Zellmembran: Funktion, Aufbau, Aufgabe & Defintion

Die Zellmembran ist der äußere Abschluss des Zellinhalts jeder Zelle.
Bei Pflanzen- und Bakterienzellen liegt ihr außen noch eine Zellwand auf. Die Zellmembran ist eine Doppelmembran wie nachfolgendes ELMI-Bild zeigt.

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Man sieht die Grenze zwischen zwei Zellen mit dem interzellulären Raum und den beiden Doppelmembranen. Sie wird auch Einheitsmembran genannt.

Aufbau einer Einheitsmembran

Alle Membranen bestehen aus Protein und Fett (Lipid).
Die Anteile der beiden Bestandteile variieren jedoch. Zum Beispiel:

  • Die Zellmembran der Isolierungsschicht bei
    Nervenzellen ( = Neuronen) genannt Myelin enthält nur 18%
    Protein und 76% Lipid.
  • Die innere Mitochondrienmembran enthält
    76% Protein and nur 24% Lipid.
  • Plasmamembranen der menschlichen Erythrozyten
    (roten Blutkörperchen) und Mäuseleber bestehen aus nahezu
    gleichen Mengen Protein (44, bzw. 49% ) und aus Lipid zu 43, bzw. 52%.

Der grundsätzliche Aufbau wird in der Abb. 1.4.2 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die Lipide in einer Doppelschicht angeordnet und Proteine in verschiedenen Formen in die Membran eingelagert sind. Nach außen ragen die Fortsätze verschiedener Glycolipide und Lipoproteide:

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Die Lipidmoleküle sind in den Abbildungen als Kugeln mit in der Regel 2 Schwänzen dargestellt. Diese lagern sich so aneinander, daß die Kugeln eine Ebene bilden und die Schwänze senkrecht aus dieser Ebene herausstehen.

Bei einer Doppelmembran sind die Schwänze einander zugerichtet. Die Kugeln bilden immer den äußeren Abschluss; sie sind wasserlöslich (= hydrophil).

Die beiden Schwänze stellen den fettlöslichen ( = hydrophoben) Teil dar. Eine Membran ist also außen wasserlöslich und innen fettlöslich.

Im Computermodell in Abb. 1.4.3 sind 20 solcher Lipidmoleküle parallel nebeneinander angeordnet.


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Ein einzelnes Lipidmolekül sieht wie in Abb. 1.4.4 aus.
Die tatsächliche Strukturformel eines solchen Lipidmoleküls sieht man links, das Symbol: Kopf mit 2 Schwänzen rechts daneben.

Aus der genauen chemischen Bezeichnung ( z.B. Palmitoyl-) kann man auf die enthaltene Fettsäure Palmitinsäure schließen.

Durch den Aufbau der Membran aus diesen speziellen Lipidmolekülen hat die Membran ganz bestimmte Permeabilitätseigenschaften (Permeabilität = Durchlässigkeit).

Allgemein gesagt ist sie semipermeabel ( = halbdurchlässig), d.h. bestimmte Stoffe passieren die Membran, andere nicht.

Kleine Moleküle wie Owandern problemlos durch die Membran, große Moleküle wie Proteine gelangen nicht hindurch, andere benötigen spezielle Membrantunnel.

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Auch die Ladung und Löslichkeit der Stoffe, die durch die Membran wollen spielen eine Rolle.

Geladene Teilchen wie Ionen müssen meist unter Energieaufwand ( aktiv) mit speziellen Ionenpumpen durch die Membran gepumpt werden.

Dies gilt auch für so wichtige Stoffe wie Glucose (= Traubenzucker) und Aminosäuren. Alle fettlösliche Stoffe können meist problemlos die Membran durchdringen.

Die Proteine in einer Membran haben besondere Aufgaben. Sie dienen als z.B. als Tunnelproteine (siehe Abb. 1.4.4 ), um bestimmte Stoffe, die von alleine nicht hindurchtreten können unter Energieaufwand hindurchzuschleusen oder sie bilden Rezeptoren (= “Antennen”) ( siehe Abb. 1.4.5), um mit Botenstoffen wie Hormonen Kontakt aufzunehmen ( Signale aufzunehmen) und dadurch Vorgänge in der Zelle auzulösen. Weiterhin können Viren in die Zelle eindringen.

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In Abb. 1.4.5 sind verschiedene Rezeptoren einer
Zellmemban abgebildet. Diese können aus Protein oder aus Glycoproteinen (Eiweiße mit Kohlenhydraten) bestehen.

Die Bedeutung der Cytoplasmamembran, allgemein von Membranen ist vielfältig:

  • Trennung von Reaktionsräumen
  • Semipermeable
    ( = halbdurchlässige) Membran beim Stofftransport, d.h.
    manche Stoffe können passieren, andere nicht. Sie besitzt Membranporen.
  • Ankerpunkt für das Cytoskelett
    zur Aufrechterhaltung der Form.
  • Bindung und Reaktionsort
    von Enzymen
  • Membranen besitzen an der Außenseite
    Rezeptoren
    zur Erkennung von Signalstoffen wie Hormone.
  • tierische Zellen besitzen auf
    der äußeren Membran einen zementartigen Stoff der die Zellen
    zusammenhält.
  • Manche Zellen wie Nierenzellen
    haben einen Saum fingerartiger Ausstülpungen,
    Mikrovilli
    genannt zur Oberflächenvergrößerung.
  • Die Aufnahme von Flüssigkeit
    nennt man Pinocytose.
  • Die Aufnahme von festen Partikeln
    heißt Phagocytose.

Ursachen und Mechanismen der Transportvorgänge durch
Membranen werden später besprochen.

Membranstrukturen zur Verbindung von Zellen

Proteine der Membran dienen jedoch nicht nur als Rezeptoren
oder als Tunnelproteine sondern ermöglichen in Geweben (= Verband
gleichartiger Zellen mit gleicher Funktion) den festen Zusammenhalt bzw. interzellulären Stoffaustausch. Inzwischen hat man die Feinstruktur
aufgeklärt. Die Abbildung unten zeigt elektronenmikroskopische Aufnahmen der drei Zell-Zell-Verbindungsstrukturen.

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Desmosomen Haftpunkte an Zellmembranen, die den Zusammenhalt von auf Zug beanspruchten Geweben ermöglichen. Sie kommen deshalb auch häufig in Epithelien oder Muskelzellen vor. Mit Hilfe von Verbindungsproteinen (Desmoglein und Desmocollin) und je einer Haftplatte stellen sie ein Verbindung mit dem Cytoskellett der Zelle her. Die Abb. 1.4.5 zeigt den Aufbau und ein Beispiel von über Desmosomen verbundenen Epidermiszellen der Haut.

Tight Junctions bestehen ebenfalls aus speziellen Proteinfasern, die benachbarte Zellen miteinader verbinden. Dabei umgürten schmale Bänder aus Membranproteinen die Epithel- und Endothelzellen (z.B. Nieren-, Harnblasen- und Darmepithel, Blut-Hirn-Schranke) vollständig. Dadurch liegen die Zellen fest parallel aneinander, da die Tight-Junction-Proteine (Occludin und Claudin) der beiden Membranen fest aneinander haften. So verhindern sie auch die freie Bewegung von Membrankomponenten und bilden dazu noch eine Diffusionsbarriere.
Aus Abb. 1.4.5 kann der Feinbau entnommen werden.

Gap Junctions sind Proteinkanäle (= Konnexone) zwischen benachbarten Nerven-,Sinnes-und Muskelzellen, die durch Plasmabrücken den schnellen Stofftransport kleiner Moleküle ermöglichen. Sie können auch geschlossen werden.

Plasmodesmen sind Membrantunnel bei Pflanzenzellen,
die das Cytoplasma der Zellen durch die Membran und Zellwand hindurch verbinden. Jedes Plasmodesma besteht aus kleineren Röhren, durch die auch das ER reichen kann. Viele Pflanzenviren benutzten diese Kanäle, um in die Zellen zu gelangen.

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Abb. 1.4.1

Zellmembran (TEM)

100 000 x

Abb. 1.4.2

Aufbau einer typischen Zellmembran
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.4.3

Lipidschicht im Computermodell

 


Abb. 1.4.4

Membranlipidmolekül

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Abb. 1.4.4

Tunnelproteine

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.4.5

Desmosomen – Tight Junctions – Gap Junctions
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Desmosomen in der Epidermis der Haut

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Occludine (hellblau gefärbt) zwischen Epithelzellen

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