Die Zelle: Zellmembran

Eigenschaften und Struktur

Definition

Die Zellmembran (auch bekannt als Plasmamembran oder Plasmalemma) ist eine biologische Membran, die den Inhalt der Zelle von der äußeren Umgebung trennt.

Funktionen

• Barriere, die den Inhalt der Zelle vor der extrazellulären Umgebung schützt
• Verankerung des Zytoskeletts und Aufrechterhaltung der Zellform
• Haftung an der extrazellulären Matrix und Unterstützung bei der Gewebebildung
• Intrazellulärer und transmembranärer Transport von Substanzen
• Zell-Zell-Kommunikation

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung der Zellmembran variiert abhängig von der Umgebung und dem Stadium der Zellentwicklung. Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide und Proteine Proteine Proteine und Peptide tragen jeweils etwa zu 50 % zum Gewicht der Zellmembran bei.

Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide:

• Phospholipide (> 50 % der Membranlipide):
  • Amphiphile Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide mit einem Phosphatkopf (polar) und zwei Fettsäureschwänzen (unpolar)
  • Bildung einer Doppelschicht (Phospholipid-Doppelschicht), bei der die polaren Köpfe der extra- und intrazellulären Flüssigkeit zugewandt sind und die unpolaren Enden innerhalb der Membran zueinander zeigen (hydrophobe Barriere)
  • Das Verhältnis von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren Fettsäuren Fettsäuren und Lipide bestimmt die Membranfluidität.
• Glykolipide (ca. 2%):
  • Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide, an die ein oder mehrere Mono- oder Oligosaccharide Oligosaccharide Chemie der Kohlenhydrate gebunden sind
  • Von Bedeutung bei Zell-Zell-Interaktionen
  • Festlegung der ABO-Blutgruppe
  • Bildung einer Glykokalyx
  • Entzündungsreaktion
  • Viruserkennung durch Wirtszellen
• Cholesterin Cholesterin Cholesterinstoffwechsel:
  • Amphiphiles Lipid mit einem Sterangerüst
  • Interaktion mit Wasser über die Hydroxylgruppe
  • In der Membran eingebetteter Sterolring
  • Modifiziert die Membranfluidität
  • Erhöhung des Phasenübergangsbereichs bei Temperaturschwankungen
  • Erhaltung der Membranintegrität, ohne dass eine Zellwand erforderlich ist
  • Transport im Blut mithilfe von Lipoproteinen

Proteine Proteine Proteine und Peptide:

• Integrale Membranproteine:
  • In die Membran eingebettete Transmembranproteine (durchspannen die gesamte Membran)
  • Transportproteine
  • Ionenkanäle, Protonenpumpen, G-Protein gekoppelte Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren
• Periphere Proteine Proteine Proteine und Peptide: reversibel an die Membran oder an integrale Proteine Proteine Proteine und Peptide gebunden
  • Durchdringen die Membran nur teilweise
  • Signaltransduktion und Protein-Protein-Interaktionen
  • Glycosylphosphatidylinositol-verknüpfte Proteine Proteine Proteine und Peptide (GPI-Anker)
  • Die Proteine Proteine Proteine und Peptide des Zytoskeletts, z. B. Ankyrin und Spektrin, binden an Aktin.
• Lipidanker:
  • Bindung von Proteinen an Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide, die in der Zellmembran verankert sind
  • Kein integraler Bestandteil in der Membran
  • Beispiel: G-Proteine

Eigenschaften

• Asymmetrisch: Die innere und äußere Schicht setzt sich aus unterschiedlichen Phospholipiden zusammen.
• Uneinheitlich: Domänen innerhalb der Membran (z. B. Lipid- Rafts)
• „Flüssig-Mosaik-Modell“: Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide und Proteine Proteine Proteine und Peptide sind innerhalb der Phospholipid-Doppelschicht lateral frei beweglich.
• Übergangstemperatur (10 °C – 40 °C):
  • Bei niedrigen Temperaturen geht die Membran in einen gelartigen, festen Zustand über.
  • Die Membran verliert an Fluidität (wird steifer).
  • Cholesterin Cholesterin Cholesterinstoffwechsel erhöht die Membranfluidität bei niedrigen Temperaturen.
• Selektive Permeabilität:
  • Durchlässig für:
    • Gase (CO₂ , CO, O₂)
    • Kleine ungeladene polare Moleküle (H₂O, Ethanol, Harnstoff)
  • Nicht durchlässig für:
    • Große ungeladene polare Moleküle (z. B. Glukose)
    • Ionen (z. B. Na⁺, K⁺)
    • Geladene polare Moleküle (z. B. ATP, Aminosäuren)

Membrantransport

Transmembrangradienten

• Konzentrationsgradient bestimmter Ionen:
  • Die Na⁺-Konzentration ist außerhalb der Zelle höher.
  • Die K⁺-Konzentration ist innerhalb der Zelle höher.
• Membranpotential Membranpotential Membranpotenzial:
  • Elektrischer Gradient zwischen Intra- und Extrazellularraum
  • Das Innere der Zelle ist negativer als das Äußere.
• Elektrochemischer Gradient:
  • Aufrechterhaltung durch die Na⁺/K⁺-Pumpe: durch ATP-Hydrolyse werden zwei K⁺-Ionen in die Zelle und drei Na⁺-Ionen aus der Zelle heraus transportiert
  • Kombination aus elektrischem Gradienten und Konzentrationsgradienten:
    • Na⁺ diffundiert entlang des Konzentrationsgefälles und des elektrischen Gradienten in die Zelle.
    • K⁺ bewegt sich einem elektrischen Gradienten folgend in die Zelle hinein und diffundiert entlang des Konzentrationsgefälles aus der Zelle heraus.

Transportproteine

• Kanäle:
  • Auf beiden Seiten gleichzeitig geöffnet
  • Ionenkanalproteine
  • Öffnen/Schließen der Ionenkanäle kann eine erhebliche Änderung der Ionenkonzentration bewirken.
  • Erleichterte Diffusion von Ionen
• Carrier:
  • Öffnung immer nur auf einer Seite
  • Vorhandensein von Bindungsstellen
  • Selektion spezifischer Moleküle
  • Transportproteine, die gleichzeitig zwei oder mehr Moleküle durch die Membran transportieren, werden Cotransporter genannt:
    • Symporter: zwei gelöste Stoffe werden in die gleiche Richtung transportiert
    • Antiporter: zwei gelöste Stoffe werden in entgegengesetzte Richtungen transportiert

Membrantransport

• Passiver Transport (erleichterte Diffusion) bewegt Substanzen vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration (entlang des Konzentrationsgradienten):
  • Benötigt keine Energiezufuhr
  • Geöffnete Ionenkanäle ermöglichen die Diffusion von Molekülen in die Zelle, bis die Konzentrationen ausgeglichen sind.
  • Ionenkanäle sind jeweils für eine Ionenart spezifisch.
• Aktiver Transport bewegt Stoffe vom Ort niedriger Konzentration zum Ort hoher Konzentration (entgegen des Konzentrationsgradienten):
  • Benötigt Transportprotein, um Substrat zu binden
  • Primär aktiver Transport ist energieabhängig (normalerweise ATP-Hydrolyse)
  • Sekundärer aktiver Transport:
    • Verwendung eines elektrochemischen Gradienten, der durch primären aktiven Transport erzeugt wird
    • Cotransporter transportieren ein Molekül in Richtung eines Gradienten, während sie gleichzeitig ein anderes Molekül gegen dessen Gradienten bewegen.
    • Na⁺/Ca²⁺-Pumpe: der Na⁺-Einstrom entlang eines Konzentrationsgradienten dient als Antrieb, um Ca²⁺ aus der Zelle zu befördern
• Endozytose: Einschluss von Partikeln oder Ionen durch Bildung von Membranvesikeln, die sich von der Plasmamembran abschnüren
• Exozytose: Ausscheidung bestimmter Stoffe durch Verschmelzung von Membranvesikeln mit der äußeren Zellmembran

Klinische Relevanz

Erkrankungen der Plasmamembran

• Hereditäre Sphärozytose Hereditäre Sphärozytose Hereditäre Sphärozytose: Autosomal-dominant vererbte Erkrankung, bei der die Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten eine morphologische Veränderung zu sogenannten Sphärozyten aufweisen. Die Veränderung der Form der Plasmamembran ist auf Mutationen in den Proteinen des Zytoskeletts zurückzuführen. Defekte Sphärozyten werden durch die Milz Milz Milz aus dem Kreislauf entfernt, sodass Betroffene unter einer Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen leiden. Die Therapie erfolgt durch Folsäure. Gegebenenfalls ist eine Splenektomie erforderlich.
• Paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie Hämoglobinurie Transfusionsreaktionen: Seltene, genetisch bedingte Erkrankung, die durch eine chronische hämolytische Anämie hämolytische Anämie Anämie: Überblick und Formen mit periodischen Exazerbationen gekennzeichnet ist. Ursache ist ein Defekt im PIGA-Gen. Dieses ist für den ersten Schritt der Biosynthese des GPI-Ankers verantwortlich, der eine Untergruppe von Proteinen an der Zelloberfläche verankert. Die wichtigsten dieser Zelloberflächenproteine sind CD59 und CD55, die die Zelle vor Komplement-vermittelter Zelllyse schützen.

Pharmakologie

• Ionenkanalblocker:
  • Neurotoxische Alkaloide, vorkommend bei Kugelfischen und Schalentieren, blockieren die Na⁺-Kanäle von Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie.
  • Herzrhythmusstörungen werden mit K⁺- und Na⁺-Kanal-Blockern behandelt.
  • Antihypertensiva Antihypertensiva Antihypertensiva blockieren die Na⁺-Kanäle.
• Ionenkanalöffner:
  • Vasodilatatoren wie Minoxidil, Diazoxid und Nicorandil öffnen K⁺-Kanäle.
  • Antikonvulsiva wie Retigabin und Flupirtin öffnen spezifische K⁺-Kanäle.
  • Benzodiazepine Benzodiazepine Benzodiazepine und Barbiturate stimulieren Gamma-Aminobuttersäure (GABA)-Rezeptoren. Dabei handelt es sich um Cl ^–-Ionenkanäle.
• Ionophore (Moleküle, die Ionen durch Biomembranen transportieren):
  • K⁺-Ionophore:
    • Antibiotika, die an die Bakterienzelle binden und den K⁺-Gradienten stören
    • Valinomycin, Nystatin, Salinomycin
  • Protonen-Ionophore (2,4-Dinitrophenol):
    • Ermöglichen den Transport von Protonen durch die mitochondriale Membran
    • Störung der ATP-Synthese
    • Tödlich