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Zellmembran: Aufbau, Funktion und Transport
Die Zellmembran grenzt das Zellinnere von der Umgebung ab, ohne die Zelle vollständig abzuschließen. Ihre Phospholipiddoppelschicht und verschiedene Membranproteine ermöglichen einen geregelten Austausch von Stoffen und Informationen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie grenzt sich eine Zelle ab?
Eine Zelle braucht andere Bedingungen als ihre Umgebung. Die Zellmembran bildet deshalb eine dünne, flexible Grenze zwischen dem Cytoplasma im Zellinneren und dem Extrazellulärraum außerhalb der Zelle. Sie ist ungefähr 6 bis 10 Nanometer dick.
Zellmembran
Die Zellmembran, auch Plasmamembran oder Plasmalemma genannt, umschließt die Zelle. Sie schützt das Zellinnere und kontrolliert den Stoff- und Informationsaustausch mit der Umgebung.
Die Membran ist selektiv permeabel: Manche Stoffe können sie passieren, andere werden zurückgehalten oder benötigen ein Transportprotein. „Selektiv“ bedeutet ausgewählt, „permeabel“ bedeutet durchlässig.
Die Zellmembran ist keine undurchlässige Mauer. Sie ist eine kontrollierbare Grenze.
Warum bilden Phospholipide eine Doppelschicht?
Der wichtigste Grundbaustein der Zellmembran ist das Phospholipid. Ein Phospholipid besitzt zwei unterschiedlich reagierende Bereiche:
- einen hydrophilen Kopf, der sich dem Wasser zuwendet;
- zwei hydrophobe Schwänze, die Wasser meiden.
Ein Molekül mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Bereich heißt amphiphil.
Da sich sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle eine wässrige Flüssigkeit befindet, ordnen sich Phospholipide in zwei Schichten an. Die Köpfe zeigen zum Wasser. Die Schwänze liegen einander zugewandt im Inneren der Membran.
Stell dir Phospholipide in Wasser vor. Würden ihre hydrophoben Schwänze nach außen zeigen, kämen diese direkt mit Wasser in Kontakt. In einer Doppelschicht können die Köpfe das Wasser berühren, während die Schwänze im wasserarmen Inneren liegen. Aus dem amphiphilen Bau folgt somit die typische Anordnung.
Das hydrophobe Membraninnere bremst besonders geladene Teilchen und große wasserlösliche Moleküle. Kleine, ungeladene und eher fettlösliche Stoffe können die Lipidschicht dagegen leichter direkt passieren.
Welche Aufgaben übernehmen Membranproteine?
In und auf der Phospholipiddoppelschicht befinden sich Proteine. Die Membran ist daher kein reiner Lipidfilm.
Membranproteine
Periphere Proteine liegen auf der Innen- oder Außenseite der Membran. Integrale Proteine sind in die Membran eingebettet; manche durchspannen sie vollständig. Lipidverankerte Proteine sind über ein Lipid an der Membran befestigt.
Membranproteine erfüllen unterschiedliche Aufgaben:
- Kanalproteine bilden hydrophile Durchgänge, beispielsweise für Ionen oder Wasser.
- Carrier besitzen Bindungsstellen für bestimmte Stoffe. Nach der Bindung verändern sie ihre Form und befördern den Stoff auf die andere Seite.
- Pumpen transportieren Stoffe unter Energieverbrauch gegen ein Konzentrationsgefälle.
- Rezeptoren binden passende Signalmoleküle und lösen eine Reaktion der Zelle aus.
- Weitere Proteine unterstützen Zellkontakte oder verankern die Membran am Cytoskelett.
Ein Carrier besitzt eine Bindungsstelle, zu der ein bestimmtes Molekül passt. Nach der Bindung ändert der Carrier seine räumliche Form. Dadurch wird die Bindungsstelle auf der anderen Membranseite zugänglich und das Molekül kann freigesetzt werden. Spezifität, Formänderung und Transportfunktion hängen hier zusammen.
Wie unterscheiden sich die Transportwege?
Ein Konzentrationsgradient ist ein Unterschied in der Konzentration eines Stoffes zwischen zwei Bereichen. Bei passivem Transport bewegen sich Teilchen insgesamt entlang dieses Gradienten: vom Bereich höherer zur niedrigeren Konzentration. Dafür wird kein ATP benötigt.
| Transportweg | Membranprotein nötig? | Richtung | ATP nötig? |
|---|---|---|---|
| Einfache Diffusion | nein | entlang des Konzentrationsgradienten | nein |
| Erleichterte Diffusion | Kanal oder Carrier | entlang des Konzentrationsgradienten | nein |
| Aktiver Transport | Pumpe oder anderer aktiver Transporter | gegen den Konzentrationsgradienten | ja |
Einfache Diffusion
Bei der einfachen Diffusion passieren geeignete Teilchen die Lipiddoppelschicht ohne Transportprotein. Ihre ungeordnete Eigenbewegung führt insgesamt zum Konzentrationsausgleich.
Erleichterte Diffusion
Bei der erleichterten Diffusion gelangen Stoffe durch Kanäle oder mithilfe von Carriern entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die Membran. Der Vorgang bleibt passiv.
Aktiver Transport
Beim aktiven Transport werden Stoffe gegen ihr Konzentrationsgefälle bewegt. Dafür wird Energie benötigt, häufig aus ATP.
Außerhalb einer Zelle befinden sich viele Teilchen eines Stoffes, innerhalb nur wenige.
- Kann der Stoff die Lipidschicht direkt passieren, ist einfache Diffusion möglich.
- Ist er geladen und ein passender offener Kanal vorhanden, kann erleichterte Diffusion stattfinden.
- Soll er trotz bereits höherer Konzentration im Zellinneren weiter aufgenommen werden, ist ein aktiver Transport erforderlich.
Entscheidend sind also Stoffeigenschaften, Konzentrationsrichtung, Proteinbeteiligung und Energiebedarf.
Wie erkennt und steuert die Membran ihre Umgebung?
An der Außenseite der Membran können kurze Kohlenhydratketten sitzen. Sind sie an Proteine gebunden, entstehen Glykoproteine; an Lipide gebundene Kohlenhydratanteile heißen Glykolipide. Gemeinsam können solche Strukturen zur Glykokalyx beitragen.
Diese Oberflächenstrukturen unterstützen den Schutz, die Zellerkennung und den Kontakt zwischen Zellen. Rezeptorproteine ermöglichen zusätzlich Signalübertragung: Nur ein passendes Signalmolekül bindet an die jeweilige Bindungsstelle. Die Bindung kann eine Reaktion in der Zelle auslösen.
Ein Hormon erreicht eine Zelle. Besitzt die Zellmembran keinen passenden Rezeptor, kann dieses Signal dort nicht auf die vorgesehene Weise gebunden werden. Besitzt sie den passenden Rezeptor, kann die Bindung eine Zellreaktion auslösen. Der Rezeptor transportiert das Hormon dabei nicht zwangsläufig durch die Membran; er übermittelt zunächst ein Signal.
Die Zellmembran ist außerdem beweglich. Lipide und viele Proteine können sich seitlich verschieben. Ein Membranmodell zeigt deshalb eine dynamische Anordnung verschiedener Bestandteile und keine starre, unveränderliche Platte. Das Modell erklärt wichtige Grundzüge, bildet aber nicht jedes Protein und jede Wechselwirkung im Einzelnen ab.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Zellmembran
- Aufbau: Phospholipiddoppelschicht, Membranproteine und Kohlenhydratstrukturen
- Eigenschaften: flexibel, selektiv permeabel und dynamisch
- Funktionen: Abgrenzung, Stofftransport, Signalaufnahme und Zellerkennung
- Transportwege: einfache Diffusion, erleichterte Diffusion und aktiver Transport
Abschluss-Check
Prüfe deine Entscheidung immer in dieser Reihenfolge: Welche Eigenschaften hat der Stoff? In welche Richtung verläuft der Konzentrationsgradient? Ist ein Protein beteiligt? Wird Energie benötigt?