Dadurch können sie das Cytoplasma dieser Zellen direkt miteinander verbinden und so Stoffe schneller austauschen.

Gap Junctions, Connexine, Zellmembran
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Gap Junctions mit Connexinen

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