Membranen sind ein essentieller Bestandteil lebender Systeme. Sie umgeben sowohl prokaryotische als auch eukaryotische Zellen und grenzen das “Innere”, in dem geordnete und komplexe Lebensprozesse stattfinden, von der “chaotischen Außenwelt” ab. Eukaryotische Zellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran intrazelluläre Membranen, die die einzelnen Organellen umhüllen und spezialisierte, geordnete Vorgänge in ihrem Inneren ermöglichen. Die meisten Prokaryoten und Pflanzenzellen haben neben der Zellmembran auch eine schützende Zellwand.
Der Aufbau von Membranen
Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, in die Membranproteine eingelagert sind. Die Synthese der Membranbestandteile erfolgt im glatten endoplasmatischen Retikulum.
Die Lipiddoppelschicht
- Amphiphile Lipide wie Phospho- oder Sphingolipide sind der Baustein der Lipiddoppelschicht. Sie besitzen eine polare Kopfgruppe (z.B. Phosphat, Sphingosin) und apolare Kohlenwasserstoffschwänze (Fettsäuren).
- Cholesterin ist ein weiteres wichtiges Lipid in der Membran. Es besitzt eine polare OH-Gruppe und ein apolares Sterangerüst.
- In wässriger Lösung lagern sich die Lipide zu stabilen Lipiddoppelschichten zusammen. Dabei bilden die polaren Kopfgruppen eine Grenzstruktur zum Wasser, während sich die apolaren Kohlenwasserstoffschwänze nach innen ausrichten. Lipiddoppelschichten formen kugelartige Gebilde wie Zellen oder Vesikel.
- Unterschiedliche Lipide finden sich vorwiegend entweder in der inneren oder äußeren Lipidschicht.
Membranproteine
- Membranproteine sind in die Lipiddoppelschicht eingelagerte Proteine. Häufig handelt es sich um Glykoproteine.
- Der Gehalt an Membranproteinen in Lipiddoppelschichten kann zwischen 20% und 80% variieren.
- Es gibt zwei Arten von Membranproteinen: Integrale und periphere Membranproteine. Integrale Membranproteine sind fest mit der Lipiddoppelschicht verbunden und dringen teilweise oder vollständig in die Membran ein. Periphere Membranproteine haben eine schwächere Bindung an die Membran und sind oft über elektrostatische Anziehung oder Wasserstoffbrücken mit integralen Membranproteinen verbunden.
- Die Verteilung der Membranproteine unterscheidet sich auf der inneren und äußeren Membranoberfläche.
Bilder:
Die Bedeutung der Glykokalyx
Die Glykokalyx ist eine Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenfläche der Zellmembran bei eukaryotischen Zellen.
- Die Glykokalyx besteht aus langen, verzweigten Kohlenhydratketten, die kovalent an Proteine und Lipide der Zellmembran gebunden sind.
- Elektronenmikroskopisch ist sie als filziger Saum erkennbar.
- Die Glykokalyx erfüllt verschiedene Funktionen: Sie schützt die Zelle vor Austrocknung und ermöglicht Immunzellen, eine Zelle als körpereigen zu erkennen. Außerdem ist sie an der Blutgruppendifferenzierung beteiligt.
Die vielfältigen Funktionen von Membranen
Membranen erfüllen eine Vielzahl von Funktionen in lebenden Organismen:
- Abgrenzung zur Umwelt: Die Zellmembran grenzt die Zelle nach außen ab, während die Membranen der Zellorganellen die Kompartimente vom Zytosol trennen.
- Transport von Stoffen: Membranen ermöglichen den Transport von Stoffen von innen nach außen oder umgekehrt. Hier kommen spezifische Kanäle und Transporter zum Einsatz.
- Signaltransduktion: Membranen wandeln extrazelluläre Signale in intrazelluläre Reaktionen um.
- Zellidentifikation: Jede Zelle exprimiert auf ihrer Oberfläche spezifische Protein- und Kohlenhydratfragmente, die sie von anderen Zellen unterscheidbar machen.
- Elektrische Erregbarkeit: Membranen spielen eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung des Membranpotenzials, das zur elektrischen Erregbarkeit von Zellen führt.
- Kontakt zwischen Zellen: Ankerproteine ermöglichen den Kontakt zwischen Zellen und verbinden die Zellmembran mit dem Zytoskelett.
Membranen sind semipermeabel, was bedeutet, dass sie aufgrund ihrer Fluidität ohne die Nutzung spezifischer Kanäle oder Transporter durchlässig für Wasser und bestimmte kleine Teilchen sind.
Die Zelle ist ein faszinierendes Gebilde, das von Membranen in eine geordnete und komplexe Welt geteilt wird. Diese Membranen ermöglichen es den Zellen, ihre vielfältigen Funktionen auszuführen und sind somit essentiell für das Leben selbst.
