Zellmembran und Extrazelluläre Matrix: Aufbau, Funktionen und Transport

Zellmembran: Struktur und Funktionen

Die Zellmembran (oder Plasmamembran) umgibt die Zelle und grenzt sie ab. Ihre Struktur ähnelt der vieler zytoplasmatischer Organellenmembranen. Man spricht auch von der Einheitsmembran.

Aufbau der Zellmembran

Die Lipiddoppelschicht

Die Zellmembran besteht aus einer Doppelschicht von Lipiden, mit denen Proteinmoleküle assoziiert sind. Die Lipidkomponenten sind Phospholipide (am häufigsten), Glykolipide und Cholesterin. Die Lipiddoppelschicht ist asymmetrisch.

Membranproteine

Die Proteine sind so strukturiert, dass ihre polaren Reste nach außen zeigen und die lipophilen Reste in Kontakt mit der Membran stehen. Basierend auf ihrer Assoziation mit den Membranlipiden werden Proteine klassifiziert als:

• Integrale Proteine: Teilweise in die Doppelschicht eingelagert.
• Transmembranäre Proteine: Durchqueren die gesamte Doppelschicht.
• Periphere Proteine: An der Oberfläche der Doppelschicht angelagert.

Der Glykokalix

Die an Glykolipide und Glykoproteine der Plasmamembran (PM) gebundenen Oligosaccharidketten bilden den sogenannten Glykokalix. Dieser ist nur bei tierischen Zellen zu finden und mikroskopisch sichtbar.

Funktionen der Zellmembran

Aufrechterhaltung des inneren Milieus

Die Hauptaufgabe der Zellmembran ist die Aufrechterhaltung eines stabilen inneren Milieus der Zelle.

Molekültransport durch die Membran

Die Zellmembran reguliert den Ein- und Austritt von Wasser, Molekülen und anderen Elementen. Die Lipiddoppelschicht selbst trennt das Zellinnere vom extrazellulären Raum und ist an Prozessen wie Endozytose und Exozytose beteiligt.

Die Funktionen der Membranproteine umfassen die Regulierung des Ein- und Austritts von Molekülen und Ionen in und aus der Zelle, die Zell-Zell-Erkennung und die enzymatische Aktivität.

Passiver Membrantransport

Der passive Membrantransport ist ein spontaner Prozess, bei dem Substanzen entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die Membran diffundieren. Er erfordert keine Energie.

Einfache Diffusion

Kleine Moleküle (z.B. O₂, N₂, H₂O, CO₂, Steroidhormone, Ether) diffundieren direkt durch die Lipiddoppelschicht. Dieser Prozess ist schnell und erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten.

Erleichterte Diffusion

Größere oder geladene Moleküle (z.B. Ionen) benötigen die Unterstützung von transmembranären Proteinen (Kanalproteine oder Carrierproteine), die spezifisch für jedes Substrat sind. Auch dieser Transport erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten.

Aktiver Membrantransport

Der aktive Membrantransport erfolgt gegen den Konzentrationsgradienten und erfordert daher Energieverbrauch, meist in Form von ATP. Ein bekanntes Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

Endozytose und Exozytose

• Exozytose: Die Ausschleusung von Makromolekülen und anderen Substanzen aus der Zelle erfolgt durch die Verschmelzung von Vesikeln, die die Substanzen enthalten, mit der Plasmamembran.
• Endozytose: Die Aufnahme von Makromolekülen und anderen externen Substanzen in die Zelle erfolgt durch die Bildung von Membranvesikeln.

Typen der Endozytose

• Pinozytose

  Die Zelle nimmt Flüssigkeit und darin gelöste Substanzen in kleinen Vesikeln auf („Zelltrinken“).

• Phagozytose

  Die Zelle umschließt und verschlingt große Partikel (z.B. Nährstoffe, Bakterien) und nimmt sie in großen Vesikeln, sogenannten Phagosomen, ins Zellinnere auf („Zellfressen“). Phagozytose dient der Nahrungsaufnahme oder der Abwehr. Phagosomen verschmelzen oft mit Lysosomen, die Verdauungsenzyme enthalten, wodurch Verdauungsvakuolen entstehen.

Vesikelbildung (Knospung)

Vesikel können sich auch durch Knospung von Membranen des Endoplasmatischen Retikulums (ER) und des Golgi-Apparats (GA) bilden. Diese Vesikel können dann in andere Organellen integriert werden oder ihren Inhalt nach außen abgeben.

Extrazelluläre Matrix (EZM)

Die extrazelluläre Matrix ist ein komplexes Netzwerk von Makromolekülen, das von Zellen sezerniert wird und ihnen strukturelle und biochemische Unterstützung bietet.

Kollagen

Kollagen ist ein fibrilläres Protein, das aus drei helikalen Proteinketten besteht, die eine Tripelhelix bilden. Es ist für die Zugfestigkeit und Konsistenz der Matrix verantwortlich.

Elastin

Elastin ist ein Protein, das für die Elastizität der Gewebe sorgt. Es kann sich wie ein Gummiband dehnen und wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren.

Fibronektin

Fibronektin ist ein Glykoprotein, das ein Netzwerk aus Filamenten bildet. Es hat eine adhäsive Funktion und verbindet Zellen mit der extrazellulären Matrix. Es ist ein wichtiger Bestandteil des Bindegewebes, insbesondere in vaskulären und knorpeligen Geweben.