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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 10
Lektion 1: Die PlasmamembranAufbau der Plasmamembran
Das Flüssig-Mosaik-Modell der Plasmamembran. Protein-, Lipid- und Kohlenhydrat-Komponenten der Membran.
Einführung
Jede Zelle deines Körpers ist von einer winzigen Membranblase umgeben. Diese Membran hat etwa die Konsistenz von ... Salatöl.
Was genau ist ihre Aufgabe? Die Plasmamembran definiert nicht nur die Grenzen der Zelle, sondern erlaubt der Zelle auch, kontrolliert mit ihrer Umgebung zu interagieren. Zellen müssen in der Lage sein, verschiedene Substanzen in bestimmten Mengen abzusondern, aufzunehmen und auszuscheiden. Darüber hinaus müssen sie in der Lage sein, mit anderen Zellen zu kommunizieren, sich zu identifizieren und Informationen auszutauschen.
Um diese Aufgaben zu erfüllen, benötigt die Plasmamembran Lipide, die eine semipermeable Barriere zwischen der Zelle und ihrer Umgebung bilden. Sie benötigt auch Proteine, die an dem Transport durch die Membran und an der Zellkommunikation beteiligt sind, und Kohlenhydrate (Zucker und Zuckerketten), die sowohl an Proteine als auch an Lipide gebunden sind und die Zellen dabei unterstützen, einander zu erkennen.
Hier schauen wir uns die verschiedenen Komponenten der Plasmamembran genauer an, untersuchen ihre Aufgaben, ihre Vielfalt und wie sie zusammenarbeiten, um eine flexible, empfindliche und sichere Grenze um die Zelle herum zu bilden.
Flüssig-Mosaik-Modell
Das gegenwärtig akzeptierte Modell für den Aufbau der Plasmamembran, das sogenannte Flüssig-Mosaik-Modell, wurde erstmals 1972 vorgestellt. Das Modell wurde im Laufe der Zeit weiterentwickelt, es liefert aber immer noch eine gute grundlegende Beschreibung des Aufbaus und des Verhaltens von Membranen vieler Zellen.
Nach dem Flüssig-Mosaik-Modell ist die Plasmamembran ein Mosaik aus Komponenten — in erster Linie Phospholipide, Cholesterin und Proteine — die sich frei und fließend in der Membranebene bewegen. Mit anderen Worten, eine Abbildung der Membran (wie die folgende) ist nur eine Momentaufnahme eines dynamischen Prozesses, bei dem Phospholipide und Proteine kontinuierlich aneinander vorbeigleiten.
Interessanterweise bedeutet diese Fluidität, dass, wenn du eine sehr feine Nadel in eine Zelle einführst, die Membran einfach um die Nadel herumfließt; sobald die Nadel wieder entfernt wird, fließt die Membran nahtlos wieder zusammen.
Die Hauptbestandteile der Plasmamembran sind Lipide (Phospholipide und Cholesterin), Proteine und Kohlenhydratgruppen, die an einige der Lipide und Proteine gebunden sind.
- Ein Phospholipid ist ein Lipid aus Glycerin, zwei Fettsäureschwänzen und einem phosphat-gebundenem Kopf. Biologische Membranen besitzen normalerweise zwei Schichten von Phospholipiden, deren Schwänze nach innen zeigen, eine Anordnung, die Doppellipidschicht genannt wird.
- Cholesterin, ein weiteres Lipid aus vier verbundenen Kohlenstoffringen, befindet sich an der Seite der Phospholipide im Kern der Membran.
- Membranproteine können teilweise in die Plasmamembran eindringen, die Membran vollständig durchdringen oder lose an ihrer Innenseite oder Außenseite befestigt sein.
- Kohlenhydratgruppen sind nur auf der äußeren Oberfläche der Plasmamembran vorhanden und an Proteine unter Bildung von Glykoproteinen oder an Lipide unter Bildung von Glykolipiden gebunden.
Die Anteile von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten in der Plasmamembran unterscheiden sich zwischen den verschiedenen Zelltypen. Bei einer typischen menschlichen Zelle machen jedoch Proteine etwa 50 % der Masse aus, Lipide (aller Arten) etwa 40 % und die restlichen 10 % sind Kohlenhydrate.
Phospholipide
Phospholipide, die in einer Doppelschicht angeordnet sind, bilden die Grundsubstanz der Plasmamembran. Sie sind für diese Rolle gut geeignet, da sie amphiphil sind, was bedeutet, dass sie sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche aufweisen.
Der hydrophile oder "wasserliebende" Teil eines Phospholipids ist sein Kopf, der eine negativ geladene Phosphatgruppe sowie eine zusätzliche kleine Gruppe (die unterschiedlich aussehen kann, "R" in der Abbildung links) enthält, die auch geladen oder polar sein kann. Die hydrophilen Köpfe von Phospholipiden sind in einer Doppelmembran nach außen gerichtet und grenzen an die Flüssigkeit sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle. Da es sich bei Wasser um ein polares Molekül handelt, bildet es leicht elektrostatische (ladungsbasierte) Wechselwirkungen mit den Phospholipidköpfen.
Der hydrophobe oder "wassermeidende" Teil eines Phospholipids besteht aus seinen langen, unpolaren Fettsäureschwänzen. Die Fettsäureschwänze können leicht mit anderen unpolaren Molekülen , aber nur schlecht mit Wasser interagieren. Aus diesem Grund ist es für die Phospholipide energetisch günstiger, ihre Fettsäureschwänze in das Innere der Membran zu stecken, wo sie vom umgebenden Wasser abgeschirmt sind. Die durch diese Wechselwirkungen gebildete Phospholipid-Doppelschicht bildet eine gute Barriere zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle, da Wasser und andere polare oder geladene Substanzen den hydrophoben Kern der Membran nicht leicht durchqueren können.
Phospholipide eignen sich aufgrund ihrer amphiphilen Art nicht nur gut als Doppelmembran. Sie bilden diese sogar spontan unter den richtigen Bedingungen! In Wasser oder wässriger Lösung neigen Phospholipide dazu, sich so anzuordnen, dass ihre hydrophoben Schwänze einander zugewandt sind und ihre hydrophilen Köpfe nach außen zeigen. Wenn die Phospholipide kurze Schwänze besitzen, können sie eine Mizelle (eine kleine Kugel mit einer einschichtigen Membran) bilden, während sie, wenn sie voluminösere Schwänze haben, ein Liposom (ein hohles Bläschen mit einer Doppelmembran) bilden können.
Proteine
Proteine sind der zweite Hauptbestandteil von Plasmamembranen. Es gibt zwei Hauptkategorien von Membranproteinen: integrale und periphere.
Integrale Membranproteine sind, wie der Name schon sagt, in die Membran integriert: Sie besitzen mindestens einen hydrophoben Bereich, der sie am hydrophoben Kern der Phospholipid-Doppelschicht verankert. Einige haften nur teilweise in der Membran, während andere sich von einer Seite der Membran zur anderen erstrecken und auf beiden Seiten aus ihr herausragen.
Der Teil eines integralen Membranproteins, der sich in der Membran befindet, ist hydrophob, während der Teil, der in das Cytoplasma oder die extrazelluläre Flüssigkeit ragt, eher hydrophil ist. Transmembranproteine können die Membran nur einmal durchqueren oder können bis zu zwölf verschiedene die Membran durchquerende Abschnitte aufweisen. Ein typisches Membran-durchquerendes Segment besteht aus 20-25 hydrophoben Aminosäuren, die in einer Alpha-Helix angeordnet sind, obwohl nicht alle Transmembranproteine so aufgebaut sind. Einige integrale Membranproteine bilden einen Kanal, durch den Ionen oder andere kleine Moleküle passieren können (siehe folgende Abbildung).
Periphere Membranproteine befinden sich auf der äußeren und inneren Oberfläche von Membranen und sind entweder an integrale Proteine oder an Phospholipide gebunden. Im Gegensatz zu integralen Membranproteinen sind periphere Membranproteine nicht im hydrophoben Kern der Membran befestigt und sie sind meist lockerer gebunden.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind der dritte Hauptbestandteil von Plasmamembranen. Im Allgemeinen befinden sie sich auf der äußeren Oberfläche von Zellen und sind entweder an Proteine (unter Bildung von Glykoproteinen) oder an Lipide (unter Bildung von Glykolipiden) gebunden. Kohlenhydratketten können aus 2 bis 60 Monosaccharideinheiten bestehen und entweder geradkettig oder verzweigt sein.
Zusammen mit den Membranproteinen bilden die Kohlenhydrate charakteristische zelluläre Marker, ähnlich molekularer Ausweiskarten, die es den Zellen ermöglichen, sich gegenseitig zu erkennen. Diese Marker sind sehr wichtig für das Immunsystem und ermöglichen Immunzellen, zwischen Körperzellen, die sie nicht angreifen sollten, und fremden Zellen oder Geweben, die sie angreifen sollen, zu unterscheiden.
Membranfluidität
Der Aufbau der Fettsäureschwänze der Phospholipide ist entscheidend für die Eigenschaften der Membran und bestimmt insbesondere, wie flüssig sie ist.
Gesättigte Fettsäuren besitzen keine Doppelbindungen (sind mit Wasserstoff gesättigt), sie sind also relativ gerade. Ungesättigte Fettsäuren enthalten andererseits eine oder mehrere Doppelbindungen, die oft zu einer Biegung oder einem Knick führen. (Du kannst in der Abbildung der Phospholipidstruktur weiter oben ein Beispiel eines gebogenen, ungesättigten Schwanzes sehen.) Gesättigte und ungesättigte Fettsäureschwänze von Phospholipiden verhalten sich anders, wenn die Temperatur sinkt:
- Bei geringeren Temperaturen können sich die geraden Schwänze von gesättigten Fettsäuren dicht zusammenpacken, was eine dichte und ziemlich steife Membran ergibt.
- Phospholipide mit ungesättigten Fettsäureschwänzen können sich wegen der gekrümmten Struktur der Schwänze nicht so dicht zusammenpacken. Aus diesem Grund wird eine Membran, die ungesättigte Phospholipide enthält, bei niedrigeren Temperaturen flüssiger bleiben als eine Membran, die aus gesättigten Phospholipiden besteht.
Die meisten Zellmembranen enthalten eine Mischung von Phospholipiden, einige mit zwei gesättigten (geraden) Schwänzen und andere mit einem gesättigten und einem ungesättigten (gebogenen) Schwanz. Viele Organismen - zum Beispiel Fische - können sich physiologisch an kalte Umgebungen anpassen, indem sie den Anteil an ungesättigten Fettsäuren in ihren Membranen verändern. Weitere Informationen zu gesättigten und ungesättigten Fettsäuren findest du im Artikel zu Lipiden.
Zusätzlich zu Phospholipiden besitzen Tiere eine zusätzliche Membrankomponente, die dabei hilft, die Fluidität aufrechtzuerhalten. Cholesterin, eine andere Lipidart, die zwischen den Phospholipiden der Membran eingebettet ist, hilft, die Auswirkungen der Temperatur auf die Fluidität zu minimieren.
Bei niedrigen Temperaturen erhöht Cholesterin die Fließfähigkeit, indem es die Phospholipide dicht beieinander hält, während es bei hohen Temperaturen tatsächlich die Fließfähigkeit reduziert.
Die Bestandteile der Plasmamembran
| Komponente | Vorkommen |
|---|---|
| Phospholipide | Hauptbestandteil der Membran |
| Cholesterin | Steckt zwischen den hydrophoben Schwänzen der Phospholipide der Membran |
| Integrale Proteine | Eingebettet in die Phospholipid-Doppelschicht; kann sich über beide Schichten erstrecken |
| Periphere Proteine | Auf der inneren oder äußeren Oberfläche der Phospholipid-Doppelschicht, aber nicht in ihrem hydrophoben Kern eingebettet |
| Kohlenhydrate | An Proteine oder Lipide auf der extrazellulären Seite der Membran gebunden (unter Bildung von Glykoproteinen und Glykolipiden) |
Tabelle modifiziert nach OpenStax Biology.
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