Anatomie und Physiologie I

Membranlipide

Die Zellmembran ist eine dynamische Struktur aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten. Es schützt die Zelle, indem es verhindert, dass Materialien austreten, kontrolliert, was durch die Membran eindringen oder austreten kann, bietet eine Bindungsstelle für Hormone und andere Chemikalien und dient als Identifikationskarte für das Immunsystem, um zwischen „Selbst“-und „Nicht-Selbst“ – Zellen zu unterscheiden., Wir werden zunächst die Anatomie der Zellmembran untersuchen und dann die Physiologie des Membrantransports untersuchen.

Die Phospholipid-Doppelschicht ist das Hauptgewebe der Membran. Die Struktur der Doppelschicht bewirkt, dass die Membran halbdurchlässig ist. Denken Sie daran, dass Phospholipidmoleküle amphiphil sind, was bedeutet, dass sie sowohl eine unpolare als auch eine polare Region enthalten. Phospholipide haben einen polaren Kopf (er enthält eine geladene Phosphatgruppe) mit zwei unpolaren hydrophoben Fettsäureschwänzen., Die Schwänze der Phospholipide stehen sich im Kern der Membran gegenüber, während jeder polare Kopf außen und innerhalb der Zelle liegt. Mit den polaren Köpfen, die zu den äußeren und inneren Seiten der Membran ausgerichtet sind, ziehen andere polare Moleküle zur Zellmembran. Der hydrophobe Kern blockiert die diffusion von hydrophilen Ionen und polaren Molekülen. Kleine hydrophobe Moleküle und Gase, die sich im Membrankern auflösen können, kreuzen es mit Leichtigkeit.

Andere Moleküle benötigen Proteine, um sie über die Membran zu transportieren., Proteine bestimmen die meisten spezifischen Funktionen der Membran. Die Plasmamembran und die Membranen der verschiedenen Organellen haben jeweils einzigartige Proteinsammlungen. Zum Beispiel wurden bisher mehr als 50 Arten von Proteinen in der Plasmamembran roter Blutkörperchen gefunden.

Bedeutung der Phospholipidmembranstruktur

Was ist wichtig an der Struktur einer Phospholipidmembran? Erstens ist es flüssig. Dadurch können Zellen ihre Form ändern und Wachstum und Bewegung ermöglichen., Die Fließfähigkeit der Membran wird durch die Arten von Phospholipiden und das Vorhandensein von Cholesterin reguliert. Zweitens ist die Phospholipidmembran selektiv durchlässig.

Die Fähigkeit eines Moleküls, die Membran zu passieren, hängt von ihrer Polarität und in gewissem Maße von ihrer Größe ab. Viele unpolare Moleküle wie Sauerstoff, Kohlendioxid und kleine Kohlenwasserstoffe können leicht durch Zellmembranen fließen. Diese Eigenschaft von Membranen ist sehr wichtig, da Hämoglobin, das Protein, das Sauerstoff in unserem Blut trägt, in roten Blutkörperchen enthalten ist., Sauerstoff muss in der Lage sein, die Membran frei zu überqueren, damit Hämoglobin vollständig mit Sauerstoff in unserer Lunge beladen und effektiv an unser Gewebe abgegeben werden kann. Die meisten polaren Substanzen werden durch eine Zellmembran gestoppt, außer vielleicht für kleine polare Verbindungen wie die Kohlenstoffalkohol, Methanol. Glukose ist zu groß, um ungehindert durch die Membran zu gelangen, und ein spezielles Transporterprotein transportiert sie hindurch. Eine Art von Diabetes wird durch Fehlregulation des Glukosetransporters verursacht. Dies verringert die Fähigkeit von Glukose, in die Zelle einzudringen, und führt zu hohen Blutzuckerspiegeln., Geladene Ionen, wie Natrium (Na+) oder Kalium (K+) Ionen gehen selten durch eine Membran, folglich benötigen sie auch spezielle Transportermoleküle, um durch die Membran zu gelangen. Die Unfähigkeit von Na+ und K+, die Membran zu passieren, ermöglicht es der Zelle, die Konzentrationen dieser Ionen innerhalb oder außerhalb der Zelle zu regulieren. Die Leitung elektrischer Signale in Ihren Neuronen basiert auf der Fähigkeit der Zellen, Na+ – und K+ – Pegel zu steuern.

Selektiv durchlässige Membranen ermöglichen es den Zellen, die Chemie des Zytoplasmas von der der äußeren Umgebung zu unterscheiden., Es ermöglicht ihnen auch, chemisch einzigartige Bedingungen in ihren Organellen zu erhalten.

Fluidität der Zellmembranen

Die Zellmembran ist keine statische Struktur. Es ist eine dynamische Struktur, die die Bewegung von Phospholipiden und Proteinen ermöglicht. Fluidität ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Leichtigkeit der Bewegung von Molekülen in der Membran zu beschreiben und ist ein wichtiges Merkmal für die Zellfunktion. Die Fließfähigkeit ist abhängig von der Temperatur (erhöhte Temperaturen machen es flüssiger und verringerte Temperaturen machen es fester), gesättigten Fettsäuren und ungesättigten Fettsäuren., Gesättigte Fettsäuren machen die Membran weniger flüssig, während ungesättigte Fettsäuren sie flüssiger machen. Das richtige Verhältnis von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren hält die Membranflüssigkeit bei jeder Temperatur, die dem Leben förderlich ist. Beispielsweise reagiert Winterweizen auf sinkende Temperaturen, indem er die Menge an ungesättigten Fettsäuren in Zellmembranen erhöht, um zu verhindern, dass die Zellmembran in der Kälte zu fest wird. In tierischen Zellen hilft Cholesterin, die Verpackung von Fettsäureschwänzen zu verhindern und senkt so den Bedarf an ungesättigten Fettsäuren., Dies hilft, die Flüssigkeitsnatur der Zellmembran aufrechtzuerhalten, ohne dass sie bei Körpertemperatur zu flüssig wird.

Membranproteine

– Membranen enthalten auch Proteine, die viele Funktionen der Membran. Einige Funktionen von Membranproteinen sind:

• Transport. Da die Plasmamembran nur halbdurchlässig ist, benötigt die Zelle eine Möglichkeit, größere Materialien in die und aus der Zelle zu transportieren.
• Kommunikation. Da die Plasmamembran die Grenze der Zelle ist, kommuniziert die Zelle hier mit ihrer Umgebung., Membranproteine können Signale von außerhalb der Zelle empfangen und eine Kette von Ereignissen beginnen, die dazu führen, dass die Zelle auf diese Signale reagiert.
• Stoffwechsel. Membranproteine können Enzyme sein, die an den chemischen Reaktionen des Stoffwechsels beteiligt sind. Dies sind die Prozesse, die es der Zelle ermöglichen, zu wachsen, Energie zu gewinnen und Abfälle zu beseitigen.
• Haftung. Membranproteine helfen Zellen, sich aneinander zu binden und Gewebe zu bilden. Ein Beispiel hierfür sind Hautzellen, die eine dichte Oberfläche bilden müssen, wenn die Haut die ordnungsgemäße Integrität aufrechterhalten soll., Membranproteine binden auch an Moleküle innerhalb und außerhalb der Zelle, die der Zelle helfen, ihre Struktur beizubehalten.

Membranproteine werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: integrale Proteine und periphere Proteine. Integrale Membranproteine sind jene Proteine, die in die Lipiddoppelschicht eingebettet sind und sich im Allgemeinen durch ihre Löslichkeit in unpolaren, hydrophoben Lösungsmitteln auszeichnen. Transmembranproteine sind Beispiele für integrale Proteine mit hydrophoben Regionen, die das hydrophobe Innere der Membran vollständig überspannen., Die Teile des Proteins, die dem Inneren und Äußeren der Zelle ausgesetzt sind, sind hydrophil. Integrale Proteine können als Poren dienen, die selektiv Ionen oder Nährstoffe und Abfälle in oder aus der Zelle zulassen. Sie können auch Signale über die Membran übertragen.

Im Gegensatz zu integralen Proteinen, die die Membran überspannen, befinden sich periphere Proteine nur auf einer Seite der Membran und sind oft an integrale Proteine gebunden. Einige periphere Proteine dienen als Ankerpunkte für das Zytoskelett oder extrazelluläre Fasern. Proteine sind viel größer als Lipide und bewegen sich langsamer., Einige bewegen sich scheinbar gerichtet, während andere driften. Einige sind Glykoproteine, die eine Kohlenhydratgruppe haben, die an das Protein gebunden ist. Diese befinden sich an der Außenseite der Membran und sind wichtig für die Zellerkennung, sie funktionieren wie eine zelluläre Identifikationskarte.

Membran Kohlenhydrate

Die extrazelluläre Oberfläche der Zellmembran ist mit Kohlenhydratgruppen verziert, die an Lipide und Proteine gebunden sind. Kohlenhydrate werden Lipiden und Proteinen durch einen Prozess zugesetzt, der Glykosylierung genannt wird, und werden Glycolipide oder Glykoproteine genannt., Diese kurzen Kohlenhydrate oder Oligosaccharide sind normalerweise Ketten von 15 oder weniger Zuckermolekülen. Oligosaccharide geben eine Zellidentität (d. H. Unterscheidung von „Selbst“ von „nicht selbst“) und sind der Unterscheidungsfaktor für menschliche Blutgruppen und Transplantatabstoßung.

Membranen sind asymmetrisch

Wie oben besprochen und im Bild zu sehen, ist die Zellmembran asymmetrisch. Die extrazelluläre Fläche der Membran steht in Kontakt mit der extrazellulären Matrix. Die extrazelluläre Seite der Membran enthält Oligosaccharide, die die Zelle als „Selbst“ unterscheiden.,“Es enthält auch das Ende integraler Proteine, die mit Signalen anderer Zellen interagieren und die extrazelluläre Umgebung spüren. Die innere Membran steht in Kontakt mit dem Inhalt der Zelle. Diese Seite der Membran verankert sich im Zytoskelett und enthält das Ende integraler Proteine, die auf der Außenseite empfangene Signale weiterleiten.

Zusammenfassung: Membranen als Mosaike von Struktur und Funktion

Die biologische Membran ist eine Collage aus vielen verschiedenen Proteinen, die in die Flüssigkeitsmatrix der Lipiddoppelschicht eingebettet sind., Die Lipiddoppelschicht ist das Hauptgewebe der Membran und ihre Struktur bildet eine semipermeable Membran. Der hydrophobe Kern behindert die Diffusion hydrophiler Strukturen wie Ionen und polarer Moleküle, ermöglicht es jedoch, hydrophobe Moleküle, die sich in der Membran auflösen können, mit Leichtigkeit zu durchqueren.