Plasmamembran: Struktur, Funktionen und Transportarten

Plasmamembran: Struktur und Funktion

Die Plasmamembran, auch Zellmembran genannt, ist eine semipermeable, flüssige und flexible Struktur, die jede Zelle umgibt. Sie besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, in die Proteine (für Transport und Struktur) und Kohlenhydrate (für die Zellkommunikation) eingebettet sind. Cholesterin trägt zur strukturellen Stabilität bei.

Die Hauptfunktionen der Plasmamembran sind:

• Schutz der Zelle
• Abgrenzung des Zytoplasmas und der Organellen
• Formgebung der Zelle
• Kommunikation zwischen der Zelle und ihrer Umgebung
• Regulierung des Stofftransports in die und aus der Zelle

Transportmechanismen durch die Plasmamembran

Passiver Transport

Der passive Transport erfordert keinen Energieaufwand der Zelle. Er erfolgt entlang eines Konzentrationsgradienten und setzt bestimmte Voraussetzungen voraus.

a) Diffusion

Diffusion ist der Transport von Stoffen durch eine semipermeable Membran von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration.

• Einfache Diffusion: Kleine, fettlösliche Moleküle (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasser, Kohlendioxid) können direkt durch die Phospholipid-Doppelschicht diffundieren.
• Erleichterte Diffusion: Größere Moleküle benötigen die Hilfe von Transportproteinen (Kanalproteine), um die Lipiddoppelschicht zu passieren.

b) Dialyse

Dialyse ist ein passiver Transportprozess, der in den Nephronen der Niere stattfindet. Kleine Moleküle (gelöste Stoffe) diffundieren durch eine Membran von einer höher konzentrierten Lösung zu einer niedriger konzentrierten Lösung. Die Dialyse ist die Grundlage der Hämodialyse, die bei Nierenversagen die Filterfunktion der Niere ersetzt.

c) Osmose

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich höherer Wasserreinheit (niedrigere Konzentration gelöster Stoffe) zu einem Bereich niedrigerer Wasserreinheit (höhere Konzentration gelöster Stoffe).

• Hypotonische Lösung: Ist die Konzentration gelöster Stoffe außerhalb der Zelle geringer als innerhalb, strömt Wasser in die Zelle ein, wodurch sich das Zellvolumen erhöht. Bei zu starkem Wassereinstrom kann die Zelle platzen (Zytolyse). Bei roten Blutkörperchen wird dieser Vorgang als Hämolyse bezeichnet.
• Isotonische Lösung: Ist die Konzentration gelöster Stoffe außerhalb und innerhalb der Zelle gleich, gibt es keinen Netto-Wasserfluss und das Zellvolumen bleibt konstant.
• Hypertonische Lösung: Ist die Konzentration gelöster Stoffe außerhalb der Zelle höher als innerhalb, strömt Wasser aus der Zelle aus, wodurch sich das Zellvolumen verringert. Bei roten Blutkörperchen führt dies zu einer Zellschrumpfung mit unregelmäßiger, sternförmiger Gestalt.

Hinweis: In Pflanzenzellen regulieren die Vakuolen den Wasserhaushalt und gleichen Volumenänderungen aus. Die Zellwand verleiht Pflanzenzellen zudem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Veränderungen des intrazellulären Volumens.

Aktiver Transport

Der aktive Transport ermöglicht es der Zelle, Stoffe gegen einen Konzentrationsgradienten zu transportieren. Dieser Prozess erfordert Energie, die aus der Zellatmung stammt. Es gibt zwei Hauptarten des aktiven Transports:

• Transport durch Proteine: Spezielle Membranproteine, sogenannte Pumpen, transportieren Ionen aktiv gegen ihren Konzentrationsgradienten, d. h. von einem Bereich niedrigerer zu einem Bereich höherer Konzentration. Ein Beispiel ist die Na-K-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe).
• Transport durch Vesikel: Große Partikel, die nicht durch die Membranproteine passen, können durch Vesikel transportiert werden.

Endozytose

Endozytose ist die Aufnahme von Stoffen in die Zelle durch Einstülpung der Plasmamembran und Bildung von Vesikeln. Man unterscheidet:

• Phagozytose: Aufnahme großer, fester Partikel durch spezialisierte Zellen. Die Plasmamembran stülpt sich ein und umschließt das Partikel, das dann im Inneren der Zelle verdaut wird.
• Pinozytose: Aufnahme von Flüssigkeiten oder gelösten Stoffen in Vesikeln.
• Rezeptorvermittelte Endozytose: Eine spezielle Form der Endozytose, bei der die Einstülpung der Membran durch die Bindung von Molekülen an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche ausgelöst wird.

Exozytose

Exozytose ist der Prozess, bei dem große Moleküle aus der Zelle ausgeschleust werden. Die Stoffe werden in Vesikel eingeschlossen, die mit der Plasmamembran verschmelzen und ihren Inhalt nach außen freigeben. Beispiele hierfür sind die Freisetzung von Enzymen (z. B. Speichel-Amylase), Hormonen (z. B. Insulin) und Neurotransmittern.