Die Membran einer Zelle

In der Regel lässt sich eine Biomembran bzw. dessen Aufbau erst mit Hilfe eines Elektronenmikroskops erkennen. Dabei stellt man fest, dass eine solche Membran aus drei Schichten besteht. Alle Membranen weisen diese Struktur auf, wobei man zwei Begriffe unterscheiden muss: “Biomembran” und “Zellmembran”. Eine Zellmembran ist die Membran, die das Cytoplasma gegenüber der äußeren Umwelt abgrenzt. Der Begriff “Biomembran” meint die Membran einer biologischen Zelle (der Begriff “Membran” bezeichnet eine einzelen Membran = Elementarmembran).

Jede Elementarmembran bzw. Membran besteht überwiegend aus Lipidmolekülen. Bei diesen Lipidmolekülen handelt es sich hauptsächlich um Phospholipide wie beispielsweise Lecithin.

Die Membran einer Zelle

Wie beschrieben werden die Membranen bevorzugt von Lipidmolekülen aufgebaut. Bei den Lipidmolekülen handelt es sich um Phospholipide. Das Besondere an diesen Molekülen ist, dass sie einen hydrophilen und einen wasserabstoßenden, hydrophoben
Bereich aufweisen.

Die Fettsäuren in den Phospholipiden bilden den hydrophoben Bereich (organisches Kohlenwasserstoffgerüst). Die Phosphatgruppe der Membranlipide bildet den hydrophilen Bereich. Daher lagern sich Phospholipide in Molekülverbänden in Schichten zusammen. Die hydrophoben Enden der Lipide ordnen sich in einer “Mittelschicht” an. Der hydrophile Bereich orientiert sich zu dem Cytoplasma hin bzw. zur Umgebung der Zelle (wässrige Phasen), während der hydrophobe Bereich ist zur Membranmitte orientiert.

Daher sind in Biomembranen die Phospholipide in einer Doppelschicht angeordnet. Dabei sind die hydrophilen Bereiche nach außen gerichtet, zur
wässrigen Umgebung ausgerichtet. Die hydrophoben Bereiche der Phospholipide sind nach innen gerichtet. Diese Lipiddoppelschicht bildet die Grundstruktur jeder Membran.

Die Membran ist aber nicht nur von Phospholipidmolekülen aufgebaut, sondern auch durch sogenannte globuläre Proteinmoleküle. Diese Proteinmoleküle sind unregelmäßig in der Membran eingebaut bzw. auf der Membran verteilt. Daher ist eine Membran auch unterschiedlich strukturiert und einem ständigen Wandel unterzogen. Aufgrund von Molekülbewegungen können einzelne Moleküle in der Lipidschicht wandern, so dass Formänderungen der Lipiddoppelschicht jederzeit möglich sind. Die Proteine in der Lipidschicht kann man sich vereinfacht vorstellen wie Eisberge auf dem Wasser. Daher wird dies auch als “fluid-mosaic”-Modell bezeichnet. Modellvorstellungen, wie diese Proteine in der Lipidschicht ausgerichtet sind, haben sich im Laufe der Zeit gewandelt:

Wandel des Lipiddoppelschichtmodells:

• Zuerst nahm man an, das es sich bei der Membran um eine Lipideinzelschicht handelt, die sich gemäß den physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten orientiert. Der hydrophile Bereich der Lipide orientiert sich zur wässrigen Phase, während sich der hydrophobe Teil der Lipidschicht von der wässrigen Phase wegorientiert. Demnach würden die polaren Lipidenden (Phosphatgruppe) sich im wässrigen Teil befinden, und die hydrophoben Fettsäuren der Lipide (vertikal) aus der wässrigen Phase ragen.

• Im Laufe der Zeit war es gelungen, die Lipidschicht der Zellmembran zu isolieren. Diese wurde schließlich auf eine Wasseroberfläche aufgetragen (mit Hilfe dieser Methode lässt sich die Molekülgröße bestimmen => siehe Bereich Chemie). Dabei stellte man fest, dass die Lipidfläche auf dem Wasser doppelt so groß war, wie die errechnete. Die Membran konnte also nicht aus einer Lipideinzelschicht bestehen, sondern aus einer Lipiddoppelschicht.

• Untersuchungen mit Hilfe eines Elektronenmikroskops konnten schließlich die These einer Lipiddoppelschicht bestätigen. Auf den “Bildern” erkannte man dunkle Linien, die einen hellen Zwischenraum einschließen.

• Bei Untersuchungen an der Lipiddoppelschicht gelang es auch, Proteine zu isolieren, was die Vermutung nahe lag, dass die Lipiddoppelschicht beidseitig mit Proteinen “besetzt” ist.

• Erst in den 70er des letzten Jahrhunderts entstand das heutige Modell der Lipiddoppelschicht. So zeigte sich, dass die Proteinmoleküle durch die Membran hindurchgehen bzw. ständig in Bewegung sind. Die Membran ist also keine “feste Schicht”, sondern ist in Bewegung (v.a. die Proteine). Die Proteine bewegen sich in der Lipidschicht ähnlich wie ein Eisberg im Wasser. Daher wird dieses Modell auch als fluid-mosaic-Modell bezeichnet.

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Die Membran einer Zelle – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die grundlegende Funktion der Zellmembran?

Die grundlegende Funktion der Zellmembran besteht darin, die Zelle abzugrenzen und ihr eine Struktur zu geben. Sie bildet eine Barriere zwischen dem Innenraum der Zelle und der Außenwelt, reguliert den Ein- und Ausgang von Substanzen und ermöglicht die Kommunikation mit anderen Zellen.

2. Aus welchen Hauptkomponenten besteht die Zellmembran?

Die Zellmembran besteht hauptsächlich aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten.

3. Was versteht man unter einer semi-permeablen Membran und welche Rolle spielt diese bei der Osmose?

Unter einer semi-permeablen Membran versteht man eine Membran, die ausgewählte Stoffe passieren lässt, andere jedoch nicht. In Bezug auf Osmose erlaubt diese selektive Permeabilität das Passive Durchtreten von Wasser durch die Membran, wobei gelöste Stoffe zurückgehalten werden.

4. Was ist die Fluid-Mosaik-Modell Theorie der Zellmembran?

Das Fluid-Mosaik-Modell ist eine Theorie, die die Zellmembran als flexiblen und dynamischen Teil der Zelle beschreibt, in welchem Proteine eingebettet sind und sich in der Lipid-Doppelschicht bewegen können.

5. Was sind Integrale und Periphere Proteine in der Zellmembran?

Integrale Proteine sind Proteine, die direkt in die Lipid-Doppelschicht eingebettet sind. Periphere Proteine sind auf der Innenseite oder Außenseite der Membran angeordnet und sind nicht in die Lipid-Doppelschicht eingebettet.

6. Was ist die Bedeutung von Cholesterin in der Zellmembran?

Cholesterin ist ein wichtiger Bestandteil der Zellmembran und trägt zur Stabilisierung und Flexibilität der Zellmembran bei. Es verhindert, dass die Fettsäureketten zu nahe zusammenkommen und die Zellmembran versteifen.

7. Was ist ein Transportprotein?

Ein Transportprotein ist ein Protein, das spezifische Moleküle aktiv oder passiv über eine Membran transportiert. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der selektiven Durchlässigkeit der Zellmembran.

8. Was sind Glykoproteine und Glykolipide und welche Rolle spielen sie in der Zellmembran?

Glykoproteine und Glykolipide sind Moleküle, die Kohlenhydraten und Proteinen oder Lipiden verbunden sind. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Zell-Zell-Erkennung und dem zellulären Anhaften.

9. Wie funktioniert ein aktiver Transport durch die Zellmembran?

Der aktive Transport durch die Zellmembran ist ein Prozess, bei dem Moleküle gegen ihren Konzentrationsgradienten transportiert werden, was Energie erfordert. Dies geschieht in der Regel durch einen Prozess, der als “Pumpen” bezeichnet wird und durch Transportproteine vermittelt wird.

10. Was ist Endocytose und Exocytose?

Endocytose ist ein Prozess, bei dem die Zelle Material aufnimmt, indem sie die Zellmembran einbuchtet und spezielle Lipide und Proteine verwendet, um ein Vesikel zu bilden. Exocytose ist der umgekehrte Prozess, bei dem die Zelle Material abgibt, indem sie die Zellmembran ausstülpt und Vesikel ausstößt.