Zellmembran

Zellen sind die kleinsten, zusammenhängenden Einheiten, aus denen Organe und Gewebe aufgebaut sind. Jede Zelle ist von einer Zellmembran umgeben, einer Barriere, die aus einer speziellen Doppelschicht aus Fettteilchen, der sog. Lipiddoppelschicht, bestehen. Lipiddoppelschichten kann man sich als zwei aneinander gelagerte Fettfilme vorstellen, die sich aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften nicht voneinander lösen können und damit eine sehr stabile Einheit bilden. Zellmembranen erfüllen viele verschiedene Funktionen: Sie dienen der Kommunikation, dem Schutz und als Kontrollstation für Zellen.

Nicht nur die Zelle an sich ist von einer Membran umgeben, sondern auch die Zellorganellen. Zellorganellen sind kleine, durch Membranen abgegrenzte Bereiche innerhalb der Zelle, die jeweils eine eigene Aufgabe haben. Sie unterscheiden sich in ihren Proteinen, die in die Membranen eingelagert sind und als Transporter für Stoffe, die über die Membran befördert werden sollen, fungieren.

Eine besondere Form der Zellmembran stellt die innere Mitochondrienmembran dar. Mitochondrien sind Organellen, die wichtig für die Energiegewinnung der Zelle sind. Sie sind erst nachträglich im Laufe der Evolution in die menschliche Zelle aufgenommen worden. Daher besitzen sie zwei Lipiddoppelschicht-Membranen. Die äußere ist die klassische menschliche, die innere die für das Mitochondrium spezifische Membran. Sie beinhaltet Cardiolipin, eine Fettsäure, die in den Fettfilm eingebaut ist und nur in der inneren Membran und keiner anderen zu finden ist.

Im menschlichen Körper kommen also nur Zellen vor, die von einer Zellmembran umgeben sind. Es gibt allerdings auch Zellen, wie Bakterien zum Beispiel, die zusätzlich noch von einer Zellwand umgeben sind. Die Bezeichnungen Zellwand und Zellmembran können daher nicht synonym verwendet werden. Zellwände sind deutlich dicker und stabilisieren die Zellmembran zusätzlich. Im menschlichen Körper sind Zellwände nicht nötig, da sich viele einzelne Zellen zu starken Verbänden zusammenschließen können. Bakterien hingegen sind Einzeller, bestehen also nur aus einer einzigen Zelle, die ohne die Zellwand deutlich schwächer wäre.

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Zellmembranen trennen verschieden Bereiche voneinander ab. Dazu müssen sie viele verschiedene Anforderungen erfüllen: Zunächst einmal sind Zellmembranen aus einer Doppelschicht aus zwei Fettfilmen aufgebaut, die wiederum aus einzelnen Fettsäuren zusammengesetzt sind. Die Fettsäuren bestehen aus einem wasserlöslichen, hydrophilen Kopf und aus einem wasserunlöslichen, hydrophoben Schwanz. Die Köpfe lagern sich in einer Ebene einander an, sodass die Masse an Schwänzen alle in eine Richtung weisen. Dem gegenüber lagert sich eine weitere Reihe von Fettsäure nach dem gleichen Muster aneinander. Dadurch entsteht die Doppelschicht, die nach außen hin durch die Köpfe begrenzt wird und auf diese Weise innen einen hydrophoben Bereich, also einen Bereich, in den kein Wasser eindringen kann, schafft.

Je nach dem aus welchen Molekülen der Kopf einer Fettsäure aufgebaut ist, tragen sie unterschiedliche Namen und haben unterschiedliche Eigenschaften, die aber nur eine untergeordnete Rolle spielen. Fettsäuren können ungesättigt oder gesättigt sein, was von dem jeweiligen Schwanz und seinem chemischen Aufbau abhängt. Ungesättigte Fettsäuren sind deutlich steifer und bewirken eine Abnahme der Fluidität der Membran, wohingegen gesättigte die Fluidität erhöhen. Die Fluidität ist ein Maß für die Beweglichkeit und Verformbarkeit der Lipiddoppelschicht. Je nach Aufgabe und Zustand der Zelle werden unterschiedliche Ausmaße an Beweglichkeit und Steifigkeit benötigt, die durch den zusätzlichen Einbau der einen oder anderen Art an Fettsäure erreicht werden können.

Zusätzlich kann noch Cholesterin in die Membran eingebaut werden, das die Fluidität massiv erniedrigt und somit die Membran stabilisiert. Aufgrund dieses Aufbaus können nur sehr kleine, wasserunlösliche Substanzen die Membran ohne weiteres überwinden.

Da aber auch deutlich größere und wasserunlösliche Stoffe die Membran überqueren müssen, um in oder aus der Zelle transportiert zu werden, sind Transportproteine und Kanäle notwendig. Diese werden in die Membran zwischen die Fettsäuren eingelagert. Da diese Kanäle für manche Moleküle passierbar sind und für andere nicht, spricht man von einer Semipermeabilität der Zellmembran, also einer Teildurchlässigkeit.

Der letzte Baustein der Zellmembranen sind Rezeptoren. Rezeptoren sind ebenfalls große Proteine, die meistens in der Zelle selber produziert werden, um dann in die Membran eingebaut zu werden. Sie können diese entweder komplett durchspannen oder nur außen aufgelagert sein. Die Transporter, Kanäle und Rezeptoren bleiben aufgrund ihrer chemischen Struktur fest in und an der Membran, können also nicht so einfach von ihr abgelöst werden. Allerdings können sie innerhalb der Membran seitlich an unterschiedliche Stellen verschoben werden, je nachdem, wo sie genau benötigt werden.

Auf der Außenseite der Zellmembranen können sich schließlich noch Zuckerketten befinden, in der Fachsprache Glykokalyx genannt. Sie sind zum Beispiel die Grundlage des Blutgruppensystems. Da die Zellmembran aus so vielen unterschiedlichen Bausteinen besteht, die zusätzlich noch variabel ihre genaue Lokalisation ändern können, spricht man auch vom Flüssig-Mosaik-Modell.

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Zellmembranen sind ungefähr 7 nm dick, also extrem dünn, aber trotzdem robust und unüberwindbar für die meisten Stoffe. Die Kopfbereiche sind jeweils circa 2 nm dick, während der hydrophobe Schwanzbereich 3 nm Breite misst. Dieser Wert variiert kaum zwischen den verschiedenen Zellarten des menschlichen Körpers.

Grundsätzlich ist die Zellmembran aus einer Phospholipid-Doppelschicht aufgebaut. Phospholipide sind Bausteine, die aus einem wasserliebenden, also hydrophilen, Kopf und einem Schwanz, der durch 2 Fettsäuren gebildet wird, bestehen. Der Teil, der aus Fettsäuren besteht, ist hydrophob, das bedeutet, dass er Wasser abweist.
In der Doppelschicht aus Phospholipiden zeigen die hydrophoben Anteile zueinander. Die hydrophilen Anteile zeigen zum Äußeren und Inneren der Zelle. Durch diesen Aufbau der Membran können 2 wässrige Umgebungen voneinander abgegrenzt werden.

Desweiteren sind in der Zellmembran Sphingolipide und Cholesterin enthalten. Diese Stoffe regeln den Aufbau und die Fluidität der Zellmembran. Die Fluidität ist ein Maß dafür, wie gut sich Proteine in der Zellmembran bewegen können. Je höher die Fluidität einer Zellmembran ist, desto eher können Proteine sich in dieser bewegen.

Außerdem befinden sich in der Zellmembran sehr viele verschiedene Proteine. Diese Proteine dienen dem Stofftransport durch die Membran oder dem Interagieren mit der Umwelt. Diese Interaktion kann durch eine direkte Bindung zwischen benachbarten Zellen oder durch Botenstoffe, die an die Membranproteine binden, erreicht werden.

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Phospholipide sind der Hauptbestandteil der Zellmembran. Phospholipide sind amphiphil. Das bedeutet, dass sie aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Anteil bestehen. Durch diese Eigenschaft der Phospholipide wird es ermöglicht, dass das Zellinnere von der Umgebung getrennt werden kann.

Es gibt verschiedene Formen der Phospholipide. Das hydrophile Grundgerüst der Phospholipide besteht entweder aus Glycerin, oder aus Sphingosin. Beide Formen haben gemeinsam, dass an das Grundgerüst zwei hydrophobe Kohlenwasserstoffketten gehängt werden.

Cholesterin ist in der Zellmembran enthalten, um die Fluidität zu regulieren. Eine konstante Fluidität ist sehr wichtig, um die Transportprozesse der Zellmembran aufrecht zu erhalten. Bei hohen Temperaturen neigt die Zellmembran dazu zu flüssig werden. Die unter normalen Umständen schon schwachen Bindungen zwischen den Phospholipiden sind bei hohen Temperaturen noch schwächer. Cholesterin trägt durch seine starre Struktur dazu bei, dass eine gewisse Festigkeit erhalten bleibt.

Anders sieht es bei niedrigen Temperaturen aus. Hier kann die Membran zu fest werden. Besonders fest werden hierbei Phospholipide, die als hydrophoben Anteil gesättigte Fettsäuren besitzen. Dies bewirkt, dass sich die Phospholipide sehr nah aneinander lagern können. In die Zellmembran eingelagertes Cholesterin bewirkt in diesem Fall eine erhöhte Fluidität, da Cholesterin eine starre Ringstruktur enthält und so als Abstandshalter wirkt.

Ausführliche Informationen zum Thema "Cholesterin" erfahren Sie unter: 

• LDL - "low density lipoprotein"
• HDL - "high density lipoprotein"
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Wie der komplexe Aufbau der Zellmembranen schon vermuten lässt, haben sie viele verschiedene Funktionen zu erfüllen, die je nach Art und Lokalisation der Zelle stark variieren können. Zum einen stellen Membranen im Allgemeinen eine Barriere dar. Eine Funktion, die nicht unterschätzt werden sollte. In unserem Körper laufen zu jedem Zeitpunkt unzählig viele Reaktionen parallel ab. Würden sie alle in ein und demselben Raum stattfinden, würden sie sich stark gegenseitig beeinflussen und sogar aufheben. Es wäre kein geregelter Ablauf des Stoffwechsels möglich und der Mensch, wie er nun einmal existiert und als Gesamtheit funktioniert, wäre unvorstellbar.

So dienen sie gleichzeitig als Transportmedium für verschiedenste Stoffe, die mittels Transporter über die Membran befördert werden. Um als Organ zusammenarbeiten zu können, müssen die einzelnen Zellen über ihre Membranen in Kontakt stehen. Das wird durch verschiedenen Verbindungsproteine und Rezeptoren erreicht. Über die Rezeptoren können sich Zellen gegenseitig identifizieren, miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. So dient z.B. die Glykokalyx als eines der vielen Erkennungsmerkmale zwischen körpereigenen und fremden Zellen. Rezeptoren sind Proteine, die Signale von außerhalb der Zelle aufnehmen und an den Zellkern und damit das „Gehirn“ der Zelle weitergeben. Je nachdem, welche chemischen Eigenschaften das chemische Teilchen besitzt, das an den Rezeptor angedockt hat, befindet er sich entweder außen an der Zelle, in der Zelle oder in der Zellmembran.

Aber auch Zellen an sich können Informationsüberbringer sein. Die wohl bekanntesten unseres Körpers sind die Nervenzellen. Damit sie ihrer Funktion nachgehen können, müssen deren Membranen elektrische Signale leiten können. Elektrische Signale entstehen aufgrund unterschiedlicher Ladungen innerhalb und außerhalb der Zellen. Dieser Unterschied an Ladung, auch Gradient genannt, muss aufrechterhalten bleiben. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Membranpotential. Zellmembranen trennen die verschieden geladenen Bereiche voneinander, enthalten jedoch gleichzeitig Kanäle, die eine kurzfristige Umkehr der Ladungsverhältnisse erlauben, damit der eigentliche Strom und damit die Information, die weitergeleitet werden soll, fließen kann. Dieses Phänomen nennt man auch Aktionspotential.

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Die Zellmembran als solche ist für größere Moleküle und Ionen undurchlässig. Damit ein Austausch zwischen Zellinnerem und Umwelt geschehen kann, befinden sich in der Zellmembran Proteine, die verschiedene Moleküle in die Zelle und aus der Zelle heraus transportieren.

Bei diesen Proteinen unterscheidet man Kanäle, durch die ein Stoff entlang des Konzentrationsunterschiedes passiv in die Zelle hinein oder aus der Zelle herausgelangt. Andere Proteine müssen Energie aufbringen, um Stoffe aktiv durch die Zellmembran zu transportieren.

Eine weitere wichtige Transportform sind die Vesikel. Vesikel sind Bläschen, die aus der Zellmembran abgeschnürt werden. Durch diese Vesikel können Stoffe, die in der Zelle produziert werden, an die Umgebung abgegeben werden. Des Weiteren können so auch Stoffe aus dem Umfeld der Zelle abgenommen werden.

Die Zellmembran von Bakterien unterscheidet sich kaum von der des menschlichen Körpers. Der große Unterschied zwischen den Zellen liegt in der zusätzlichen Zellwand der Bakterien. Die Zellwand legt sich außen der Zellmembran an und stabilisiert und schützt auf diese Weise das Bakterium, das ohne sie angreifbar wäre. Sie ist aus Murein, einem speziellen Zuckerteilchen, aufgebaut, in das noch weitere Proteine eingebaut werden können, die dann zum Beispiel der Fortbewegung und Fortpflanzung dienen. Penicillin kann die Synthese der Zellwand stören und wirkt somit bakterizid, das heißt, es tötet das Bakterium ab. So ist ein gezieltes Vorgehen gegen krankheitsauslösende Bakterien möglich, ohne gleichzeitig körpereigene Zelle zu zerstören.

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