Plasmamembran, Zellwand und Zytoplasma: Struktur und Funktion

Die Plasmamembran

Die Plasmamembran ist eine dünne Schicht, welche die Zelle umhüllt und sie vom externen Milieu trennt. Sie ermöglicht Formänderungen und Bewegungen (Deformationen). Ihre Struktur ist in allen Zellen sowie in den zytoplasmatischen Organellen gleich. Nach dem von Singer und Nicolson vorgeschlagenen Modell besteht sie aus einer Lipid-Doppelschicht.

Zusammensetzung der Membran

Die Membran setzt sich zusammen aus:

• 52 % Proteine
• 40 % Lipide
• 8 % Glucide (Kohlenhydrate)

Die Lipid-Doppelschicht besteht aus Phospholipiden (am häufigsten), Cholesterin und Glykolipiden. Im wässrigen Milieu richten sich die polaren Köpfe nach außen, während die unpolaren Reste im Inneren der Doppelschicht liegen. Die Phospholipide und Glykolipide der Doppelschicht neigen dazu, sich um sich selbst zu drehen.

Membranproteine

Die Proteine sind so angeordnet, dass ihre Reste außerhalb der Membran liegen. Sie werden wie folgt klassifiziert:

• Integrale Proteine: Diese sind teilweise oder ganz in die Doppelschicht eingebettet. Wenn sie die Doppelschicht komplett durchqueren, werden sie Transmembranproteine genannt.
• Periphere Proteine: Dies sind polare, lösliche Sektoren, die mit den polaren Resten der Lipide der Membran interagieren.

Die Membran ist dynamisch; die Moleküle, aus denen sie besteht, können sich lateral verschieben, was eine Selbstreparatur ermöglicht.

Die Glykokalix

Die Glykokalix ist asymmetrisch. Sie besteht aus der Gesamtheit der Oligosaccharide, die an Glykolipide und Glykoproteine der Zellmembran gebunden sind.

Funktionen der Membran

• Aufrechterhaltung eines stabilen intrazellulären Milieus.
• Die Doppelschicht wirkt als impermeable Barriere.
• Proteine führen die aktiven Funktionen der Membran aus, wie den regulierten Stofftransport.
• Aufrechterhaltung von Ionengradienten und des Membranpotenzials.
• Prozesse der Endozytose und Exozytose.
• Die Glykokalix dient der Zellidentifikation und anderen Funktionen.

Transport durch die Membran

Passiver Transport

Dies ist ein spontaner Diffusionsprozess von Stoffen durch die Membran entlang eines Gradienten:

• Konzentrationsgradient: Moleküle bewegen sich durch Diffusion vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration.
• Elektrischer Gradient: Das externe Milieu ist positiv (+), das interne negativ (-). Durch Diffusion treten positive Ionen in die Zelle ein und negative Ionen verlassen sie.

Die Verbindung beider Gradienten wird als elektrochemischer Gradient bezeichnet. Der Transport kann durch einfache oder erleichterte Diffusion erfolgen:

• Einfache Diffusion: Kleine Moleküle oder lipidlösliche (apolare) Moleküle passieren die Doppelschicht. Zudem gibt es Kanalproteine (Transmembranproteine), die einen oft verschlossenen Durchlass bilden.
• Erleichterte Diffusion: Ermöglicht den Transport kleiner polarer Moleküle mithilfe von Transmembranproteinen (Permeasen).

Aktiver Transport

Membranproteine transportieren Moleküle unter Aufwendung von Energie in Form von ATP. Da die Außenseite der Membran im Vergleich zur Innenseite positiv geladen ist, entsteht ein Membranpotenzial. Dies ermöglicht den passiven Einstrom von Kationen und erlaubt der Zelle, äußere Reize zu erfassen. Dies geschieht durch das Öffnen von Kanälen, sodass Natrium-Ionen in dem Maße austreten, wie sie eintreten.

Endozytose und Exozytose

Zellen besitzen Mechanismen zur Bildung von Membranbläschen (Vesikeln), in denen Makromoleküle transportiert werden. Die Endozytose wird eingeleitet, wenn ein Kontrollmechanismus einen Membranabschnitt in das Zytoplasma zieht.

• Pinozytose: Die Zelle nimmt Flüssigkeiten und darin gelöste Stoffe in kleinen Vesikeln auf.
• Phagozytose: Die Zelle nimmt große Partikel in großen Vesikeln auf.

Die extrazelluläre Matrix

Die extrazelluläre Matrix ist ein Produkt der Zellsekretion, das zwischen den Zellen tierischer Gewebe vorkommt. Sie fungiert als Bindeglied, füllt Räume aus und verleiht dem Gewebe Konsistenz. Sie besteht aus Proteinfasern, die in eine gallertartige, hydratisierte Struktur aus Glykoproteinen eingebettet sind.

• Kollagen: Ein Faserprotein aus drei ineinander verschlungenen Spiralen; es verleiht Struktur und Stabilität.
• Elastin: Ein Faserprotein, das sich wie Gummi verhält und Elastizität bei Zugbelastung bietet.
• Fibronektin: Ein Glykoprotein, das als Klebstoff fungiert und die Adhäsion zwischen den Zellen ermöglicht.
• Proteoglykane: Bilden gefiederte Strukturen, die sehr hydrophil sind und eine hervorragende Druckfestigkeit gewährleisten.

Funktion: Zusammenhalt von Geweben, Zellen und Organen; Verleihung von Konsistenz und Elastizität; Ermöglichung der Diffusion von Substanzen.

Die Zellwand

Die Zellwand ist ein schwerer und fester Schutzmantel, der Pflanzenzellen umgibt. Ihr häufigster Bestandteil ist Zellulose, die in Schichten angeordnet ist und ein Exoskelett bildet, das auch nach dem Tod der Zelle bestehen bleibt. Die Zellwand besteht aus einem Netzwerk von Zellulosefasern und einer Matrix, die imprägniert sein kann mit:

• Lignin: Verleiht Steifigkeit (reichlich in Skelettgeweben).
• Suberin und Cutin: Machen die Zellwand wasserdicht.
• Calciumcarbonat und Kieselsäure: Verleihen der Epidermis von Blättern Starrheit.

Die Zellwand gibt der Zelle Form und schützt sie vor dem Platzen, da im Zytoplasma eine hohe Konzentration an Molekülen herrscht, die einen osmotischen Druck erzeugen.

Zytoplasma, Zytosol und Zytoskelett

Das Zytoplasma ist der Raum zwischen der Plasmamembran und dem Kern.

Zytosol

Das Zytosol ist das interne Milieu des Zytoplasmas, abgegrenzt durch das Zellmembransystem. Es ist ein wässriges Medium (85 % H2O) mit einer großen Zahl an gelösten Molekülen, die eine kolloidale Dispersion bilden. Es kann vom Zustand eines Sols in ein Gel übergehen.

Funktion: Hier findet die Proteinsynthese basierend auf RNA-Informationen statt. Aufgrund des hohen Enzymgehalts laufen hier zahlreiche Stoffwechselreaktionen ab. Zudem beherbergt das Zytosol das Zytoskelett.

Zytoskelett

Das Zytoskelett ist ein Netzwerk aus Proteinfilamenten und Tubuli sowie entsprechenden Proteinen, die diese Filamente binden.

Funktion: Aufrechterhaltung der Zellform, Ermöglichung von Zellbewegungen sowie Transport und Organisation der Organellen.