Definition und Lage der Zellmembran
Die Zellmembran hat mehrere gleichwertige Bezeichnungen: zytoplasmatische Membran und Plasmalemm. Die Verwendung jedes dieser Begriffe in der Abiturprüfung gilt als korrekt.
Bei Eukaryoten (Tier-, Pflanzen- und Pilzzellen) ist die äußere Hülle unterschiedlich aufgebaut. Bei Pflanzen- und Pilzzellen befindet sich über der Membran eine Zellwand, die Schutz vor mechanischen Einwirkungen bietet. Die tierische Zelle besitzt keine Zellwand – ihre äußere Grenze wird genau durch die zytoplasmatische Membran gebildet, die außen von einer Glykokalyxschicht umgeben ist.
Chemische Zusammensetzung und Aufbau der Membran
Die Grundlage der Membran bildet die Doppellipidschicht – zwei Reihen von Lipidmolekülen, überwiegend Phospholipide. Jedes Phospholipidmolekül besitzt:
- Einen hydrophilen Kopf – den polaren Teil, der zum Wasser gerichtet ist;
- Hydrophobe Schwänze – die unpolaren Bereiche, die im Inneren der Doppelschicht verborgen sind.
In die Dicke der Doppelschicht sind Proteine sowie Cholesterinmoleküle eingebettet, die der Membran Stabilität verleihen. Kohlenhydrate machen bis zu 10 % der Membranmasse aus – sie sind Bestandteil von Glykoproteinen (Kohlenhydrat + Protein) und Glykolipiden (Kohlenhydrat + Lipid). Die kohlenhydratreichen „Fortsätze“ an der Außenseite der tierischen Zellmembran bilden die Glykokalyx.
Klassifikation der Membranproteine
Je nach ihrer Position in der Doppelschicht werden Proteine in drei Gruppen unterteilt:
- Periphere Proteine – liegen auf der Membranoberfläche;
- Semi-integrale Proteine – sind teilweise in die Doppelschicht eingetaucht;
- Integrale Proteine (transmembran) – durchziehen die gesamte Doppelschicht.
Transmembranproteine sind besonders wichtig: Sie bilden Kanäle, durch die hydrophile Stoffe die hydrophobe Schicht passieren können. Die Funktionen der Membranproteine sind vielfältig:
- selektiver Transport von Stoffen in die und aus der Zelle;
- Übertragung von Hormonsignalen;
- Bildung von beschichteten Grübchen (Coated Pits) bei Endozytose und Exozytose;
- Beteiligung an immunologischen Reaktionen;
- enzymatische Beschleunigung von Reaktionen ohne Veränderung der Substratzusammensetzung;
- Organisation von Zell-Zell-Kontakten in Geweben und Organen.
Kohlenhydratkomponente und Glykokalyx
Die Oligosaccharide der Membran bilden an der Außenseite der tierischen Zelle eine Glykokalyxschicht. Ihre Hauptaufgabe ist die Rezeptorfunktion: Sie ermöglicht die gegenseitige Erkennung von Zellen. Beispielsweise erkennen Hepatozyten (Leberzellen) mithilfe der Glykokalyx ihresgleichen und bilden ein einheitliches Gewebe. Glykoproteide und Glykolipide sorgen zudem für das Erkennen von Signalmolekülen.
Passiver Stofftransport
Der passive Transport erfolgt entlang des Konzentrationsgefälles (von einem Ort hoher zu einem Ort niedriger Konzentration) und erfordert keinen ATP-Energieaufwand. Dazu gehören:
- Einfache Diffusion – Transport kleiner, unpolarer, lipidlöslicher Moleküle: O₂, CO₂.
- Erleichterte Diffusion – Transport entlang des Konzentrationsgefälles unter Beteiligung von Carrier-Proteinen; auf diese Weise passieren Glukose, Aminosäuren, Wasser und andere hydrophile Stoffe die Membran.
- Osmose – einseitige Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran in Richtung der höher konzentrierten Lösung zum Zweck des Konzentrationsausgleichs.
Aktiver Transport, Endozytose und Exozytose
Der aktive Transport erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle und erfordert den Aufwand von ATP-Energie. Er wird durch Carrier-Enzyme vermittelt, ein klassisches Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe: K⁺ wird in die Zelle hineingepumpt, Na⁺ wird nach draußen befördert.
Endozytose – Aufnahme von Substanzen durch die Zelle mittels Membraneinstülpung:
- Phagozytose – Aufnahme fester Partikel; das entstehende Vakuol verschmilzt mit einem Lysosom, dessen hydrolytische Enzyme die Biopolymere in Monomere spalten;
- Pinozytose – Aufnahme von Flüssigkeiten mit gelösten Stoffen.
Exozytose – Abgabe von Stoffen aus der Zelle: Ein Transportvesikel verschmilzt mit der zytoplasmatischen Membran und der Inhalt gelangt nach draußen. Auf diese Weise werden Verdauungsenzyme, Hormone und Bestandteile der Zellwand (z. B. Hemicellulose bei Pflanzen) abgegeben.
Funktionen der zytoplasmatischen Membran
- Transportfunktion – Gewährleistung des aktiven und passiven Stofftransports;
- Barrierefunktion (Abgrenzung) – Trennung des Zytoplasmainhalts von der äußeren Umgebung;
- Semipermeabilität – selektives Durchlassen von Molekülen je nach Größe und Eigenschaften;
- Rezeptorfunktion – Erkennung von Stoffen und Zellen durch Glykoproteide und Glykolipide;
- Kontaktfunktion – Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen in Geweben.
Schlüsselpunkte
- Synonyme: Zellmembran = zytoplasmatische Membran = Plasmalemm.
- Die Grundlage der Membran ist eine Doppellipidschicht aus Phospholipiden mit hydrophilen Köpfen und hydrophoben Schwänzen.
- Membranproteine werden in periphere, semi-integrale und integrale unterteilt.
- Die Glykokalyx der tierischen Zelle erfüllt eine Rezeptorfunktion und ermöglicht die Zellerkennung.
- Der passive Transport (Diffusion, erleichterte Diffusion, Osmose) verläuft entlang des Konzentrationsgefälles ohne ATP-Aufwand.
- Der aktive Transport (z. B. die Na⁺/K⁺-Pumpe) verläuft gegen das Konzentrationsgefälle unter ATP-Verbrauch.
- Die Endozytose umfasst Phagozytose und Pinozytose; die Exozytose sorgt für die Sekretion von Stoffen.
- Die Hauptfunktionen der Membran sind: Transport-, Barriere-, Rezeptor- und Kontaktfunktion.