Struktur und Funktionen von Membranen. Hauptfunktionen und Strukturmerkmale der Zellmembran

Die grundlegende Struktureinheit eines lebenden Organismus ist die Zelle, ein differenzierter Abschnitt des Zytoplasmas, der von einer Zellmembran umgeben ist. Da die Zelle viele wichtige Funktionen wie Fortpflanzung, Ernährung und Bewegung erfüllt, muss die Membran plastisch und dicht sein.

Geschichte der Entdeckung und Erforschung der Zellmembran

Im Jahr 1925 führten Grendel und Gorder ein erfolgreiches Experiment durch, um die „Schatten“ roter Blutkörperchen oder leerer Membranen zu identifizieren. Trotz einiger schwerwiegender Fehler entdeckten Wissenschaftler die Lipiddoppelschicht. Ihre Arbeit wurde 1935 von Danielli, Dawson und 1960 von Robertson fortgesetzt. Als Ergebnis langjähriger Arbeit und der Anhäufung von Argumenten erstellten Singer und Nicholson 1972 ein Fluid-Mosaik-Modell der Membranstruktur. Weitere Experimente und Studien bestätigten die Arbeiten der Wissenschaftler.

Bedeutung

Was ist eine Zellmembran? Dieses Wort wurde vor mehr als hundert Jahren verwendet; aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet es „Film“, „Haut“. So wird die Zellgrenze bezeichnet, die eine natürliche Barriere zwischen dem inneren Inhalt und der äußeren Umgebung darstellt. Die Struktur der Zellmembran impliziert eine Halbdurchlässigkeit, wodurch Feuchtigkeit sowie Nährstoffe und Abbauprodukte ungehindert passieren können. Diese Hülle kann als Hauptstrukturbestandteil der Zellorganisation bezeichnet werden.

Betrachten wir die Hauptfunktionen der Zellmembran

1. Trennt den inneren Inhalt der Zelle von den Komponenten der äußeren Umgebung.

2. Trägt zur Aufrechterhaltung einer konstanten chemischen Zusammensetzung der Zelle bei.

3. Reguliert den richtigen Stoffwechsel.

4. Bietet Kommunikation zwischen Zellen.

5. Erkennt Signale.

6. Schutzfunktion.

„Plasmahülle“

Die äußere Zellmembran, auch Plasmamembran genannt, ist ein ultramikroskopischer Film mit einer Dicke von fünf bis sieben Nanomillimetern. Es besteht hauptsächlich aus Proteinverbindungen, Phospholiden und Wasser. Der Film ist elastisch, nimmt leicht Wasser auf und stellt nach einer Beschädigung schnell seine Integrität wieder her.

Es hat eine universelle Struktur. Diese Membran nimmt eine Grenzposition ein, beteiligt sich am Prozess der selektiven Permeabilität, der Entfernung von Zerfallsprodukten und synthetisiert diese. Die Beziehung zu seinen „Nachbarn“ und der zuverlässige Schutz des inneren Inhalts vor Beschädigungen machen es zu einem wichtigen Bestandteil beispielsweise für die Struktur der Zelle. Die Zellmembran tierischer Organismen ist manchmal mit einer dünnen Schicht bedeckt – der Glykokalyx, die Proteine ​​und Polysaccharide enthält. Pflanzenzellen außerhalb der Membran werden durch eine Zellwand geschützt, die als Stütze dient und ihre Form beibehält. Der Hauptbestandteil seiner Zusammensetzung sind Ballaststoffe (Zellulose) – ein wasserunlösliches Polysaccharid.

Somit hat die äußere Zellmembran die Funktion der Reparatur, des Schutzes und der Interaktion mit anderen Zellen.

Struktur der Zellmembran

Die Dicke dieser beweglichen Hülle variiert zwischen sechs und zehn Nanomillimetern. Die Zellmembran einer Zelle hat eine besondere Zusammensetzung, deren Grundlage eine Lipiddoppelschicht ist. Hydrophobe Schwänze, die gegenüber Wasser inert sind, befinden sich im Inneren, während hydrophile Köpfe, die mit Wasser interagieren, nach außen zeigen. Jedes Lipid ist ein Phospholipid, das aus der Wechselwirkung von Substanzen wie Glycerin und Sphingosin entsteht. Das Lipidgerüst ist eng von Proteinen umgeben, die in einer nicht kontinuierlichen Schicht angeordnet sind. Einige von ihnen tauchen in die Lipidschicht ein, der Rest passiert sie. Dadurch entstehen wasserdurchlässige Bereiche. Die Funktionen dieser Proteine ​​sind unterschiedlich. Einige davon sind Enzyme, der Rest sind Transportproteine, die verschiedene Stoffe aus der äußeren Umgebung in das Zytoplasma und zurück transportieren.

Die Zellmembran ist von integralen Proteinen durchdrungen und eng mit ihnen verbunden, während die Verbindung mit peripheren Proteinen weniger stark ist. Diese Proteine ​​erfüllen eine wichtige Funktion: Sie halten die Struktur der Membran aufrecht, empfangen und wandeln Signale aus der Umgebung um, transportieren Substanzen und katalysieren Reaktionen, die auf Membranen ablaufen.

Verbindung

Die Basis der Zellmembran ist eine bimolekulare Schicht. Dank ihrer Kontinuität verfügt die Zelle über Barriere- und mechanische Eigenschaften. In verschiedenen Lebensphasen kann diese Doppelschicht gestört sein. Dadurch entstehen strukturelle Defekte durchgehender hydrophiler Poren. In diesem Fall können sich absolut alle Funktionen einer Komponente wie der Zellmembran ändern. Der Kern kann unter äußeren Einflüssen leiden.

Eigenschaften

Die Zellmembran einer Zelle weist interessante Eigenschaften auf. Aufgrund ihrer Fließfähigkeit ist diese Membran keine starre Struktur und der Großteil der Proteine ​​und Lipide, aus denen sie besteht, bewegt sich frei auf der Ebene der Membran.

Im Allgemeinen ist die Zellmembran asymmetrisch, sodass die Zusammensetzung der Protein- und Lipidschichten unterschiedlich ist. Plasmamembranen in tierischen Zellen verfügen auf ihrer Außenseite über eine Glykoproteinschicht, die Rezeptor- und Signalfunktionen übernimmt und auch eine große Rolle beim Zusammenschluss von Zellen zu Gewebe spielt. Die Zellmembran ist polar, das heißt, die Ladung an der Außenseite ist positiv und die Ladung an der Innenseite negativ. Darüber hinaus verfügt die Zellmembran über selektive Einblicke.

Das bedeutet, dass neben Wasser nur eine bestimmte Gruppe von Molekülen und Ionen gelöster Stoffe in die Zelle gelangen. Die Konzentration einer Substanz wie Natrium ist in den meisten Zellen viel geringer als in der äußeren Umgebung. Kaliumionen haben ein anderes Verhältnis: Ihre Menge in der Zelle ist viel höher als in der Umwelt. Dabei neigen Natriumionen dazu, die Zellmembran zu durchdringen, während Kaliumionen eher nach außen abgegeben werden. Unter diesen Umständen aktiviert die Membran ein spezielles System, das eine „Pump“-Funktion übernimmt und die Konzentration der Substanzen ausgleicht: Natriumionen werden an die Oberfläche der Zelle gepumpt und Kaliumionen werden in das Innere der Zelle gepumpt. Dieses Merkmal ist eine der wichtigsten Funktionen der Zellmembran.

Diese Tendenz von Natrium- und Kaliumionen, von der Oberfläche nach innen zu wandern, spielt eine große Rolle beim Transport von Zucker und Aminosäuren in die Zelle. Durch die aktive Entfernung von Natriumionen aus der Zelle schafft die Membran Bedingungen für die neue Aufnahme von Glukose und Aminosäuren im Inneren. Im Gegenteil, bei der Übertragung von Kaliumionen in die Zelle wird die Zahl der „Transporter“ von Zerfallsprodukten aus dem Inneren der Zelle in die äußere Umgebung wieder aufgefüllt.

Wie erfolgt die Zellernährung durch die Zellmembran?

Viele Zellen nehmen Stoffe durch Prozesse wie Phagozytose und Pinozytose auf. Bei der ersten Option erzeugt eine flexible Außenmembran eine kleine Vertiefung, in der das eingefangene Partikel landet. Der Durchmesser der Aussparung wird dann größer, bis das eingeschlossene Partikel in das Zytoplasma der Zelle gelangt. Durch die Phagozytose werden einige Protozoen, beispielsweise Amöben, sowie Blutzellen – Leukozyten und Phagozyten – ernährt. Ebenso nehmen Zellen Flüssigkeit auf, die die notwendigen Nährstoffe enthält. Dieses Phänomen wird Pinozytose genannt.

Die äußere Membran ist eng mit dem endoplasmatischen Retikulum der Zelle verbunden.

Viele Arten von Hauptgewebebestandteilen weisen Vorsprünge, Falten und Mikrovilli auf der Oberfläche der Membran auf. Pflanzenzellen an der Außenseite dieser Schale sind mit einer anderen, dicken und unter dem Mikroskop deutlich sichtbaren Hülle bedeckt. Die Fasern, aus denen sie bestehen, tragen dazu bei, Pflanzengewebe wie Holz zu stützen. Auch tierische Zellen verfügen über eine Reihe äußerer Strukturen, die auf der Zellmembran sitzen. Sie haben ausschließlich schützenden Charakter, ein Beispiel hierfür ist Chitin, das in den Hautzellen von Insekten enthalten ist.

Neben der Zellmembran gibt es eine intrazelluläre Membran. Seine Funktion besteht darin, die Zelle in mehrere spezialisierte geschlossene Kompartimente – Kompartimente oder Organellen – zu unterteilen, in denen eine bestimmte Umgebung aufrechterhalten werden muss.

Daher kann die Rolle eines solchen Bestandteils der Grundeinheit eines lebenden Organismus wie der Zellmembran nicht überschätzt werden. Struktur und Funktionen lassen auf eine deutliche Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Zelle und eine Verbesserung der Stoffwechselprozesse schließen. Diese molekulare Struktur besteht aus Proteinen und Lipiden. Die Membran trennt die Zelle von der äußeren Umgebung und gewährleistet ihre Integrität. Mit seiner Hilfe werden die interzellulären Verbindungen auf einem ziemlich starken Niveau aufrechterhalten und Gewebe bilden. In diesem Zusammenhang können wir den Schluss ziehen, dass die Zellmembran eine der wichtigsten Rollen in der Zelle spielt. Die Struktur und die von ihr ausgeführten Funktionen unterscheiden sich in den verschiedenen Zellen je nach Zweck radikal. Durch diese Merkmale werden vielfältige physiologische Aktivitäten der Zellmembranen und ihre Rolle bei der Existenz von Zellen und Geweben erreicht.

Membranen sind äußerst viskose und zugleich plastische Gebilde, die alle lebenden Zellen umgeben. Funktionen Zellmembranen:

1. Die Plasmamembran ist eine Barriere, die die unterschiedliche Zusammensetzung der extra- und intrazellulären Umgebung aufrechterhält.

2. Membranen bilden spezielle Kompartimente innerhalb der Zelle, d. h. zahlreiche Organellen – Mitochondrien, Lysosomen, Golgi-Komplex, endoplasmatisches Retikulum, Kernmembranen.

3. Enzyme, die an der Energieumwandlung in Prozessen wie der oxidativen Phosphorylierung und der Photosynthese beteiligt sind, sind in den Membranen lokalisiert.

Struktur und Zusammensetzung von Membranen

Die Basis der Membran ist eine doppelte Lipidschicht, an deren Bildung Phospholipide und Glykolipide beteiligt sind. Die Lipiddoppelschicht besteht aus zwei Lipidreihen, deren hydrophobe Reste im Inneren verborgen sind und deren hydrophile Gruppen nach außen zeigen und in Kontakt mit der wässrigen Umgebung stehen. In der Lipiddoppelschicht sind Proteinmoleküle sozusagen „aufgelöst“.

Struktur von Membranlipiden

Membranlipide sind amphiphile Moleküle, weil Das Molekül verfügt sowohl über einen hydrophilen Bereich (Polköpfe) als auch über einen hydrophoben Bereich, dargestellt durch Kohlenwasserstoffreste von Fettsäuren, die spontan eine Doppelschicht bilden. Membranen enthalten drei Haupttypen von Lipiden – Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin.

Die Lipidzusammensetzung ist unterschiedlich. Der Gehalt eines bestimmten Lipids wird offenbar durch die Vielfalt der Funktionen bestimmt, die diese Lipide in Membranen ausüben.

Phospholipide. Alle Phospholipide können in zwei Gruppen eingeteilt werden – Glycerophospholipide und Sphingophospholipide. Glycerophospholipide werden als Phosphatidsäurederivate klassifiziert. Die häufigsten Glycerophospholipide sind Phosphatidylcholine und Phosphatidylethanolamine. Sphingophospholipide basieren auf dem Aminoalkohol Sphingosin.

Glykolipide. Bei Glykolipiden wird der hydrophobe Teil durch den Alkohol Ceramid und der hydrophile Teil durch einen Kohlenhydratrest repräsentiert. Je nach Länge und Struktur des Kohlenhydratanteils werden Cerebroside und Ganglioside unterschieden. Die polaren „Köpfe“ der Glykolipide befinden sich auf der Außenfläche der Plasmamembranen.

Cholesterin (CS). CS ist in allen Membranen tierischer Zellen vorhanden. Sein Molekül besteht aus einem starren hydrophoben Kern und einer flexiblen Kohlenwasserstoffkette. Die einzelne Hydroxylgruppe an der 3-Position ist der „Polkopf“. Für eine tierische Zelle beträgt das durchschnittliche Molverhältnis von Cholesterin/Phospholipiden 0,3–0,4, in der Plasmamembran ist dieses Verhältnis jedoch viel höher (0,8–0,9). Das Vorhandensein von Cholesterin in Membranen verringert die Mobilität von Fettsäuren, verringert die seitliche Diffusion von Lipiden und kann daher die Funktionen von Membranproteinen beeinträchtigen.

Membraneigenschaften:

1. Selektive Permeabilität. Die geschlossene Doppelschicht sorgt für eine der Haupteigenschaften der Membran: Sie ist für die meisten wasserlöslichen Moleküle undurchlässig, da sie sich nicht in ihrem hydrophoben Kern auflösen. Gase wie Sauerstoff, CO 2 und Stickstoff können aufgrund der geringen Größe ihrer Moleküle und der schwachen Wechselwirkung mit Lösungsmitteln leicht in Zellen eindringen. Auch Moleküle mit Lipidcharakter, etwa Steroidhormone, dringen leicht in die Doppelschicht ein.

2. Liquidität. Membranen zeichnen sich durch Liquidität (Fluidität) aus, die Fähigkeit von Lipiden und Proteinen, sich zu bewegen. Zwei Arten von Phospholipidbewegungen sind möglich: Salto (in der wissenschaftlichen Literatur „Flip-Flop“ genannt) und seitliche Diffusion. Im ersten Fall drehen sich in der bimolekularen Schicht einander gegenüberliegende Phospholipidmoleküle um (oder schlagen einen Salto) aufeinander zu und tauschen ihren Platz in der Membran, d.h. Das Äußere wird zum Inneren und umgekehrt. Solche Sprünge sind mit dem Energieverbrauch verbunden. Häufiger werden Drehungen um die Achse (Rotation) und seitliche Diffusion beobachtet – Bewegung innerhalb der Schicht parallel zur Membranoberfläche. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle hängt von der Mikroviskosität der Membranen ab, die wiederum durch den relativen Gehalt an gesättigten und ungesättigten Fettsäuren in der Lipidzusammensetzung bestimmt wird. Die Mikroviskosität ist niedriger, wenn ungesättigte Fettsäuren in der Lipidzusammensetzung überwiegen, und höher, wenn der Gehalt an gesättigten Fettsäuren hoch ist.

3. Membranasymmetrie. Die Oberflächen derselben Membran unterscheiden sich in der Zusammensetzung von Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten (Querasymmetrie). Beispielsweise überwiegen in der äußeren Schicht Phosphatidylcholine und in der inneren Schicht Phosphatidylethanolamine und Phosphatidylserine. Die Kohlenhydratkomponenten der Glykoproteine ​​und Glykolipide gelangen an die äußere Oberfläche und bilden eine kontinuierliche Struktur, die Glykokalyx genannt wird. Auf der inneren Oberfläche befinden sich keine Kohlenhydrate. Proteine ​​– Hormonrezeptoren – befinden sich auf der Außenfläche der Plasmamembran und die von ihnen regulierten Enzyme – Adenylatcyclase, Phospholipase C – auf der Innenfläche usw.

Membranproteine

Membranphospholipide fungieren als Lösungsmittel für Membranproteine ​​und schaffen eine Mikroumgebung, in der diese funktionieren können. Proteine ​​machen 30 bis 70 % der Membranmasse aus. Die Anzahl der verschiedenen Proteine ​​in der Membran variiert zwischen 6 und 8 im sarkoplasmatischen Retikulum und über 100 in der Plasmamembran. Dies sind Enzyme, Transportproteine, Strukturproteine, Antigene, einschließlich Antigene des Haupthistokompatibilitätssystems, Rezeptoren für verschiedene Moleküle.

Basierend auf ihrer Lokalisierung in der Membran werden Proteine ​​in integrale (teilweise oder vollständig in die Membran eingetauchte) und periphere (auf ihrer Oberfläche befindliche) Proteine ​​unterteilt. Einige integrale Proteine ​​passieren die Membran einmal (Glycophorin), andere mehrmals. Beispielsweise durchqueren der retinale Photorezeptor und der β 2 -adrenerge Rezeptor die Doppelschicht siebenmal.

Periphere Proteine ​​und Domänen integraler Proteine, die sich auf der Außenfläche aller Membranen befinden, sind fast immer glykosyliert. Oligosaccharidreste schützen das Protein vor Proteolyse und sind auch an der Ligandenerkennung oder -adhäsion beteiligt.

Im Jahr 1972 wurde die Theorie aufgestellt, dass eine teilweise durchlässige Membran die Zelle umgibt und eine Reihe lebenswichtiger Aufgaben erfüllt, und dass die Struktur und Funktion der Zellmembranen wichtige Aspekte für das ordnungsgemäße Funktionieren aller Zellen im Körper sind. verbreitete sich im 17. Jahrhundert zusammen mit der Erfindung des Mikroskops. Es wurde bekannt, dass pflanzliches und tierisches Gewebe aus Zellen besteht. Aufgrund der geringen Auflösung des Geräts war es jedoch unmöglich, Barrieren um die tierische Zelle herum zu erkennen. Im 20. Jahrhundert wurde die chemische Natur der Membran genauer untersucht und es wurde festgestellt, dass sie auf Lipiden basiert.

Struktur und Funktionen von Zellmembranen

Die Zellmembran umgibt das Zytoplasma lebender Zellen und trennt intrazelluläre Komponenten physikalisch von der äußeren Umgebung. Auch Pilze, Bakterien und Pflanzen verfügen über Zellwände, die Schutz bieten und den Durchgang großer Moleküle verhindern. Zellmembranen spielen auch eine Rolle bei der Bildung des Zytoskeletts und der Anlagerung anderer lebenswichtiger Partikel an die extrazelluläre Matrix. Dies ist notwendig, um sie zusammenzuhalten und die Gewebe und Organe des Körpers zu bilden. Zu den Merkmalen der Struktur der Zellmembran gehört die Permeabilität. Die Hauptfunktion ist der Schutz. Die Membran besteht aus einer Phospholipidschicht mit eingebetteten Proteinen. Dieser Teil ist an Prozessen wie Zelladhäsion, Ionenleitung und Signalsystemen beteiligt und dient als Befestigungsoberfläche für mehrere extrazelluläre Strukturen, einschließlich der Wand, der Glykokalyx und des inneren Zytoskeletts. Die Membran erhält auch das Zellpotential aufrecht, indem sie als selektiver Filter fungiert. Es ist selektiv für Ionen und organische Moleküle durchlässig und kontrolliert die Bewegung von Partikeln.

Biologische Mechanismen, an denen die Zellmembran beteiligt ist

1. Passive Diffusion: Einige Stoffe (kleine Moleküle, Ionen), wie zum Beispiel Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2), können durch Diffusion die Plasmamembran durchdringen. Die Hülle fungiert als Barriere für bestimmte Moleküle und Ionen, sie können sich auf beiden Seiten konzentrieren.

2. Transmembrankanal und Transportprotein: Nährstoffe wie Glukose oder Aminosäuren müssen in die Zelle gelangen und einige Stoffwechselprodukte müssen die Zelle verlassen.

3. Endozytose ist der Prozess, bei dem Moleküle aufgenommen werden. Es entsteht eine leichte Verformung (Invagination) der Plasmamembran, in der der zu transportierende Stoff aufgenommen wird. Dies erfordert Energie und ist somit eine Form des aktiven Transports.

4. Exozytose: Tritt in verschiedenen Zellen auf, um unverdaute Reste von Substanzen zu entfernen, die durch Endozytose dazu gebracht werden, Substanzen wie Hormone und Enzyme abzusondern und die Substanz vollständig durch die Zellbarriere zu transportieren.

Molekulare Struktur

Die Zellmembran ist eine biologische Membran, die hauptsächlich aus Phospholipiden besteht und den Inhalt der gesamten Zelle von der äußeren Umgebung trennt. Der Bildungsprozess erfolgt unter normalen Bedingungen spontan. Um diesen Prozess zu verstehen und die Struktur und Funktionen von Zellmembranen sowie deren Eigenschaften richtig zu beschreiben, ist es notwendig, die Natur der Phospholipidstrukturen zu bewerten, die durch strukturelle Polarisierung gekennzeichnet sind. Wenn Phospholipide in der wässrigen Umgebung des Zytoplasmas eine kritische Konzentration erreichen, verbinden sie sich zu Mizellen, die in der wässrigen Umgebung stabiler sind.

Membraneigenschaften

• Stabilität. Dies bedeutet, dass ein Zerfall der Membran nach ihrer Bildung unwahrscheinlich ist.
• Stärke. Die Lipidhülle ist zuverlässig genug, um den Durchgang einer polaren Substanz zu verhindern; sowohl gelöste Stoffe (Ionen, Glucose, Aminosäuren) als auch viel größere Moleküle (Proteine) können die gebildete Grenze nicht passieren.
• Dynamischer Charakter. Dies ist vielleicht die wichtigste Eigenschaft, wenn man die Struktur der Zelle betrachtet. Die Zellmembran kann verschiedene Verformungen erfahren, sich falten und biegen, ohne zerstört zu werden. Unter besonderen Umständen, beispielsweise während der Vesikelfusion oder der Knospung, kann es nur vorübergehend gestört sein. Bei Raumtemperatur befinden sich seine Lipidbestandteile in ständiger, chaotischer Bewegung und bilden eine stabile Flüssigkeitsgrenze.

Flüssiges Mosaikmodell

Wenn man über die Struktur und Funktionen von Zellmembranen spricht, ist es wichtig anzumerken, dass im modernen Konzept die Membran 1972 von den Wissenschaftlern Singer und Nicholson als Modell eines flüssigen Mosaiks betrachtet wurde. Ihre Theorie spiegelt drei Hauptmerkmale der Membranstruktur wider. Integrale fördern ein Mosaikmuster für die Membran und sind aufgrund der variablen Natur der Lipidorganisation zu seitlichen Bewegungen in der Ebene fähig. Auch Transmembranproteine ​​sind potenziell mobil. Ein wichtiges Merkmal der Membranstruktur ist ihre Asymmetrie. Wie ist die Struktur einer Zelle? Zellmembran, Zellkern, Proteine ​​und so weiter. Die Zelle ist die Grundeinheit des Lebens, und alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen, von denen jede durch eine natürliche Barriere von ihrer Umgebung getrennt ist. Diese äußere Grenze der Zelle wird auch Plasmamembran genannt. Es besteht aus vier verschiedenen Arten von Molekülen: Phospholipiden, Cholesterin, Proteinen und Kohlenhydraten. Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt den Aufbau der Zellmembran wie folgt: flexibel und elastisch, mit einer Konsistenz ähnlich der von Pflanzenöl, sodass alle einzelnen Moleküle einfach in einem flüssigen Medium schwimmen und sich alle innerhalb dieser Membran seitlich bewegen können. Ein Mosaik besteht aus vielen verschiedenen Teilen. In der Plasmamembran wird es durch Phospholipide, Cholesterinmoleküle, Proteine ​​und Kohlenhydrate repräsentiert.

Phospholipide

Phospholipide bilden die Hauptstruktur der Zellmembran. Diese Moleküle haben zwei verschiedene Enden: einen Kopf und einen Schwanz. Das Kopfende enthält eine Phosphatgruppe und ist hydrophil. Das bedeutet, dass es von Wassermolekülen angezogen wird. Der Schwanz besteht aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen, sogenannten Fettsäureketten. Diese Ketten sind hydrophob; sie vermischen sich nicht gerne mit Wassermolekülen. Dieser Vorgang ähnelt dem, wenn man Pflanzenöl in Wasser gießt, d. h. es löst sich darin nicht auf. Die Strukturmerkmale der Zellmembran hängen mit der sogenannten Lipiddoppelschicht zusammen, die aus Phospholipiden besteht. Hydrophile Phosphatköpfe befinden sich immer dort, wo Wasser in Form von intrazellulärer und extrazellulärer Flüssigkeit vorhanden ist. Die hydrophoben Enden der Phospholipide in der Membran sind so organisiert, dass sie sie vom Wasser fernhalten.

Cholesterin, Proteine ​​und Kohlenhydrate

Wenn Menschen das Wort Cholesterin hören, denken sie normalerweise, dass es schlecht ist. Tatsächlich ist Cholesterin jedoch ein sehr wichtiger Bestandteil der Zellmembranen. Seine Moleküle bestehen aus vier Wasserstoffringen und Kohlenstoffatomen. Sie sind hydrophob und kommen zwischen den hydrophoben Enden der Lipiddoppelschicht vor. Ihre Bedeutung liegt in der Aufrechterhaltung der Konsistenz, sie stärken die Membranen und verhindern ein Kreuzen. Cholesterinmoleküle verhindern außerdem, dass die Phospholipidschwänze in Kontakt kommen und verhärten. Dies sorgt für Flüssigkeit und Flexibilität. Membranproteine ​​fungieren als Enzyme, um chemische Reaktionen zu beschleunigen, als Rezeptoren für bestimmte Moleküle zu fungieren oder Substanzen durch die Zellmembran zu transportieren.

Kohlenhydrate oder Saccharide kommen nur auf der extrazellulären Seite der Zellmembran vor. Zusammen bilden sie die Glykokalyx. Es bietet Polsterung und Schutz für die Plasmamembran. Anhand der Struktur und Art der Kohlenhydrate in der Glykokalyx kann der Körper Zellen erkennen und feststellen, ob sie dort sein sollten oder nicht.

Membranproteine

Der Aufbau einer Zellmembran ist ohne einen so wichtigen Bestandteil wie Protein nicht vorstellbar. Trotzdem können sie deutlich kleiner sein als ein anderer wichtiger Bestandteil – Lipide. Es gibt drei Arten wichtiger Membranproteine.

• Integral. Sie bedecken die Doppelschicht, das Zytoplasma und die extrazelluläre Umgebung vollständig. Sie erfüllen Transport- und Signalfunktionen.
• Peripherie. Proteine ​​werden durch elektrostatische oder Wasserstoffbrückenbindungen an ihren zytoplasmatischen oder extrazellulären Oberflächen an die Membran gebunden. Sie dienen hauptsächlich der Bindung integraler Proteine.
• Transmembran. Sie erfüllen enzymatische und signalisierende Funktionen und modulieren außerdem die Grundstruktur der Lipiddoppelschicht der Membran.

Funktionen biologischer Membranen

Der hydrophobe Effekt, der das Verhalten von Kohlenwasserstoffen im Wasser reguliert, steuert die von Membranlipiden und Membranproteinen gebildeten Strukturen. Viele Membraneigenschaften werden durch die Trägerlipiddoppelschichten verliehen, die die Grundstruktur aller biologischen Membranen bilden. Integrale Membranproteine ​​sind teilweise in der Lipiddoppelschicht verborgen. Transmembranproteine ​​weisen in ihrer Primärsequenz eine spezielle Organisation von Aminosäuren auf.

Periphere Membranproteine ​​ähneln löslichen Proteinen sehr, sind aber ebenfalls membrangebunden. Spezialisierte Zellmembranen haben spezielle Zellfunktionen. Welchen Einfluss haben Struktur und Funktion von Zellmembranen auf den Körper? Die Funktionalität des gesamten Organismus hängt davon ab, wie biologische Membranen aufgebaut sind. Aus intrazellulären Organellen, extrazellulären und interzellulären Interaktionen von Membranen entstehen Strukturen, die für die Organisation und Ausführung biologischer Funktionen notwendig sind. Viele strukturelle und funktionelle Merkmale sind Bakterien und behüllten Viren gemeinsam. Alle biologischen Membranen sind auf einer Lipiddoppelschicht aufgebaut, was zu einer Reihe gemeinsamer Eigenschaften führt. Membranproteine ​​haben viele spezifische Funktionen.

• Kontrollieren. Plasmamembranen von Zellen bestimmen die Grenzen der Interaktion zwischen der Zelle und der Umwelt.
• Transport. Die intrazellulären Membranen von Zellen sind in mehrere Funktionseinheiten mit unterschiedlicher innerer Zusammensetzung unterteilt, die jeweils über die notwendige Transportfunktion in Kombination mit der Permeabilitätskontrolle verfügen.
• Signaltransduktion. Die Membranfusion stellt einen Mechanismus für die intrazelluläre vesikuläre Signalübertragung dar und verhindert, dass verschiedene Arten von Viren frei in die Zelle eindringen.

Bedeutung und Schlussfolgerungen

Der Aufbau der äußeren Zellmembran beeinflusst den gesamten Körper. Es spielt eine wichtige Rolle beim Schutz der Integrität, indem es nur ausgewählte Substanzen eindringen lässt. Es ist auch eine gute Basis für die Befestigung des Zytoskeletts und der Zellwand, was zur Aufrechterhaltung der Zellform beiträgt. Lipide machen etwa 50 % der Membranmasse der meisten Zellen aus, wobei dies je nach Membrantyp unterschiedlich ausfällt. Die Struktur der äußeren Zellmembran von Säugetieren ist komplexer und enthält vier Hauptphospholipide. Eine wichtige Eigenschaft von Lipiddoppelschichten besteht darin, dass sie sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten, in denen einzelne Moleküle frei rotieren und seitlich bewegen können. Diese Fließfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft von Membranen, die abhängig von der Temperatur und der Lipidzusammensetzung bestimmt wird. Aufgrund seiner Kohlenwasserstoffringstruktur spielt Cholesterin eine Rolle bei der Bestimmung der Membranflüssigkeit. Biologische Membranen für kleine Moleküle ermöglichen es der Zelle, ihre innere Struktur zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten.

Betrachtet man die Struktur der Zelle (Zellmembran, Zellkern usw.), können wir den Schluss ziehen, dass der Körper ein selbstregulierendes System ist, das sich ohne fremde Hilfe nicht selbst schaden kann und immer nach Wegen zur Wiederherstellung, zum Schutz und zur ordnungsgemäßen Wiederherstellung sucht Funktion jeder Zelle.

Die Membran ist eine ultrafeine Struktur, die die Oberflächen von Organellen und der Zelle als Ganzes bildet. Alle Membranen haben einen ähnlichen Aufbau und sind zu einem System verbunden.

Chemische Zusammensetzung

Zellmembranen sind chemisch homogen und bestehen aus Proteinen und Lipiden verschiedener Gruppen:

• Phospholipide;
• Galactolipide;
• Sulfolipide.

Sie enthalten auch Nukleinsäuren, Polysaccharide und andere Substanzen.

Physikalische Eigenschaften

Bei normalen Temperaturen befinden sich die Membranen in einem flüssigkristallinen Zustand und schwanken ständig. Ihre Viskosität kommt der von Pflanzenöl nahe.

Die Membran ist regenerierbar, langlebig, elastisch und porös. Die Membrandicke beträgt 7 - 14 nm.

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Die Membran ist für große Moleküle undurchlässig. Kleine Moleküle und Ionen können unter dem Einfluss von Konzentrationsunterschieden auf verschiedenen Seiten der Membran sowie mit Hilfe von Transportproteinen durch die Poren und die Membran selbst gelangen.

Modell

Typischerweise wird die Struktur von Membranen mithilfe eines Fluidmosaikmodells beschrieben. Die Membran hat ein Gerüst – zwei Reihen von Lipidmolekülen, die wie Ziegelsteine ​​dicht aneinander liegen.

Reis. 1. Biologische Membran vom Sandwich-Typ.

Auf beiden Seiten ist die Lipidoberfläche mit Proteinen bedeckt. Das Mosaikmuster wird durch ungleichmäßig auf der Membranoberfläche verteilte Proteinmoleküle gebildet.

Je nach Eintauchgrad in die Bilipidschicht werden Proteinmoleküle unterteilt drei Gruppen:

• Transmembran;
• untergetaucht;
• oberflächlich.

Proteine ​​sorgen für die Haupteigenschaft der Membran – ihre selektive Durchlässigkeit für verschiedene Substanzen.

Membrantypen

Alle Zellmembranen können je nach Lokalisation unterteilt werden die folgenden Typen:

• extern;
• nuklear;
• Organellenmembranen.

Die äußere Zytoplasmamembran oder Plasmolemma ist die Grenze der Zelle. Durch die Verbindung mit den Elementen des Zytoskeletts behält es seine Form und Größe bei.

Reis. 2. Zytoskelett.

Die Kernmembran oder Karyolemma ist die Grenze des Kerninhalts. Es besteht aus zwei Membranen, die der äußeren sehr ähnlich sind. Die äußere Membran des Zellkerns ist mit den Membranen des endoplasmatischen Retikulums (ER) und über Poren mit der inneren Membran verbunden.

ER-Membranen durchdringen das gesamte Zytoplasma und bilden Oberflächen, auf denen die Synthese verschiedener Substanzen, einschließlich Membranproteinen, stattfindet.

Organellenmembranen

Die meisten Organellen haben eine Membranstruktur.

Die Wände bestehen aus einer Membran:

• Golgi-Komplex;
• Vakuolen;
• Lysosomen

Plastiden und Mitochondrien bestehen aus zwei Membranschichten. Ihre äußere Membran ist glatt und die innere weist viele Falten auf.

Merkmale der photosynthetischen Membranen von Chloroplasten sind eingebaute Chlorophyllmoleküle.

Tierische Zellen haben auf der Oberfläche ihrer Außenmembran eine Kohlenhydratschicht, die Glykokalyx genannt wird.

Reis. 3. Glykokalyx.

Die Glykokalyx ist am stärksten in den Zellen des Darmepithels entwickelt, wo sie Bedingungen für die Verdauung schafft und das Plasmalemma schützt.

Tabelle „Aufbau der Zellmembran“

Was haben wir gelernt?

Wir haben uns den Aufbau und die Funktionen der Zellmembran angesehen. Die Membran ist eine selektive (selektive) Barriere der Zelle, des Zellkerns und der Organellen. Der Aufbau der Zellmembran wird durch das Fluidmosaikmodell beschrieben. Nach diesem Modell werden Proteinmoleküle in die Doppelschicht aus viskosen Lipiden eingebaut.

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