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Membranfluss in der Zelle

Die Membranen der Zelle dienen zur Abgrenzung der Zelle nach außen (Zellmembran) und zur Einteilung der Zelle in verschiedene Kompartimente (Reaktionsräume). Membranen verhindern also einen wahllosen Stofftransport in die Zelle hinein / hinaus bzw. in die Organellen hinein / hinaus.

Dennoch dürfen Membranen keine absoluten Diffusionsbarrieren sein, denn die Zelle benötigt wichtige Stoffe aus dem Außenmedium, beispielsweise Glucose oder Sauerstoff, und gibt andererseits Verbindungen an das Außenmedium ab, zum Beispiel Neurotransmitter wie Acetylcholin oder Hormone wie Insulin. Auch die Organellen stehen in einem ständigen Austausch mit dem Zellplasma; Stoffe werden in sie hinein transportiert, andere Stoffe aus ihnen heraus. Die Spaltprodukte der Glucose werden zum Beispiel in die Mitochondrien hinein transportiert, um dort weiter abgebaut zu werden (Citratzyklus, Atmungskette).

Mit diesen Transportvorgängen durch Membranen haben wir uns in dem letzten Abschnitt beschäftigt. Hier noch einmal eine kurze Übersicht:

Möglichkeiten des Transports von Stoffen durch eine Biomembran
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Neben diesen Transportmechanismen durch Membranen hindurch gibt es auch Transportmechanismen mit Hilfe von Membranen, die grundsätzlich in Endocytosen und Exocytosen eingeteilt werden können. Beide Begriffe werden wir näher beleuchten, wenn wir das folgende Bild besprechen.

Membranfluss in der Eukaryotenzelle
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Hier eine ausführliche Beschreibung der Zeichnung:

  1. Das endoplasmatische Reticulum ist mit der Kernhülle direkt verbunden, daher in der gleichen Farbe gezeichnet wie diese. Die winzigen schwarzen Punkte außen auf dem ER sind Ribosomen. Hier findet die Proteinsynthese der Zelle statt. Die an den ER-Ribosomen hergestellten Proteine werden durch bestimmte Poren in der Membran der ER-Zisternen in das ER-Lumen abgegeben. Zukünftige Membranproteine werden direkt in die Membran der ER-Zisternen eingebaut.
  2. Vom ER schnüren sich ständig Membran-Vesikel ab, die als ER-Vesikel bezeichnet werden. Diese ER-Vesikel enthalten in ihrem Lumen (Innenraum) einen Teil der synthetisierten Proteine, in der Vesikel-Membran stecken die künftigen Zellmembran-Proteine.
  3. Die ER-Vesikel verschmelzen mit der cis-Seite der Dictyosomen, deren Gesamtheit ja als Golgi-Apparat bezeichnet wird. Ein Dictyosom besteht aus drei, vier oder mehr solcher Zisternen.
  4. Durch die fließende Farbänderung wird angedeutet, dass in den Zisternen chemische Veränderungen an den Proteinen stattfinden, die von den ER-Vesikeln herantransportiert worden sind. Die Zisterne auf der trans-Seite hat schon ein ganz anderes chemisches Milieu als die Zisterne auf der dem Zellkern zugewandten cis-Seite. Proteine werden hier gefaltet, Disulfidbrücken werden geknüpft oder gespalten; Oligosaccharide werden an die Proteine angeheftet und so weiter.
  5. Das Trans-Golgi-Netzwerk (TGN) schnürt ständig Golgi-Vesikel ab, die dann mit Hilfe von (nicht eingezeichneten) Transportproteinen zur Zellmembran geleitet werden.
  6. Dort findet eine Exocytose statt: Die Golgi-Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran und entlassen ihren Inhalt nach außen. Auf diese Weise werden zum Beispiel Hormone wie Insulin, die in den Zellen hergestellt werden, an das extrazelluläre Medium (zum Beispiel das Blut) abgegeben. Man spricht hier auch von einer Exkretion der Hormone.
  7. Das Gegenteil der Exocytose ist die Endocytose. Partikel aus dem Außenmedium, beispielsweise Nahrung (Bakterien, kleine Einzeller oder Ähnliches) werden durch Einstülpung der Zellmembran in die Zelle aufgenommen, quasi "verschluckt". Zunächst bildet sich eine kleine Eindellung in der Membran, die immer größer wird und sich schließlich als Phagocytose-Vesikel abschnürt. Als Phagocytose bezeichnet man eine Endocytose, die zur Aufnahme von Nahrung dient.
  8. Das Trans-Golgi-Netzwerk schnürt spezielle Golgi-Vesikel ab, die mit Verdauungsenzymen gefüllt sind. Diese Vesikel werden als Lysosomen bezeichnet.
  9. Die Lysosomen verschmelzen mit den Phagocytose-Vesikeln zu größeren Vesikeln, die als sekundäre Lysosomen bezeichnet werden.
  10. Die Verdauungsenzyme ergießen sich in die Phagocytose-Vesikel bzw. sek. Lysosomen, und die Nahrung wird verdaut, das heißt die Proteine, Fette und Kohlenhydrate der Nahrung werden in Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren bzw. Monosaccharide zerlegt. Diese Moleküle sind dann so klein, dass sie die Zellmembran über die aus dem letzten Abschnitt bekannten Transportmechanismen verlassen können. So gelangen sie dann in das Cytoplasma.
  11. Die unverdaulichen Reste der Nahrung werden dann über eine Exocytose "entsorgt". Die sek. Lysosomen verschmelzen mit der Zellmembran und die unverdaulichen Reste werden nach außen abgegeben.