Zellmembran

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 12. November 2016
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Jede menschliche und tierische Zelle wird von einer semipermeablen Membran eingehüllt. Sie schützt das Zellinnere gegen schädliche Einflüsse von außen, und sie ist für den notwendigen Stoffaustausch von außen nach innen sowie von innen nach außen verantwortlich. In dritter Funktion übernimmt die Membran die Kommunikation zwischen den Zellen, sofern sich die Zelle innerhalb eines Zellverbandes befindet.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine Zellmembran?

Die Zellmembran umschließt jede menschliche und tierische Zelle und grenzt sie gegen andere Zellen oder gegen den extrazellulären Raum ab. Sie muss in beide Richtungen selektiv permeabel sein, um benötigte Stoffe in die Zelle hinein zu lassen oder Abbauprodukte aus dem Zellinneren hinaus zu befördern. Falls sich die Zelle innerhalb eines Zellverbandes befindet, muss die Membran in der Lage sein, mit der Membran der benachbarten Zelle eine Art mechanische Verbindung einzugehen, um dem Zellverband die nötige Festigkeit zu verleihen.

Darüber hinaus muss die Membran mit den angelagerten Nachbarzellen kommunizieren können. Sie muss in der Lage sein, „Botschaften“ ihrer Zelle in einer Art interzellulärer Kommunikation möglichst zeitnah an ihre Nachbarzellen weiter zu geben oder eine Botschaft aus den Nachbarzellen zu empfangen und an die eigene Zelle weiter zu vermitteln. Damit die Zelle nicht über eine Autoimmunreaktion von der körpereigenen Abwehr angegriffen wird, muss die Membran auf der dem extrazellulären Raum zugewandten Seite über Merkmale verfügen, die sie quasi gegenüber dem Immunsystem als körpereigene Zelle ausweist.

Anatomie & Aufbau

Die Zellmembran ist aus einer doppelten Lage von Lipiden aufgebaut und erreicht eine Stärke von nur 6 bis 10 Nanometer. Die lipophilen Gruppen der beiden Lipidschichten stehen sich gegenüber und bilden so für wässrige Flüssigkeiten eine nicht überwindbare hydrophobe Barriere. Die Lipide der äußeren Schicht sind teilweise glykolisiert, Saccharide können sich angelagert und mit den Lipiden zu Glykolipiden verbunden haben.

Die Zellmembranen sind durchsetzt mit sogenannten Membranproteinen, die vielfältige Aufgaben übernehmen. An der nach außen gerichteten Oberfläche der Membran sind Glykoproteine angelagert, die unter anderem dazu dienen, die Zelle gegenüber dem Immunsystem als körpereigen auszuweisen. Andere Proteine (integrale Proteine) durchstoßen die Zellmembran und stehen mit dem extrazellulären und dem intrazellulären Raum in Verbindung.

Eine weitere wichtige Struktur bilden die sogenannten Ionenkanäle, die durch Kanalproteine gebildet werden und bestimmten Stoffaustausch ermöglichen. Speziell für den Austausch mit Wasser zur Überwindung der hydrophoben Barriere zwischen den beiden Lipidschichten der Zellmembran, sind sogenannte Wasserkanäle (Aquaporine) vorhanden, die in etwa analog zu den Ionenkanälen funktionieren.

Funktion & Aufgaben

Die Zellmembran grenzt das innere der Zelle gegenüber dem Außenraum oder gegenüber anderen Zellen ab und schützt den Zellkern, die Organellen, das Cytoplasma und sonstige in der Zelle befindlichen Teile. Trotz ihrer Semipermeabilität kann die Membran die wässrige Flüssigkeit im Inneren der Zelle von der wässrigen Flüssigkeit außerhalb der Zelle – auch bei unterschiedlichem osmotischem Druck - gegeneinander abgrenzen.

Eine weitere Funktion und Aufgabe besteht im selektiven Stoffaustausch zwischen Zellinnerem und dem extrazellulären Raum. Der Zellmembran stehen hierfür drei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Die erste Möglichkeit besteht in der Nutzung osmotischen Gefälles.
  • Die zweite Möglichkeit besteht in der Nutzung der Ionen- und Wassserkanäle, die sich in der Zellmembran ausgebildet haben. Durch verschiedenartige Kanäle können Ionen entlang eines elektrischen Spannungsgefälles transportiert werden.
  • Es gibt aber auch die Möglichkeit, über sogenannte Transportproteine Ionen unter Energieaufwand gegen das elektrische Spannungsgefälle oder elektrisch neutrale Moleküle durchzuschleusen.

Der Stofftransport über die Ionenkanäle funktioniert in beiden Richtungen. Für den Austausch mit Makromolekülen, die weder über Osmose noch über Ionenkanäle transportierbar sind, kann die Zellmembran Ausstülpungen bilden, die die Makromoleküle einhüllen und anschließend durch die Zellmembran ins Zellinnere transportieren können. Für Zellen, die nicht direkt mit Nerven verbunden sind, ist die Kommunikation untereinander wichtig.

Hierfür sind spezielle Proteine zuständig, die in der Zellmembran verankert sind und sowohl mit dem intrazellulären wie auch mit dem extrazellulären Raum verbunden sind (Transmembranproteine), so dass ein Informationsaustausch in beiden Richtungen erfolgen kann. Zum Informationsaustausch im weiteren Sinn gehört auch, dass die Zellmembran mittels angedockter peripherer Proteine dem Immunsystem signalisiert, dass es sich um eine körpereigene Zelle handelt, die nicht angegriffen werden darf.

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Krankheiten & Beschwerden

Der reguläre Ablauf der beiden Grundfunktionen Stoffaustausch und Signalleitung einer Zellmembran bildeten die Voraussetzung für die Entstehung höheren Lebens. Entsprechend gravierend können die Auswirkungen sein, wenn nur eine Grundfunktion der Zellmembran gestört ist. Autoimmunkrankheiten, die durch ein fehlgeleitetes Immunsystem ausgelöst werden, können ursächlich in einer Fehlfunktion der Zellmembranen des betroffenen Gewebes begründet sein.

Bei einem Fehler der angedockten Membranproteine kann es sein, dass das Immunsystem die Zellen nicht als Eigengewebe, sondern als Fremdgewebe einstuft und entsprechende Attacken einleitet. Die Autoimmunkrankheit Antiphospholipid-Syndrom (APS) führt zu einer veränderten Zusammensetzung der Zellmembranen der roten Blutkörperchen (Erythrozyten), weil das Immunsystem zu einer Zerstörung der Membranproteine führt, die mit Phopholipiden assoziiert sind.

Hierdurch wird die Gerinnung stark gefördert, was zu einem vermehrten Auftreten von Thrombosen, Schlaganfällen, Herzinfarkten und Lungenembolien führt. Eine gestörte interzelluläre Kommunikation kann ebenfalls zu schwerwiegenden Folgen führen. Wenn beispielsweise Transmembranproteine, einen „Todesbefehl“ an benachbarte Krebszellen übermitteln, wodurch deren spontaner Zelltod (Apoptose) ausgelöst werden soll, von der Krebszelle aufgrund einer Störung im Kommunikationsmechanismus nicht aufgenommen wird, bedeutet das, dass sich die Tumorzellen ungehindert entwickeln können.

Amyloid-Ablagerungen in Gehirnen von Alzheimer Patienten entstehen sehr wahrscheinlich dadurch, dass ein bestimmtes Membranprotein durch das Enzym Beta-Sekretase zerlegt und damit physiologisch unwirksam gemacht wird. Das heißt, dass die Krankheit auf eine Fehlfunktion in der Zellmembran verursacht wird.

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