Die Zellmembran bildet die äußere Begrenzung aller tierischen Zellen und grenzt das Zellinnere (den mit Zytosol gefüllten Intrazellularraum ) von dem außen gelegenen Extrazellularraum ab. Sie besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht mit eingelagerten Lipiden (z.B. Cholsterol, Glykolipide) und (Glyko-)Proteinen und hat eine Dicke von etwa 6-10 nm . Zum Extrazellularraum hin befindet sich auf der Zellmembran aufliegend eine Deckschicht aus Kohlenhydratketten, die sogenannte Glykokalyx. Wichtig zu wissen ist, dass die Membran kein starres Gerüst ist, sondern dauerhaft in Bewegung ist. Dieses Konzept wird „Flüssig-Mosaik-Modell“ genannt und später noch genauer erklärt.
Abb.1: Die Struktur der Plasmamembran
Die Zellmembran besteht aus Lipiden und Proteinen , die auch als Glykolipide oder Glykoproteine an der Membranoberfläche mit Zuckern verknüpft sein können. Das zentrale Bauelement ist die Phospholipid-Doppelschicht (Bilayer). Die Lipide der Zellmembran werden hauptsächlich aus gesättigten und ungesättigten Fettsäuren unter enzymatischer Mithilfe von Proteinen am endoplasmatischen Retikulum (siehe Kapitel Zellorganellen ) gebildet. Nach den Phospholipiden ist Cholesterin (= Cholesterol, ein neutrales Lipid) das zweithäufigste Lipid der Zellmembran, gefolgt von einem kleinen Teil Glykolipide (= zuckerhaltige Lipide).
Ein Phospholipid besteht aus einem hydrophilen Kopf (Phosphat) und einem hydrophoben Schwanz (Fettsäuren) und ist somit amphipathisch , was bedeutet, dass es an seinen beiden Molekülenden entgegengesetzte Eigenschaften besitzt.
polar = wasserfreundlich (wasserdurchlässig) = hydrophil = lipophob
apolar = wasserabstoßend = hydrophob = lipophil (fettfreundlich)
Gelangt eine größere Zahl amphipathischer Moleküle in ein wässriges Medium - wie es im Körper vorhanden ist - ordnen sie sich in rundlichen Gebilden an, außen die wasserliebenden Köpfe und innen die wasserabstoßenden Fettsäureschwänze.
In diesem Zusammenhang möchten wir noch kurz zwei Begriffe erklären, die ebenfalls eine große Rolle in der Zellbiologie spielen.
Mizellen : kugelförmige Ansammlungen der amphipathischen Lipide, in denen die hydrophilen Kopfteile außen und die Schwanzteile innen liegen
Liposomen : kugelförmig und genau wie Mizellen, bestehen nur aus einer Doppellipidschicht, die etwas Flüssigkeit umschließt
Abb. 2: Liposom, Mizelle, Doppellipidschicht
Auch bei der Phospholipiddoppelschicht liegen außen die hydrophilen Köpfe und innen die hydrophoben Schwänze, zusätzlich sind hier aber noch weitere Lipide und Proteine eingelagert.
Die eingelagerten Proteine können der Zellmembran aufliegen (periphere Proteine) oder die Membran komplett durchziehen (integrale Proteine). Periphere Proteine sind außen an die polaren Kopfteile der Lipide gebunden, können also auf der äußeren oder der inneren Seite der Membran liegen. Sie können entweder in die Membran eingelagert oder angelagert sein. An diese Membranproteine können durch Acetylierung Fettsäuren angehängt werden. Integrale Proteine reichen mit einem hydrophoben Molekülabschnitt über eine Alpha-Helix in das hydrophobe Zentrum der Membran hinein. Handelt es sich um große Proteine, so können sie bei entsprechendem Aufbau auf Innen- und Außenseite der Membran sichtbar werden. Solche Proteine bezeichnet man als Transmembranproteine. Bilden die Proteine eine Pore für den Durchtritt von Ionen, so nennt man diese Kanalproteine.
Alle Bestandteile der Zellmembran sind in dieser frei beweglich und können sich gegeneinander verschieben, weshalb man auch vom „Flüssig-Mosaik-Modell“ (fluid-mosaic-membrane-model) spricht. Die Beweglichkeit bzw. die Fluidität ist dabei abhängig von der Temperatur und der Zusammensetzung der Membran (z. B. dem Cholesterolgehalt) und dem Verhältnis von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren.
Die Fluidität einer Membran nimmt allgemein zu bei:
Sinkendem Cholesteringehalt (bei konstanter Temperatur)
Steigendem Gehalt an sonstigen Lipiden
Steigendem Anteil der ungesättigten Fettsäuren
Steigender Temperatur
Einen besonderen Stellenwert im „Flüssig-Mosaik-Modell“ nimmt Cholesterol ein, weshalb wir uns dessen Aufgabe nochmal genauer anschauen. Stellen wir uns vor, wir hätten eine Zellmembran ohne Cholesterin. Bei hohen Temperaturen würde die Fluidität stark zunehmen, die Membran wäre viel zu flüssig. Bei kalten Temperaturen sinkt die Fluidität, die Zellmembran wäre viel zu starr. Deshalb ist das Cholesterin so wichtig und wird im Zusammenhang mit der Fluidität immer besonders erwähnt. Cholesterin besteht aus vier Ringen, die relativ starr sind und so für Stabilität innerhalb der Zellmembran sorgen und einer Kohlenstoffkette, welche gut beweglich ist und so eher für eine Auflockerung der Membran sorgt. Cholesterin festigt und lockert also die Membran, je nach Temperatur und Anforderung. Die tatsächliche Wirkung von Cholesterol auf die Membranfluidität ist also temperaturabhängig. Bei niedrigen Temperaturen steigert Cholesterol die Membranfluidität, bei hohen Temperaturen senkt Cholesterol die Membranfluidität. Letztendlich sorgt Cholesterol also dafür, dass je nach Temperatur die Fluidität der Membran relativ konstant bleibt.
Es gibt verschiedene Bewegungsarten von Lipidmolekülen in der Plasmamembran:
Laterale Diffusion: Platzaustausch mit einem Nachbarn im gleichen Monolayer (sehr häufig)
Rotation
Flexion: Hohe Beweglichkeit der Kohlenwasserstoffkette (= Fettsäurekette)
Flip-Flop (= Transversale Diffusion): beschreibt eine Art Seitenwechsel der individuellen Plasmamoleküle (selten); wenn diese Art von Bewegung in der Membran vorkommt, dann tritt sie häufig an Orten auf, an denen Membran synthetisiert wird
Abb. 3: Bewegungsarten
Ein Stoff kann entweder passiv (ohne Energieaufwand) oder aktiv durch die Zellmembran transportiert werden. Der aktive Transport verbraucht dabei Energie in Form von ATP und beschreibt den Transport gegen einen elektrochemischen Gradienten.
Die Membran ist grundsätzlich durchlässig für:
kleine apolare, hydrophobe Moleküle: O2 , CO2 , N2 , Benzol
sehr kleine Moleküle: Harnstoff, Ammoniak
kleine, ungeladene, polare Moleküle: H2 O, Ethanol
Diese Stoffe können also durch passiven Transport in die Zelle oder aus dieser heraus transportiert werden.
Die Membran ist undurchlässig für:
Große ungeladene, polare Moleküle: Glucose (nicht gänzlich undurchlässig für Glucose - Zelle phosphoryliert Glucose, wodurch die Glucose eine negative Ladung erhält, die sie dann gänzlich undurchlässig macht), Saccharose (= Zucker)
Ionen: H+ , Na+ , HCO3 - , K+ , Ca2+ , Mg2+ , Cl-
Proteine und Nukleinsäuren
Stoffe, die nicht durch die Membran frei diffundieren, können passiv über Kanäle und Carrierproteine oder über aktive Systeme transportiert werden (gegen den Konzentrationsgradienten).
Neben den hier vorgestellten Transportmechanismen können Stoffe auch noch über Vesikel transportiert und durch Exozytose/ Endozytose abgegeben/ aufgenommen werden.
3.1 Passiver Transport
Der passive Transport kommt durch Diffusion und Konzentrationsunterschiede zustande und beschreibt den Transport von Stoffen durch eine Membran ohne Energieaufwand, meist entlang eines elektrochemischen Gradienten. Die Permeabilität eines Stoffes, der passiv durch die Membran diffundieren kann, wird durch das Fick’sche Diffusionsgesetz bestimmt. Die Diffusion kann erleichtert werden, indem sie durch Carrier vermittelt wird (siehe unten).
Diffusion : Molekülbewegung vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration
Erleichterte Diffusion : Diffusion durch Membranen mithilfe von molekülspezifischen Transportmolekülen (= Carrier)
Osmose : Diffusion des Lösungsmittels (meist Wasser) durch eine semipermeable Membran
Abb. 4: Osmose
Geladene Moleküle können nicht durch die Membran diffundieren, weshalb für deren Transport Membrantransportproteine benötigt werden. Dabei unterscheidet man Carrier (hohe Selektivität und langsamer Transport) und Ionenkanäle/Kanalproteine (geringe Selektivität, schneller Transport).
Abb. 5: Vergleich Kanalprotein und Carrier
Carrier
Carrier sind flexible Membranproteine. Unter Ausnutzung des elektrochemischen Gradienten transportieren sie spezifische Substrate von einer Membranseite auf die andere. Die Richtung, in die die Substrate von den Carriern transportiert werden, wird beim passiven Transport immer durch den elektrochemischen Gradienten bestimmt. Außerdem hängt die Transportgeschwindigkeit vom Grad der Sättigung der Carrierproteine ab. Sind viele Substrate für spezifische Carrier vorhanden, können nicht alle transportiert werden, da die Transportproteine gesättigt sind. Wie stark bzw. mit welcher Affinität ein Substrat an ein Protein bindet (Protein-Substrat-Komplex), wird durch die Michaelis-Menten-Gleichung ausgedrückt. Sie beschreibt die Affinität (Bindungsstärke) eines Substrats an ein Protein.
Viele Carrierproteine nutzen den Gradienten für Natrium, um ein anderes Substrat in oder aus der Zelle zu transportieren (Cotransport). Diese Form des Transports wird als sekundär aktiver Transport bezeichnet und im Unterpunkt "aktiver Transport" genauer erklärt. Carrierproteine können also sowohl passiv, als auch aktiv Stoffe transportieren. Beispiele für von Carriern transportierte Stoffe sind unter anderem Ionen, Glucose, Aminosäuren und andere kleine Moleküle.
Carrier werden eingeteilt in:
Symporter: Transportieren mind. 2 Moleküle in dieselbe Richtung
Antiporter: Transportieren mind. 2 Moleküle in entgegengesetzter Richtung
Uniporter: können nur ein Molekül auf einmal befördern
Abb. 6: Carrier Transportarten
Ionenkanäle
Ionenkanäle sind stationäre Transmembranproteine. Transmembranproteine durchspannen die gesamte Lipiddoppelschicht, d.h. sie haben Kontakt zu beiden Seiten der Membran - sowohl zum Zytosol als auch zum Extrazellularraum. Oft sind diese Proteine so gebaut, dass sie in ihrem Inneren einen feinen Kanal bilden, der den Ein- bzw. Austritt von Ionen und kleinen Molekülen sowie Wasser ermöglicht und somit den Transport durch die Plasmamembran erlauben. Man spricht dann von Tunnelproteinen/Kanalproteinen. Als Ionenkanäle sind sie besonders wichtig für die Erregungsbildung bzw. -leitung. Die Richtung und die Transportrate werden durch den elektrochemischen Gradienten bestimmt. Die meisten Ionenkanäle weisen eine hohe Transportrate auf. Der Öffnungszustand der Kanäle wird durch das Membranpotential, Agonisten an Rezeptoren und sonstige Regelprozesse gesteuert. Ionenkanäle können verschlossen oder geöffnet werden. Kontrolliert werden sie entweder über Spannung, über Liganden (extrazelluläre oder intrazelluläre) oder mechanisch.
3.2 Aktiver Transport
Von einem aktiven Transport spricht man immer dann, wenn dafür Energie verbraucht wird. Man unterscheidet zwischen dem primär aktiven und sekundär aktiven Transport.
Primär aktiv: der Verbrauch von ATP stellt die nötige Energie für den Transport zur Verfügung.
Sekundär aktiv: der Verbrauch von ATP erzeugt einen Ionengradienten, dieser Ionengradient wird zum Transport anderer Moleküle genutzt (ATP wird also indirekt verbraucht).
Ionenpumpen
Ionenpumpen sind Membrantransportproteine, die direkt ATP verbrauchen und dadurch Ionen transportieren können. Die Pumpfunktion kann nur aufrechterhalten bleiben, wenn in den Mitochondrien ausreichend ATP produziert wird und der Zelle somit genügend Energie zur Verfügung steht. Die wichtigste Ionenpumpe im menschlichen und tierischen Körper ist die Natrium-Kalium-ATPase, eine Pumpe, die Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle hinein transportiert. Durch bestimmte Medikamente oder toxische Substanzen wie das Kugelfischgift (Tetrodotoxin) kann die Natrium-Kalium-Pumpe blockiert werden. Dadurch kommt es zu Lähmungserscheinungen. In der Medizin werden bei lokaler Betäubung ebenfalls Substanzen verabreicht, die diese Pumpe blockieren (jedoch reversibel und nur für kurze Zeit).
Arbeitsweise der Natrium-Kalium-ATPase:
Auf der Membraninnenseite bindet ATP an einer katalytischen Untereinheit. Das ADP wird abgespalten und das Transportprotein (Pumpe) wird phosphoryliert.
Die Pumpe bindet 3 Natrium-Ionen. Die Affinität dieser Bindungsstellen für Natrium ist dabei so groß, dass sehr niedrige Natrium-Konzentrationen erzeugt und gehalten werden können. In dieser Phase kommt es zu einer Konformationsänderung der Natrium-Kalium-Pumpe.
Die Phosphatbindung verliert ihre Energie und nach Abgabe der Natrium-Ionen in den Extrazellularraum werden Bindungsstellen für Kalium frei. Die zwei Kalium-Ionen werden auf die Innenseite der Membran transportiert und dort zusammen mit dem Phosphat abgegeben.
Weitere Ionenpumpen:
H+ -ATPasen: in Mitochondrien
H+ -K+ -ATPasen: im Magenepithel zur Produktion von Magensäure
Ca2+ -ATPasen: in Zellmembranen
ABC-Transporter
ABC-Transporter sind eine große Gruppe von pro- und eukaryotischen Membranproteinen mit einer Transporterfunktion. Substrate sind Aminosäuren, Ionen, Saccharide, Peptide und Proteine. Auch manche Medikamente können von ABC-Transportern transportiert werden. Sie sind meist in der Zellmembran lokalisiert, einige befinden sich aber auch in den Membransystemen des Endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats. ABC steht für ATP-binding-cassette, die Transporter können bzw. müssen also ATP binden (= primär aktiver Transport). ABC-Transporter kommen vor allem in der Leber, im Darm und auch in der Blut-Hirn-Schranke vor.
Co-Transport
Beim Co-Transport wird ein aktiv aufgebauter Ionengradient (z.B. Natrium) zum Transport eines anderen Moleküls (z.B. Glucose) genutzt. Es wird indirekt ATP verbraucht (in diesem Beispiel für den Transport von Glucose), man nennt das auch sekundär aktiven Transport . In einem ersten Schritt wird durch primär aktiven Transport (Verbrauch von ATP) ein Natrium-Gradient aufgebaut. Natrium hat dann das Bedürfnis, auf seine Ausgangsseite der Membran zurückzukehren. Dieser Rücktransport von Natrium erfolgt passiv, also ohne Energieverbrauch, über Natrium-Glucose-Symporter (gemeinsamer Transport von Natrium und Glucose). Der Natrium-Gradient wird also für den Transport von Glucose ausgenutzt.
Kompartmentalisierung : Die Zellmembran trennt das extrazelluläre Milieu vom Intrazellularraum. Stofftransport und selektive Permeabilität : Alle Stoffe, die in die Zelle hinein oder aus ihr heraus transportiert werden, müssen sie passieren.Reaktion auf Signale/Kommunikation : Elektrische Erregungen von Zellen breiten sich über die Zellmembran aus, was bei der Reizleitung von Nervenzellen und deren Fortsätzen wichtig ist. Die Funktionen von Zellen werden durch extrazelluläre Signale gesteuert, die zum großen Teil an Rezeptoren der Zellmembran empfangen werden. Die meisten der membrangebundenen Proteine wirken als Rezeptoren (Bindungsorte) für bestimmte Substrate oder Liganden und sind in der Regel sehr spezifisch. Man unterscheidet zwischen indirekten Methoden (über Botenstoffe) und direkten Methoden (Zellkontakt über an Plasmamembranen gebundenen Molekülen bzw. über Gap-Junctions, über welche die Botenstoffe direkt übertragen werden können).Stabilität : Die innere Membranoberfläche besitzt integrale Proteine, die der Befestigung des Zytoskeletts und damit der Stabilität der gesamten Zelle dienen. Zudem passt sich die Form der Zellmembran den meisten Formveränderungen der Zelle elastisch an.
Die 10-20 nm dicke Membrandeckschicht, die an Proteine oder Lipide gebunden der Außenseite der Zelle aufgelagert ist, beinhaltet die Kohlenhydratketten der in der Plasmamembran verankerten Zuckermoleküle (Glykoproteine, Glykolipide, Glykosphingolipide) und Proteoglykane (proteinhaltige Polysaccharide). Der Aufbau der Glykokalix ist zellspezifisch. In der Entwicklung erkennen sich gleichartig differenzierte Zellen an ihrem gleichartigen Oberflächenzuckermuster und schließen sich so zu Verbänden, den Geweben, zusammen. Die Glykokalix ist außerdem wichtig, da sie den Zellen Antigen- und Blutgruppeneigenschaften verleiht und somit essentiell für Immunreaktionen des Körpers ist. Die Zucker können jedoch auch von Bakterien genutzt werden, um mit den Zellen in Kontakt zu treten.
Die wesentlichen Zucker der Glykokalix sind Glukose, Galaktose, Fruktose, N-Acetyl-Glukosamin, N-Acetyl-Galaktosamin und N-Acetyl-Neuraminsäure.
