Zellmembran-Struktur: Funktion, Bestandteile und Bedeutung

Die Zellmembran

Nur eine sehr dünne, flexible Barriere trennt den Inhalt einer Zelle von ihrer Umwelt. Diese Barriere, genannt Zellmembran (oder Plasmamembran), erlaubt selektiv den Austausch und das Passieren bestimmter Moleküle, während sie unerwünschte Substanzen fernhält. Die Membran ermöglicht es der Zelle auch, mit anderen Zellen und der umgebenden Umwelt zu kommunizieren. Sowohl Pflanzen als auch Tiere besitzen Zellmembranen, aber Pflanzen, Hefen und Bakterien haben zusätzlich eine starre Zellwand außerhalb der Membran für zusätzliche Unterstützung und Struktur. Die einzigartigen Funktionen der Zellmembran bestimmen ihre Struktur und Eigenschaften.

Phospholipid-Komponente

Eine Zweischichtstruktur spezieller Lipidmoleküle, sogenannte Phospholipide, bildet die Zellmembran. Jedes Phospholipid hat zwei Fettsäureketten, die an einen Phosphat-Glycerin-Kopf angehängt sind. Die Fettsäuren sind hydrophob (wasserabweisend), während der Phosphatkopf hydrophil (wasseranziehend) ist. Die beiden Phospholipidschichten positionieren sich so, dass die Fettsäuren im Inneren der Schichten oder Blattläger liegen. Laut "Carnegie-Mellon: The Structure and Function of the Cell Membran" ordnen sich die Phospholipidmoleküle neu, wenn die Doppelschichtmembran mit Wasser in Kontakt kommt, um die Fettsäureschwänze vom Wasser fernzuhalten.

Protein-Komponente

Zwei Arten von Proteinen sind in der gesamten Zellmembran verteilt: integrale Proteine und periphere Proteine. Integrale Proteine, bestehend aus langen Ketten von Aminosäuren, durchziehen die gesamte Membran. Einige Teile des Proteins interagieren mit der Außenumwelt und andere Teile mit dem Zellinneren. Daher werden integrale Proteine auch als transmembranäre Proteine bezeichnet. Integrale Proteine haben zwei Hauptfunktionen. Sie wirken als Poren, die bestimmte "Ionen oder Nährstoffe in die Zelle" lassen, und sie "leiten Signale in die Zelle und aus der Zelle", so James Burnette III im Carnegie-Mellon-Artikel. Im Gegensatz dazu haften periphere Proteine nur an der Membranoberfläche und dienen als Verankerung für das Zytoskelett oder extrazelluläre Fasern.

Kohlenhydrate und Cholesterine

Eine Kohlenhydrathülle, bekannt als Glykokalyx, bedeckt die Zelloberfläche. Der Glykokalyx besteht aus kurzen Oligosacchariden, die an bestimmte Arten von transmembranären Proteinen angehängt sind. Laut "The Cell: Structure of the Plasma Membrane" liefert der Glykokalyx die Identität einer Zelle. Er bietet im Wesentlichen eine Reihe von Markern, die zwischen identischen Zellen und fremden oder eindringenden Zellen unterscheiden können. Der Glykokalyx dient auch dem Schutz der Zelloberfläche. Cholesterine sind eine weitere Art von Lipiden, die in der Zellmembran vorkommen. Im gesamten Fettsäureinneren verstreut, verhindern Cholesterine, dass die Schwänze zu dicht zusammengelagert werden, und helfen, die Membran flüssig zu halten.

Mosaikeigenschaft

Erstmals von Singer und Nicolson ("Science", 18. Februar 1972) als Fluid Mosaic Model vorgeschlagen, weist die Zellmembran zwei wesentliche Merkmale auf, die es ihr ermöglichen, ihre Funktionen zu erfüllen. Erstens ist die Zellmembran eine Mosaikstruktur aus verschiedenen Molekülen. Jeder Zelltyp in mehrzelligen und einzelligen Organismen wird eine einzigartige Sammlung und Kombination von Proteinen, Kohlenhydraten und Lipiden haben. Als Beispiel erwähnt Burnette von Carnegie-Mellon, dass die Membran von roten Blutkörperchen mehr als 50 Arten von Proteinen aufweist.

Fluidität

Die zweite Eigenschaft der Zellmembran ist ihre Fluidität. Die Phospholipide bewegen sich frei und ordnen sich innerhalb jeder Schicht der Membran neu, aber sie überqueren selten die hydrophobe Region und übertragen sich auf die gegenüberliegende Schicht, so Burnette. Die hydrophilen Köpfe sind immer an der äußeren Peripherie und die hydrophoben Schwänze bleiben im Kern der Doppelschicht. Die Fließfähigkeit der Membran führt zu asymmetrischen Doppelschichten. Burnette beschreibt, dass es als Reaktion auf sich verändernde Umgebungen oder unterschiedliche Temperaturen innerhalb und außerhalb der Zelle zu jedem Zeitpunkt mehr Proteine oder Kohlenhydratmoleküle auf jeder Schicht geben kann, was den selektiven Durchgang von Molekülen und Ionen über die Membran ermöglicht. Eine Veranschaulichung der fluid-mosaikartigen Eigenschaften der Zellmembran wird bei "Carnegie-Mellon: The Structure and Function of the Cell Membrane" präsentiert.