Zellmembran: Aufbau, Funktion und Transport

Eine Zelle braucht andere Bedingungen als ihre Umgebung. Die Zellmembran bildet deshalb eine dünne, flexible Grenze zwischen dem Cytoplasma im Zellinneren und dem Extrazellulärraum außerhalb der Zelle. Sie ist etwa 6 bis 10 nm dick. Die Membran ist selektiv permeabel: Manche Stoffe können sie passieren, andere werden zurückgehalten oder benötigen ein Transportprotein. „Selektiv“ bedeutet ausgewählt, „permeabel“ bedeutet durchlässig. Der wichtigste Grundbaustein der Zellmembran ist das Phospholipid. Ein Phospholipid besitzt zwei unterschiedlich reagierende Bereiche: einen hydrophilen Kopf, der sich dem Wasser zuwendet; zwei hydrophobe Schwänze, die Wasser meiden. Ein Molekül mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Bereich heißt amphiphil. Da sich sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle eine wässrige Flüssigkeit befindet, ordnen sich Phospholipide in zwei Schichten an. Die Köpfe zeigen zum Wasser. Die Schwänze liegen einander zugewandt im Inneren der Membran. Das hydrophobe Membraninnere bremst besonders geladene Teilchen und große wasserlösliche Moleküle. Kleine, ungeladene und eher fettlösliche Stoffe können die Lipidschicht dagegen leichter direkt passieren. Bei Pflanzenzellen liegt außen zusätzlich eine feste Zellwand; die Zellmembran bleibt die selektive Grenze für den Stoffaustausch.

In und auf der Phospholipiddoppelschicht befinden sich Proteine. Die Membran ist daher kein reiner Lipidfilm. Membranproteine erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Kanalproteine bilden hydrophile Durchgänge, beispielsweise für Ionen oder Wasser. Carrier besitzen Bindungsstellen für bestimmte Stoffe. Nach der Bindung verändern sie ihre Form und befördern den Stoff auf die andere Seite. Pumpen transportieren Stoffe unter Energieverbrauch gegen ein Konzentrationsgefälle. Rezeptoren binden passende Signalmoleküle und lösen eine Reaktion der Zelle aus. Weitere Proteine unterstützen Zellkontakte oder verankern die Membran am Cytoskelett.

An der Außenseite der Membran können kurze Kohlenhydratketten sitzen. Sind sie an Proteine gebunden, entstehen Glykoproteine; an Lipide gebundene Kohlenhydratanteile heißen Glykolipide. Gemeinsam können solche Strukturen zur Glykokalyx beitragen. Diese Oberflächenstrukturen unterstützen den Schutz, die Zellerkennung und den Kontakt zwischen Zellen. Rezeptorproteine ermöglichen zusätzlich Signalübertragung: Nur ein passendes Signalmolekül bindet an die jeweilige Bindungsstelle. Die Bindung kann eine Reaktion in der Zelle auslösen. Die Zellmembran ist außerdem beweglich. Lipide und viele Proteine können sich seitlich verschieben. Ein Membranmodell zeigt deshalb eine dynamische Anordnung verschiedener Bestandteile und keine starre, unveränderliche Platte. Das Modell erklärt wichtige Grundzüge, bildet aber nicht jedes Protein und jede Wechselwirkung im Einzelnen ab.