Die Zellmembran – auch Plasmamembran oder Zytoplasmamembran genannt – gehört zu den faszinierendsten und elegantesten Konstrukten der Biologie. Die Zelle gilt als grundlegende Einheit oder "Baustein" aller Lebewesen auf der Erde; Ihr eigener Körper hat Billionen davon und verschiedene Zellen in verschiedenen Organen und Geweben haben verschiedene Strukturen, die hervorragend mit den Funktionen der daraus bestehenden Gewebe korrelieren Zellen.
Während die Zellkerne oft die größte Aufmerksamkeit auf sich ziehen, da sie das für die Weitergabe notwendige genetische Material enthalten Informationen an nachfolgende Generationen des Organismus, die Zellmembran ist der buchstäbliche Torwächter und Wächter der Zellen Inhalt. Weit entfernt von einem bloßen Behälter oder einer Barriere hat sich die Membran jedoch entwickelt, um das zelluläre Gleichgewicht oder das innere Gleichgewicht durch effizienten und unermüdlichen Transport aufrechtzuerhalten Mechanismen, die die Membran zu einer Art mikroskopischen Zollbeamten machen, der den Eintritt und Austritt von Ionen und Molekülen in Übereinstimmung mit der Echtzeit der Zelle erlaubt oder verweigert braucht.
Zellmembranen im gesamten Lebensspektrum
Alle Organismen haben irgendeine Art von Zellmembranen. Dazu gehören Prokaryoten, bei denen es sich hauptsächlich um Bakterien handelt und von denen angenommen wird, dass sie einige der ältesten lebenden Arten der Erde darstellen, sowie Eukaryoten, zu denen Tiere und Pflanzen gehören. Sowohl die prokaryontischen Bakterien als auch die eukaryontischen Pflanzen haben für zusätzlichen Schutz eine Zellwand außerhalb der Zellmembran; bei Pflanzen hat diese Wand Poren, und sie sind nicht besonders selektiv, was passieren kann und was nicht. Darüber hinaus besitzen Eukaryoten Organellen wie den Zellkern und die Mitochondrien, die von Membranen umgeben sind, wie sie die Zelle als Ganzes umgeben. Prokaryoten haben nicht einmal Kerne; ihr genetisches Material ist, wenn auch etwas eng, über das Zytoplasma verteilt.
Erhebliche molekulare Hinweise deuten darauf hin, dass eukaryotische Zellen von prokaryotischen Zellen abstammen und irgendwann in ihrer Evolution die Zellwand verlieren. Dadurch wurden einzelne Zellen zwar anfälliger für Beleidigungen, konnten aber dadurch auch komplexer werden und sich geometrisch ausdehnen. Tatsächlich können eukaryontische Zellen zehnmal so groß sein wie prokaryontische Zellen, ein Befund, der umso bemerkenswerter wird, als eine einzelne Zelle per definitionem die Gesamtheit eines prokaryontischen Organismus ist. (Einige Eukaryoten sind auch einzellig.)
Zellmembranstruktur
Die Zellmembran besteht aus einer doppelschichtigen Struktur (manchmal als "Fluid-Mosaik-Modell" bezeichnet), die hauptsächlich aus Phospholipiden besteht. Eine dieser Schichten ist dem Inneren der Zelle oder dem Zytoplasma zugewandt, während die andere der äußeren Umgebung zugewandt ist. Die nach außen und nach innen gerichteten Seiten gelten als "hydrophil" oder werden von wässrigen Umgebungen angezogen; der innere Teil ist "hydrophob" oder wird von wässrigen Umgebungen abgestoßen. Isoliert sind Zellmembranen bei Körpertemperaturen flüssig, bei kühleren Temperaturen nehmen sie jedoch eine gelartige Konsistenz an.
Die Lipide in der Doppelschicht machen etwa die Hälfte der Gesamtmasse der Zellmembran aus. Cholesterin macht etwa ein Fünftel der Lipide in tierischen Zellen aus, aber nicht in Pflanzenzellen, da Cholesterin nirgendwo in Pflanzen vorkommt. Der größte Teil des Rests der Membran entfällt auf Proteine mit unterschiedlichsten Funktionen. Da die meisten Proteine wie die Membran selbst polare Moleküle sind, ragen ihre hydrophilen Enden nach außen und ihre hydrophoben Enden zeigen ins Innere der Doppelschicht.
Einige dieser Proteine haben Kohlenhydratketten, die sie zu Glykoproteinen machen. Viele der Membranproteine sind am selektiven Stofftransport durch die Doppelschicht beteiligt, die sie kann entweder durch die Schaffung von Proteinkanälen durch die Membran oder durch physikalisches Verschieben dieser durch die Membran erfolgen. Andere Proteine fungieren als Rezeptoren auf Zelloberflächen und bieten Bindungsstellen für Moleküle, die chemische Signale tragen; Diese Proteine leiten diese Informationen dann an das Innere der Zelle weiter. Noch andere Membranproteine wirken als Enzyme, die Reaktionen katalysieren, die speziell für die Plasmamembran selbst sind.
Zellmembranfunktionen Membran
Der kritische Aspekt der Zellmembran ist nicht, dass sie „wasserdicht“ oder allgemein für Stoffe undurchlässig ist; wenn es beides wäre, würde die Zelle sterben. Der Schlüssel zum Verständnis der Hauptaufgabe der Zellmembran ist, dass sie teilweise durchlässig. Eine Analogie: So wie die meisten Nationen der Erde es den Menschen nicht vollständig verbieten, über die Landesgrenzen, Länder rund um den Globus sind es nicht gewohnt, irgendjemanden zu lassen und alle treten ein. Zellmembranen versuchen, in viel kleinerem Maßstab das zu tun, was die Regierungen dieser Länder tun: wünschenswerte Einheiten in die Zelle eindringen zu lassen nachdem sie "überprüft" wurden, während der Zutritt zu Entitäten verwehrt wurde, die sich als toxisch oder destruktiv für das Innere oder die Zelle als ganze.
Insgesamt fungiert die Membran als formale Grenze, die die verschiedenen Teile der Zelle gleich zusammenhält Ein Zaun um einen Bauernhof hält das Vieh zusammen, während es ihnen erlaubt, herumzulaufen und sich zu mischen. Wenn Sie die Arten von Molekülen erraten müssten, die am leichtesten ein- und austreten dürfen, könnten Sie sagen: "Brennstoffquellen" bzw. "Stoffwechselabfälle", da dies im Wesentlichen das ist, was die Körper als Ganzes tun. Und du hättest recht. Sehr kleine Moleküle, wie gasförmiger Sauerstoff (O2), gasförmiges Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O), kann die Membran frei passieren, aber der Durchgang größerer Moleküle wie Aminosäuren und Zucker wird streng kontrolliert.
Die Lipiddoppelschicht
Die Moleküle, die fast allgemein als "Phospholipide" bezeichnet werden und die die Doppelschicht der Zellmembran bilden, werden richtiger genannt "Glycerophospholipide." Sie bestehen aus einem Glycerin-Molekül, einem Drei-Kohlenstoff-Alkohol, das auf einer Seite an zwei lange Fettsäuren gebunden ist und a Phosphatgruppe auf der anderen Seite. Dies verleiht dem Molekül eine lange, zylindrische Form, die gut geeignet ist, um Teil einer breiten Schicht zu sein, der eine einzelne Schicht der Membrandoppelschicht im Querschnitt ähnelt.
Der Phosphatanteil des Glycerophospholipids ist hydrophil. Die spezifische Art der Phosphatgruppe variiert von Molekül zu Molekül; beispielsweise kann es sich um Phosphatidylcholin handeln, das eine stickstoffhaltige Komponente enthält. Es ist hydrophil, weil es eine ungleichmäßige Ladungsverteilung hat (dh polar ist), genau wie Wasser, so dass die beiden in engen mikroskopischen Vierteln "auskommen".
Die Fettsäuren im Inneren der Membran weisen nirgendwo in ihrer Struktur eine ungleichmäßige Ladungsverteilung auf, sind also unpolar und damit hydrophob.
Aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften von Phospholipiden erfordert die Phospholipid-Doppelschichtanordnung keinen Energieeintrag, um sie zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten. Tatsächlich neigen Phospholipide, die in Wasser gegeben werden, dazu, spontan die Doppelschichtkonfiguration anzunehmen, ähnlich wie Flüssigkeiten "ihre eigene Ebene suchen".
Zellmembrantransport
Da die Zellmembran selektiv durchlässig ist, muss sie eine Möglichkeit bieten, eine Vielzahl von Substanzen, einige große und andere, von einer Seite zur anderen zu transportieren. Überlegen Sie, wie Sie einen Fluss oder ein Gewässer überqueren könnten. Sie könnten eine Fähre nehmen; Sie können einfach von einer leichten Brise treiben oder von stetigen Fluss- oder Meeresströmungen getragen werden. Und Sie werden das Gewässer vielleicht erst überqueren, weil es zu hoch ist Konzentration von Menschen auf Ihrer Seite und zu geringe Konzentration auf der anderen Seite, was ein Ausgleichsbedürfnis darstellt Dinge aus.
Jedes dieser Szenarien hat eine Beziehung zu einer oder mehreren der Art und Weise, wie Moleküle die Zellmembran passieren können. Diese Wege umfassen:
Einfache Diffusion: Bei diesem Prozess driften Moleküle einfach durch die Doppelmembran, um entweder in die Zelle hinein oder aus ihr heraus zu gelangen. Der Schlüssel hierbei ist, dass sich Moleküle in den meisten Situationen entlang eines Konzentrationsgradienten bewegen, was bedeutet, dass sie auf natürliche Weise von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration wandern. Würde man eine Dose Farbe in die Mitte eines Schwimmbeckens gießen, würde die Auswärtsbewegung der Farbmoleküle eine Form einfacher Diffusion darstellen. Die Moleküle, die auf diese Weise Zellmembranen durchqueren können, sind, wie Sie vielleicht vorhersagen können, kleine Moleküle wie O2 und CO2.
Osmose: Osmose könnte als "Saugdruck" beschrieben werden, der die Bewegung von Wasser verursacht, wenn die Bewegung von im Wasser gelösten Partikeln unmöglich ist. Dies tritt auf, wenn eine Membran Wasser, aber nicht die fraglichen gelösten Partikel ("Soluten") passieren lässt. Die treibende Kraft ist wiederum ein Konzentrationsgradient, weil die gesamte lokale Umgebung einen Gleichgewichtszustand "sucht", in dem die Menge an gelöstem Stoff pro Einheit Wasser überall gleich ist. Wenn sich auf einer Seite einer wasserdurchlässigen, für gelöste Stoffe undurchlässigen Membran mehr gelöste Partikel befinden als auf der anderen, fließt Wasser in den Bereich mit einer höheren Konzentration an gelösten Stoffen. Das heißt, wenn Partikel ihre Konzentration im Wasser nicht durch Bewegung ändern können, bewegt sich das Wasser selbst, um mehr oder weniger dieselbe Aufgabe zu erfüllen.
Erleichterte Diffusion: Auch bei dieser Art des Membrantransports bewegen sich Partikel von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration. Anders als bei der einfachen Diffusion bewegen sich die Moleküle jedoch über spezialisierte Proteinkanäle, anstatt einfach durch die Räume zwischen Glycerophospholipid. zu driften Moleküle. Wenn Sie schon einmal beobachtet haben, was passiert, wenn sich etwas, das einen Fluss hinuntertreibt, plötzlich in einem Gang wiederfindet? zwischen Felsen wissen Sie, dass das Objekt (vielleicht ein Freund auf einem Schlauch!) Durchgang; so ist es mit Proteinkanälen. Dies ist am häufigsten bei polaren oder elektrisch geladenen Molekülen der Fall.
Aktiven Transport: Die zuvor diskutierten Arten des Membrantransports beinhalten alle eine Bewegung entlang eines Konzentrationsgradienten. Doch so wie Boote flussaufwärts und Autos bergauf fahren müssen, bewegen sich Stoffe meist gegen ein Konzentrationsgefälle – eine energetisch ungünstige Situation. Infolgedessen muss der Prozess von einer externen Quelle angetrieben werden, und in diesem Fall ist diese Quelle Adenosintriphosphat (ATP), der weit verbreitete Brennstoff für mikroskopische biologische Transaktionen. Bei diesem Prozess wird eine der drei Phosphatgruppen von ATP entfernt, um Adenosindiphosphat (ADP) und ein freies Phosphat zu erzeugen, und die durch die Hydrolyse der Phosphat-Phosphat-Bindung freigesetzte Energie wird verwendet, um Moleküle den Gradienten hinauf und über den Membran.
Aktiver Transport kann auch indirekt oder sekundär erfolgen. Beispielsweise kann eine Membranpumpe Natrium über seinen Konzentrationsgradienten von einer Seite der Membran zur anderen aus der Zelle heraus bewegen. Wenn das Natriumion in die andere Richtung zurückdiffundiert, könnte es dagegen ein Glukosemolekül mit sich führen Konzentrationsgradient des Moleküls (die Glukosekonzentration ist im Inneren der Zellen normalerweise höher als auf der draußen). Da die Bewegung von Glukose gegen ihren Konzentrationsgradienten erfolgt, handelt es sich um einen aktiven Transport, da jedoch kein ATP direkt beteiligt ist, ist dies ein Beispiel für sekundär aktiven Transport.