Die Zellmembran und der Stofftransport

Die Zellmembran ist nur etwa 5 bis 10 nm dick, entscheidet aber, was in die Zelle hinein- und aus ihr herausgelangt.

Eine Wand aus Öl und Protein

Tropf etwas Öl auf Wasser, und es vermischt sich nicht. Die Zellmembran ist nach derselben Idee gebaut. Sie ist eine Phospholipid-Doppelschicht: zwei Lagen Phospholipidmoleküle, jedes mit einem wasserliebenden Kopf, der Phosphat enthält, und zwei wassermeidenden Fettsäureschwänzen. Die Köpfe zeigen zur wässrigen Flüssigkeit innerhalb und außerhalb der Zelle, die Schwänze verstecken sich in der Mitte. In dieser öligen Schicht sitzen Proteine, manche reichen ganz hindurch, und in Tierzellen ist auch Cholesterin beigemischt. Kohlenhydrate, die an Lipide und Proteine gebunden sind, bedecken die Außenseite und helfen der Zelle, Dinge zu erkennen und zu binden.

Selektive Permeabilität

Die Membran lässt manche Stoffe durch und hält andere zurück, deshalb nennt man sie selektiv permeabel. Kleine ungeladene Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid schlüpfen direkt durch die ölige Mitte. Ebenso fettlösliche Stoffe wie die Vitamine A, D, E und K. Geladene Teilchen wie Natrium-, Kalium-, Calcium- und Chlorid-Ionen können den öligen Kern nicht allein durchqueren, und Zucker und Aminosäuren auch nicht. Sie brauchen die Hilfe von Proteinen.

Bergab: passiver Transport

Öffnet man in einem Zimmer eine Flasche Parfüm, breitet sich der Duft aus, bis er überall ist. Das ist Diffusion: Moleküle bewegen sich von dort, wo sie stärker konzentriert sind, dorthin, wo sie schwächer konzentriert sind, und das kostet keine Energie. Diffusion ist schneller, wenn der Konzentrationsunterschied größer ist, wenn die Temperatur höher ist, wenn die Moleküle leichter sind und wenn die Strecke kurz ist. Im Inneren einer Zelle verteilt Diffusion Stoffe im Cytosol.

Bei der erleichterten Diffusion bewegen sich Stoffe ebenfalls entlang ihres Gefälles, aber durch Proteine. Kanalproteine bilden einen mit Wasser gefüllten Tunnel für eine Art Ion oder für Wasser; die Wasserkanäle heißen Aquaporine. Carrierproteine (Transportproteine) packen ein Molekül, ändern ihre Form und geben es auf der anderen Seite wieder frei. Kanäle sind viel schneller: zig Millionen Moleküle pro Sekunde, gegenüber etwa tausend bis einer Million bei Carriern.

Osmose: Wasser in Bewegung

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine Membran, die die gelösten Stoffe zurückhält. Wasser bewegt sich zu der Seite mit mehr gelösten Teilchen, weil diese Seite weniger freies Wasser hat. Hat die Flüssigkeit außerhalb einer Zelle weniger gelöste Teilchen als das Innere, ist sie hypoton, und Wasser strömt hinein. Ein rotes Blutkörperchen in reinem Wasser schwillt an und kann platzen. Hat die Außenseite mehr gelöste Teilchen, ist sie hyperton, und Wasser strömt hinaus; ein rotes Blutkörperchen schrumpft. In einer isotonen Flüssigkeit gibt es keinen Nettofluss. Eine Pflanzenzelle in Süßwasser platzt nicht, weil ihre Wand das verhindert. Das Wasser drückt gegen die Wand, und dieser Turgordruck hält die Pflanze fest. Ohne Wasser löst sich die Membran von der Wand, das nennt man Plasmolyse, und die Pflanze welkt. Das Modell der Pflanzenzelle unten zeigt die Vakuole, die dieses Wasser enthält.

Bergauf: aktiver Transport

Manchmal muss eine Zelle einen Stoff gegen sein Gefälle befördern, von niedriger zu hoher Konzentration. Das kostet Energie, meist aus ATP, und heißt aktiver Transport. Das bekannteste Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe. In jedem Durchgang befördert sie drei Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und zwei Kalium-Ionen hinein und verbraucht dabei ein ATP. So bleibt Natrium außen und Kalium innen hoch konzentriert, und das Zellinnere wird leicht negativ. Nerven- und Muskelzellen sind auf diesen Unterschied angewiesen. Die im Natriumgefälle gespeicherte Energie kann dann andere Stoffe wie Glucose und Aminosäuren in die Zelle ziehen, das nennt man sekundär aktiven Transport.