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| IMC Wiki | Zellmembran, Funktionen

Zellmembran, Funktionen

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Membrantransporte

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Biologische Membranen sind nur wenige Moleküle tief. Sie sind aus Lipiden, Proteinen und mit diesen verknüpften Kohlenhydraten aufgebaut (vgl. Zellstoffwechsel).
Die Lipiddoppelschichten mit hydrophilen (wasseranziehend) und hydrophoben (wasserabstoßend) Enden sind Schranken für die Passage polarer Moleküle und Ionen.
Membranproteine (im Bild rot) nehmen bestimmte sehr spezifische Funktionen, insbesondere bei aktiven und passiven Transporten, wahr - Pumpen, Kanäle, Enzyme, Energietransport, Rezeptoren (s. u.).
Der Stoffaustausch erfolgt durch Diffusion, Diffusion durch Kanäle, aktive Transportmechanismen. Exo- und Endozytose. Diffusion ist der Konzentrationsausgleich frei beweglicher gelöster Atome und Moleküle (vgl. Zellstoffwechsel).

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Die bewegte Masse (m) in der Zeit (t) hängt ab von der Fläche (A), dem Konzentrationsunterschied (dc) über die Strecke (dx): dm/dt = D · A · dc/dx
Der Diffusionskoeffizient (D) ist ein für bestimmte Stoffe in bestimmten Lösungsmitteln und Temperaturen konstanter Wert. Diffusion ist der wesentlichste Austausch von Molekülen über kurze Strecken.
Die Permeabilität durch Lipidmembranen ist für Wasser, gelöste Gase, lipidlösliche Stoffe praktisch ungehindert für einige kleine polare Moleküle, z. B. Harnstoff gut. Zucker haben eine geringe, geladene Moleküle keine Permeabilität.
Membrankanäle erlauben die Diffusion oder den Durchtritt von Stoffen, welche die Lipidmembran nicht passieren können (Ionen, Zucker, Aminosäuren, Nukleotide - im Bild links: Symport). Sie sind bewegliche "Wasserrohre" in Membranproteinen. Membrankanäle arbeiten selektiv und befördern gesteuert durch elektrische Ladungen jeweils nur eine oder wenige Substanzen (z. B. Kaliumkanal, Kalziumkanal).
Die durch die pulsierenden Membranproteine transportierten geladenen Teilchen erzeugen ein Membranpotential.
Aktiver Transport ist die Verschiebung von Substanzen entgegen dem Konzentrationsgefälle und elektrischen Gradienten (im Bild rechts: Pumpen).
Die Transportproteine (ATPasen) verbrauchen über 1/3 der Zellenergie (ATP → ADP + Pi). Durch den aktiven Transport werden die Konzentrationsunterschiede zwischen intra- und extrazellulärer Substanz konstant erhalten.
Die Natrium-Kalium-Pumpe hat die größte Bedeutung. Sie schafft Na+ aus der Zelle und K+ hinein.
Der Natrium-Konzentrationsgradient an Zellmembranen hat Bedeutung für elektrische Abläufe, für aktive Transporte (Symporte, Antiporte), die Erhaltung des Zellvolumens durch Stabilisierung des osmotischen Druckes.
Neben der Natriumpumpe existieren noch andere. Gesichert ist die Kalziumpumpe. Sie pumpt Ca2+ aus der Zelle. Sie besitzt eine eigene ATPase.
Der aktive Transport geladener Teilchen erzeugt einen elektrischen Strom.
Die aus der Natriumpumpe resultierende Energie im Membrangradienten für Na+ wird als Antriebsenergie für Membrantransporte verwendet (Symport - Antiport).
Störungen der aktiven Pumpmechanismen, z. B. durch Hypoxie (Sauerstoffmangel), führen zum Zusammenbruch der Konzentrationsgradienten, der Erhöhung des osmotischen Druckes, Wassereinstrom in die Zelle und Zellschwellung. Energieverbrauchende Transporte kommen dann zum Erliegen. So ist der Transport von Zucker, Aminosäuren, Kalzium u. a. gestört.
Tetrotoxin, das Gift des besonders in Japan hochgeschätzten Fugu (Kugelfisch), blockiert die Natriumkanäle und verursacht jährlich infolge unachtsamer Zubereitung zahlreiche Todesfälle.
Digitalis und andere Herzglykoside hemmen die Dephosphorilierung der Na+-K+-ATPase und Natriumpumpe. Gefolgt von dem intrazellulären Natrium steigt das Kalzium an. Hieraus resultiert eine Kräftigung der Herzmuskelkontraktion.
Endo- und Exozytose dienen dem Transport von Substanzen, für die andere Transportsysteme fehlen (z. B. Cholesterin, Proteine). Diese Substanzen werden in Vesikeln transportiert. Diese Behälter formen sich aus der Zellmembran oder der Membran der Organellen und verschmelzen nach Stoffabgabe wieder mit dieser.
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Ruhepotenzial

Die Ionenkonzentrationen im Zellinneren und der extrazellulären Flüssigkeit sind sehr verschieden.

Intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen (mmol/l)
  Intrazellulär Extrazellulär
Na+ 12 145
K+ 155 4
Ca2+ 2 x 10-4 2
Cl- 4 120
HCO3- 8 27
große Anionen 155 sonstige Kationen 5

Diffusionsvorgänge suchen den Konzentrationsausgleich zu erreichen, z. B. durch die Kaliumdiffusion aus dem Zellinneren durch Kalium-Diffusionskanäle. Zur Erhaltung der Konzentrationsgefälle ist die Zellmembran mit aktiven Transportmechanismen ausgestattet, welche den passiven Diffusionsvorgängen entgegenwirken.
Tritt ein Kalium-Ion entlang dem Konzentrationsgefälle aus dem Zellinneren aus, so nimmt es eine positive Elementarladung mit. Das Zellinnere verliert diese positive Ladung, es entsteht eine Spannung an der Zellmembran (negativ im Inneren).

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Alle lebenden Zellen haben ein Membranpotenzial; es beträgt zwischen -120 und -40 mV, an der Muskelzelle etwa -90 mV. Das Ruhepotenzial von -90 mV bedeuten demnach, dass der Fluss der Kaliumionen im Gleichgewicht ist. Auch andere als Kaliumionen bestimmen das Membranpotenzial mit.

Stoffkonzentration in Zellverbänden

Die Stoffkonzentrationen im Zellinneren hängen ab vom Alter des Menschen, den physiologischen Aufgaben dieser Zellen und den Zellaktivitäten. Als Beispiel finden sich folgende Stoffkonzentrationen auf 1 kg fettfreies Muskelgewebe des Erwachsenen (Wissenschaftliche Tabellen Geigy 1977).

Intrazelluläre Stoffkonzentrationen (Skelettmuskel)
Wasser 792 g
Gesamtstickstoff 31,4 g
Protein 160 g
DNS 0,74 g
Nichtprotein N 3,0 g
Glycogen 2 - 15 g
Gesamtlipide 31,0 g
Cholesterin 1,6 g
Trigylceride 14,4 g
Natrium 36,3 mmol
Kalium 92,2 mmol
Chlor 22,1 mmol
Magnesium 8,35 mmol
Calcium 1,4 mmol
Phosphor 58,8 mmol

Stofftransport im Zellinneren

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Massenverschiebungen innerhalb der Zelle: Exo- und Endozytose durch die Membranen (Ex. En.), Zellmembran (Z.M.), Organellenmembran (O.M.), Diffusion (D.), aktiver Transport (a.T.), Auf- und Abbau von Organellen mit Platzwechsel (auf, ab), aktive Bewegung (Zytoskelett). Über kurze Strecken ist die Diffusion der wirksamste Stoffaustausch, wie auch durch die Membranen.
Stoffe, welche an der freien Diffusion gehindert werden (s. o.), sammeln sich beiderseits der Membranen an, wohin sie durch Diffusion gelangt sind, und müssen dann mit aktiven Transportsystemen über die Membranschranke transportiert werden, z. B. Aminosäuren, Proteine, Cholesterin und andere. Die für die Zellmembran und das Zytoplasma skizzierten Bewegungen gelten in gleicher Weise für Membranen und Plasma der Organellen.
Stoffe aus der Blutbahn, welche über die extrazelluläre Flüssigkeit und die Zellmembran in das Zellinnere und von hier aus zu den Organellen gelangen, müssen hier verteilt werden. Umgekehrt werden auf die gleiche Weise Stoffe, welche in der Zelle entstehen, über die Membranen der Organellen und die Zellmembran in die extrazelluläre Flüssigkeit geschafft und von hier aus auf dem Blut- oder Lymphweg abtransportiert.