Die Plasmamembran: Aufbau, Eigenschaften und Transportmechanismen

Die Plasmamembran: Aufbau und Eigenschaften

Die Plasmamembran (Zellhülle) ist die einzige Struktur, die in allen Zelltypen vorhanden ist. Diese besteht im Wesentlichen aus Lipiden, Proteinen und in geringerem Maße aus Kohlenhydraten im Verhältnis zur Zelle. Im Elektronenmikroskop sind in ihrem Querschnitt zwei separate dunkle, dünne Linien zu sehen, die einen klaren Raum sowie ihre externen und internen Seiten zeigen. Sie erscheint durchgehend und glatt, gepunktet durch schwere Teilchen. Sie weist Eigenschaften der Flüssigkeit und Dichtigkeit auf, damit sie die Bestandteile des Mediums isolieren kann (obwohl sie die selektive Passage von Stoffen ermöglicht), um viele Funktionen zu erfüllen.

Bestandteile der Membran

Membranlipide

• Phospholipide: Sie sind wichtige Bestandteile der Plasmamembran aufgrund ihres amphipathischen Charakters. Aus mikroskopischen Beobachtungen folgt, dass Phospholipide in einer Doppelschicht angeordnet sind, in der die hydrophilen „Köpfe“ nach außen zeigen und die hydrophoben Schwänze den Innenraum besetzen.
• Cholesterin: Es ist in die Doppelschicht der Phospholipide eingesetzt. Dies geschieht vor allem in den Membranen tierischer Zellen.

Membranproteine

Proteine haben oft einen amphipathischen Charakter, der es ihnen ermöglicht, sich mehr oder weniger in verschiedenen Bereichen der Lipid-Doppelschicht zu integrieren. Ihre Größe und Struktur variiert von einfachen kleinen Alpha-Helices bis hin zu großen kugelförmigen Molekülen mit komplexen Konfigurationen. Nach mikroskopischen Beobachtungen wird das beschriebene Flüssig-Mosaik-Modell, welches die Phospholipid-Doppelschicht und das Cholesterin umfasst, durch Transmembranproteine ergänzt, die eng mit ihr verbunden sind. Zudem verfügt sie über periphere Proteine, die mehr oder weniger eng an ihren beiden Oberflächen befestigt sind.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind vor allem Oligosaccharide, die kovalent an Lipide oder Membranproteine gebunden sind und so Glykolipide und Glykoproteine bilden. In einigen Fällen treten sie in großen Mengen an der Außenseite der Plasmamembran auf, sodass diese durch einen Mantel von Kohlenhydraten (Glykokalyx) bedeckt ist.

Anordnung und Asymmetrie der Struktur

Das Flüssig-Mosaik-Modell der Membran bedingt eine Asymmetrie, das heißt, es gibt Unterschiede zwischen den beiden Seiten der Membran: Die extrazelluläre Seite ist durch die Glykokalyx-Zucker bedeckt. Die intrazelluläre Seite besitzt keine Glykokalyx, sondern ein Netzwerk von Faserproteinen, die ihre Membranproteine (Transmembranproteine) verbinden und die Membran stabilisieren.

Membranstruktur und assoziierte Proteine

Sowohl Transmembranproteine als auch Proteine, die kovalent an Lipide gebunden sind, werden als integrale Proteine bezeichnet. Um diese zu trennen, sind drastische Maßnahmen erforderlich. Im Gegensatz dazu binden periphere Proteine (extrinsische Proteine) an andere Membranproteine durch nicht-kovalente Bindungen und können leicht isoliert werden.

Fluidität der Organisation

Das Flüssig-Mosaik-Modell geht davon aus, dass sich die Lipiddoppelschicht wie eine Flüssigkeit verhält, in der sich Lipide und Proteine seitlich bewegen (laterale Diffusion) und um ihre eigene Achse rotieren können (Rotation). Phospholipide können zudem, wenn auch weniger häufig, von einer Monoschicht zur anderen wechseln (Flip-Flop-Bewegungen). Die laterale Bewegung bestimmt maßgeblich die Fluidität der Membran, welche von Membran zu Membran variiert und durch vier Faktoren beeinflusst wird:

• Länge der Kohlenwasserstoffketten: Je kürzer die Ketten, desto schwächer sind die Wechselwirkungen. Membranen mit kurzen Ketten sind weniger starr und bleiben flüssiger.
• Vorhandensein ungesättigter Fettsäuren: Die Krümmungen ungesättigter Kohlenwasserstoffmoleküle führen dazu, dass sie weniger straff gepackt sind, was die Beweglichkeit erhöht. Je höher der Grad der Ungesättigtheit, desto höher die Fluidität.
• Anteil an Cholesterin: Cholesterin liegt in der Lipid-Doppelschicht mit seiner polaren Gruppe auf Ebene der Phospholipidköpfe, während die starre, hydrophobe Ringstruktur mit den Kohlenwasserstoffschwänzen interagiert und diese immobilisiert. Dies verhärtet die Membran und macht sie weniger flüssig sowie weniger durchlässig.
• Temperatur: Wenn die Temperatur sinkt, nimmt auch die Fluidität ab.

Funktionen der Plasmamembran

• Lipid-Doppelschicht: Bildet eine hochselektive Barriere und Dichtigkeit gegenüber wasserlöslichen Stoffen, Ionen und den meisten biologischen Molekülen.
• Membranproteine: Transportieren spezifische Moleküle in die und aus der Zelle (z. B. Glukose) sowie Ionen in beide Richtungen. Sie fungieren als Rezeptoren für chemische Signale aus der Umgebung (Zielzelle). Das Molekül, welches das chemische Signal überträgt, wird Ligand oder erster Bote genannt.
• Glykokalyx: Schützt und schmiert die Zelloberfläche (durch Wasseraufnahme entsteht eine viskose Schicht), erkennt andere Zellen und interagiert mit ihnen, erkennt und fixiert Chemikalien oder Partikel (Zelladhäsion durch Kohlenhydrate).

Transport durch die Membran

Die Plasmamembran steuert den Ein- und Ausgang bestimmter Stoffe durch verschiedene Arten des Transports, die vor allem von der Art und Größe der Stoffe abhängen.

Transport ohne Membranverformung

Kleine Moleküle oder Ionen können die Zellmembran überqueren, ohne deren Struktur zu verändern. Dieser Prozess kann passiv oder aktiv erfolgen.

Passiver Transport

Die Richtung des passiven Transports wird durch die relative Konzentration der Moleküle oder Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle bestimmt und erfolgt immer entlang ihres Konzentrationsgradienten. Es gibt zwei Arten:

• Einfache Diffusion: Ein einfacher und wenig selektiver Mechanismus, da alle relativ hydrophoben, kleinen und ungeladenen Moleküle ohne Träger durch die Doppelschicht diffundieren können.
• Erleichterte Diffusion durch Transmembranproteine: Verantwortlich für den Transport großer Moleküle oder Ionen, die nicht durch einfache Diffusion passieren können. Diese Proteine unterteilen sich in:
  • Carrier-Proteine (Träger): Transportieren Glukose, Aminosäuren und Nukleoside. Sie binden das Molekül auf einer Seite, erfahren eine Konformationsänderung und geben es auf der anderen Seite wieder frei. Dieser Transport ist sehr selektiv.
  • Kanalproteine: Bilden einen Kanal durch die Membran. Die bekanntesten sind Ionenkanäle, die meist geschlossen sind und sich öffnen, um Moleküle passender Größe und Ladung passieren zu lassen. Dies ist ein schneller, aber weniger selektiver Mechanismus.

Aktiver Transport

Der Transport von Ionen und Molekülen gegen ihren Konzentrationsgradienten. Die Zelle nutzt dies, um ihre Zusammensetzung aufrechtzuerhalten, was Energie erfordert, die durch eine gekoppelte Reaktion (z. B. die Hydrolyse von ATP) bereitgestellt wird.

Transport mit Membranverformung

Eukaryotische Zellen können Makromoleküle oder Partikel aufnehmen und abgeben. Da deren Größe den Durchgang durch die Lipidschicht oder Kanäle verhindert, muss sich die Membran verformen. Die Aufnahme erfolgt durch Endozytose, die Abgabe durch Exozytose.

Endozytose

Mechanismus, durch den die Zelle Partikel aus dem Medium aufnimmt, indem sie diese mit einem Teil der Plasmamembran umschließt. Schritte:

1. Die Partikel werden an bestimmten Punkten der Membran fixiert.
2. Es erfolgt eine Einstülpung (Invagination) der Membran nach innen.
3. Es entsteht eine vollständige Trennung der Einstülpung, wodurch ein Vesikel gebildet wird, das in das Zytoplasma eintritt.
4. Nach der Verdauung oder Freisetzung der Stoffe wird die Membran wieder in die Oberfläche integriert.

Man unterscheidet zwei Typen: Phagozytose („Zellfressen“) und Pinozytose („Zelltrinken“).

Exozytose

Der Prozess, der es der Zelle ermöglicht, übergroße Materialien abzugeben. Diese Materialien reisen oft in membranösen Vesikeln durch das Zytoplasma, die durch Abschnürung (Gemmation) im Trans-Golgi-Netzwerk entstehen und schließlich mit der Plasmamembran verschmelzen, um ihren Inhalt nach außen zu entleeren.