Biologische Membranen sind die Grundlage für viele wichtige Eigenschaften der Zelle, nicht zuletzt für die physische Abgrenzung der Zellgrenzen und bei Eukaryonten auch der Grenzen der einzelnen intrazellulären Organellen. Sie sind jedoch nicht völlig undurchlässig, und durch eingebettete Proteine dient die Membran als Torwächter für den Durchgang bestimmter Moleküle in die Zelle (z. B. Nährstoffe) und aus der Zelle (z. B. Abfallstoffe). Andere eingebettete Proteine können die Zelle gegenüber anderen Zellen identifizieren und sind an zahlreichen Interaktionen mit der Umgebung oder anderen Zellen beteiligt. Schließlich ist die Membran, oder genauer gesagt, die chemischen Gradienten durch die Membran, eine wichtige Energiequelle für die Zelle.
- 4.1: Membranstruktur und -zusammensetzung Da die meisten Zellen in einer wässrigen Umgebung leben und auch der Inhalt der Zelle größtenteils wässrig ist, liegt es nahe, dass eine Membran, die eine Seite von der anderen trennt, hydrophob sein muss, um eine wirksame Barriere gegen das unbeabsichtigte Austreten von Stoffen oder Wasser zu bilden. Zellmembranen wurden teilweise so definiert, dass sie hauptsächlich aus Phospholipiden bestehen: Moleküle, die aus einer phosphorylierten polaren Kopfgruppe bestehen, die an ein Glycerin-Grundgerüst mit zwei langen Kohlenwasserstoffschwänzen gebunden ist.
- 4.2: Membranpermeabilität Eine reine Phospholipid-Doppelschicht ist unabhängig von ihrer Lipidzusammensetzung eine semipermeable Membran, die im Allgemeinen große Moleküle und Ionen abweist. Kleine polare Moleküle können manchmal leicht durchdringen (z. B. Ethanol), häufiger jedoch, wenn überhaupt, nur mit geringer Geschwindigkeit (z. B. Wasser). Kleine unpolare Moleküle hingegen können die Membran relativ leicht passieren. Die Gründe dafür dürften auf der Hand liegen: Größere Moleküle passen einfach nicht zwischen die Lipidmoleküle, um durchzukommen.
- 4.3: Membrantransportproteine Membranproteine lassen sich in zwei Grundtypen einteilen: integrale Membranproteine (manchmal auch intrinsisch genannt), die direkt in die Phospholipid-Doppelschicht eingebaut sind, und periphere Membranproteine (manchmal auch extrinsisch genannt), die sich sehr nahe oder sogar in Kontakt mit einer Seite der Membran befinden, aber nicht in den hydrophoben Kern der Doppelschicht hineinreichen. Integrale Membranproteine können sich vollständig durch die Membran erstrecken und sowohl mit der extrazellulären Umgebung als auch mit dem Zytoplasma in Kontakt treten.
- 4.4: Das Aktionspotential in Neuronen Der Transport von gelösten Stoffen in und aus den Zellen ist lebenswichtig. In Neuronen hat die Bewegung von Ionen jedoch noch eine weitere entscheidende Funktion: die Erzeugung von Aktionspotentialen, die für die Neurotransmission verwendet werden. Diese Spezialisierung ermöglicht eine extrem schnelle Übertragung von Informationen über große Entfernungen. Ein Beispiel, das mein Mentor bei der Vermittlung grundlegender neurowissenschaftlicher Kenntnisse an Schüler verwendete, war ein bipolares Neuron, das vom Zeh bis zum Gehirn reicht.
Vorschaubild: Die Zellmembran, auch Plasmamembran oder Plasmalemma genannt, ist eine halbdurchlässige Lipiddoppelschicht, die allen lebenden Zellen gemeinsam ist. Sie enthält eine Vielzahl biologischer Moleküle, vor allem Proteine und Lipide, die an einer Vielzahl von Zellprozessen beteiligt sind. Sie dient auch als Befestigungspunkt für das intrazelluläre Zytoskelett und, falls vorhanden, für die Zellwand. (gemeinfrei; LadyofHats via Wikipedia.