Struktur und Funktion der Zellmembran und Zellwand

Membranstruktur: Das Fluid-Mosaik-Modell

Nach Singer und Nicholson (1972) erscheint die Plasmamembran im Elektronenmikroskop als zwei dunkle Streifen mit einer klaren Trennung dazwischen. Die Membran ist nicht starr, sondern flüssig. Sie wird als flüssiges Mosaik beschrieben, in dem die Lipiddoppelschicht das Netzwerk bildet, in das Proteine eingebettet sind oder mit ihr interagieren. Beide, Lipide und Proteine, sind amphipathisch.

• Proteine und Lipide können sich seitlich bewegen.
• Lipide und Proteine sind integral im Mosaik angeordnet.
• Membranen sind asymmetrische Strukturen in der Verteilung ihrer Komponenten.

Funktionen der Zellmembran

• Begrenzung der Zelle als selektive Barriere für den Stoffaustausch.
• Produktion und Kontrolle elektrochemischer Gradienten (Ladungs- und Konzentrationsunterschiede), die zur Energiegewinnung genutzt werden können.
• Austausch von Signalen.
• Zellteilung.
• Zelluläre Immunität.
• Endozytose und Exozytose.

Chemische Zusammensetzung

Die Membran besteht aus ca. 60 % Proteinen und 40 % Lipiden.

Lipide

Sie sind asymmetrisch verteilt und heterogen. Dazu gehören Phospholipide, Glycolipide und Sterole. Lipide können folgende Bewegungen ausführen:

• Rotation
• Laterale Diffusion
• Flip-Flop

Proteine

Proteine verleihen der Membran ihre spezifischen Funktionen (Struktur, Erkennung, Haftung, Transport, Stoffwechsel). Die meisten sind kugelförmig und werden nach ihrer Position eingeteilt:

• Integrale Proteine: Stark durch hydrophobe oder kovalente Bindungen verbunden (Transmembranproteine oder intrinsische Proteine).
• Periphere Proteine: Durch Ionen- oder Wasserstoffbrücken an die Membran gebunden und leicht ablösbar (extrinsische Proteine).

Kohlenhydrate

Oligosaccharide sind an Proteine oder Lipide gebunden. Auf der äußeren Oberfläche bilden sie den Glykokalix, der wichtige Funktionen übernimmt.

Transport von Molekülen

1. Moleküle mit niedrigem Molekulargewicht

Passiver Transport:

• Einfache Diffusion: Substanzen diffundieren direkt durch die Phospholipidschicht oder durch Kanalproteine (für Ionen und polare Substanzen).
• Erleichterte Diffusion: Erfolgt durch Carrier-Proteine, die durch Konformationsänderungen den Durchtritt ermöglichen.

Aktiver Transport:

Erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch. Beispiel: Natrium-Kalium-Pumpe (transportiert 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen).

2. Transport von Molekülen mit hoher Masse

• Endozytose: Aufnahme von Partikeln aus der Umgebung (Pinozytose für Flüssigkeiten, Phagozytose für Feststoffe, rezeptorvermittelte Endozytose).
• Exozytose: Verschmelzung von Vesikeln mit der Plasmamembran zur Freisetzung von Inhalten.
• Transzytose: Transport einer Substanz durch das Zytoplasma.

Die pflanzliche Zellwand

Chemie und Struktur

• Bestandteile: Cellulose und eine amorphe Matrix aus Pektin und Hemicellulose.
• Mittellamelle: Äußerste Schicht, wird von benachbarten Zellen geteilt; enthält Plasmodesmen (Zellbrücken).
• Primärwand: Unter der Mittellamelle gelegen, fibrillär, charakteristisch für wachsende Zellen.
• Sekundärwand: Innerste Schicht, bildet sich nach Wachstumsabschluss, besteht aus Cellulose-Schichten.

Funktionen

• Verleiht Steifigkeit und Widerstand.
• Erhält die Zellform aufrecht.
• Verbindet benachbarte Zellen.
• Verhindert das Platzen der Zelle in hypotonen Medien (osmotisches Gleichgewicht).
• Schützt vor Wasserverlust und dient als Barriere für Krankheitserreger.