Einführung
Zellmembranen bestehen aus zwei Klassen von Molekülen: Lipiden und Proteinen. Die Proteine dienen als Enzyme, transportieren Moleküle und verleihen der Membran ausgeprägte funktionelle Eigenschaften. Details zu den Strukturen von Proteinen und Enzymen werden an anderer Stelle beschrieben. Die Lipide sorgen für die strukturelle Integrität der Zelle. Die Lipide in der Membran bestehen aus zwei Teilen: hydrophilen (wasserlöslichen) und hydrophoben (wasserunlöslichen). Der hydrophobe Teil der Lipide besteht aus den unpolaren langen Kohlenwasserstoffketten zweier Fettsäuren. Die Fettsäuren liegen als an Glycerin gebundene Ester vor. Die dritte OH-Gruppe des Glycerins ist über einen Ester an Phosphat gebunden, daher der Begriff Phospholipid. Der Phosphatesteranteil des Moleküls ist polar oder sogar ionisch und daher wasserlöslich. Ein einfaches Zusammenspiel mehrerer Phospholipide ist in der Grafik links dargestellt.
Es gibt zwei gängige Phospholipide, die in der Doppelschicht zu finden sind:
- Lecithin enthält den Aminoalkohol, Cholin.
- Cephaline enthalten die Aminoalkohole Serin oder Ethanolamin.
Die Anordnung der Phospholipide in Zellmembranen wurde durch Röntgenbeugungsdaten abgeleitet. Die Phospholipide sind als Doppelschicht (zwei Moleküle dick) angeordnet. Die Phospholipide sind so gestapelt, dass die unpolaren Kohlenwasserstoffketten nach innen zeigen, während die polaren Enden die äußere Oberfläche bilden, wie in der Grafik links dargestellt. Die Struktur der Doppelschicht ist eine weitere Anwendung des Löslichkeitsprinzips „Gleiches löst Gleiches auf“.
Die meisten Fettsäuren in der Membran sind ungesättigt, da dies der Membran mehr Flexibilität verleiht (cis-Bindungen sind gebogen), um bestimmte Moleküle durch die Membran zu lassen. Die Interaktion der hydrophoben Innenseite der Schicht wirkt jedoch als Barriere für ionische und polare Moleküle, die nicht in das Innere der Zelle gelangen können. In tierischen Zellen ist zwischen den unpolaren Ketten Cholesterin eingefügt, das etwa 20 % der Moleküle der Membran ausmacht. Dies hilft, die Membran steifer zu machen und verleiht ihr Festigkeit.
Lipid-Doppelschicht-Grafik: Die rot/weißen Kugeln stellen die Wassermoleküle auf den Außenflächen der Doppelschicht dar, die hydrophil (wasserliebend) sind. Die grauen Kugeln stellen die unpolaren Kohlenwasserstoffketten dar, die hydrophob oder wasserabweisend sind. Die violetten Kugeln stellen einzelne Phospholidmoleküle dar.