Plasmamembranen
Die Plasmamembran ist eine Struktur der Pflanzenzelle, die eine halbdurchlässige oder selektive Barriere zwischen dem Inneren der Zelle und der äußeren Umgebung bildet; sie funktioniert auch beim Transport von Molekülen in die Zelle hinein und aus ihr heraus.
Plasmamembranen bilden nicht nur die strukturelle Barriere zwischen dem inneren Inhalt einer Zelle und der äußeren Umgebung, sondern enthalten auch Proteine, die am Transport von Molekülen und anderen Substanzen in die Zelle hinein und aus ihr heraus beteiligt sind, und sie enthalten Proteine und andere Moleküle, die für den Empfang von Signalen aus der Umgebung und von Pflanzenhormonen, die das Wachstum und die Teilung steuern, wesentlich sind.
Kohlenhydrate, die mit der Plasmamembran assoziiert sind, sind Marker für den Zelltyp. In Pflanzen ist die Plasmamembran der Ort der Zellulosesynthese.
Lipidmoleküle bilden die Struktur der Plasmamembran, die durch das Flüssigkeitsmosaikmodell als ein dynamischer Ozean aus Lipiden beschrieben wird, in dem andere Moleküle schwimmen.
Phospholipide sind das am häufigsten vorkommende Lipid der Plasmamembranen, und sie sind in einer flüssigen Phospholipid-Doppelschicht organisiert, in der Sterole, Proteine und andere Moleküle eingebettet sind. Phospholipide sind amphipathische Moleküle, die wasserliebende (hydrophile) und wasserabweisende (hydrophobe) Bereiche enthalten.
Jedes Phospholipid besteht aus einem dreikernigen Glycerin-Grundgerüst; zwei der Kohlenstoffe sind an langkettige Fettsäuremoleküle gebunden, und der dritte Kohlenstoff ist an eine phosphathaltige Gruppe gebunden. Da die Fettsäuren unpolar und hydrophob sind, neigen sie dazu, zu aggregieren und Wasser auszuscheiden.
Durch diese Aggregation können die Phospholipide eine Doppelschichtstruktur bilden, bei der sich die Fettsäuren beider Schichten in der Mitte und die geladenen, phosphathaltigen Gruppen an der Außenseite befinden.
Diese Doppelschichtstruktur ermöglicht es einer Oberfläche der Plasmamembran-Doppelschicht, mit der wässrigen äußeren Umgebung zu interagieren, während die andere mit der wässrigen inneren Zellumgebung interagiert.
Sterole sind auch in den Plasmamembranen von Pflanzenzellen zu finden. Das wichtigste Sterol in den Plasmamembranen von Pflanzenzellen ist Stigmasterol (im Gegensatz zu Cholesterin, das in den Plasmamembranen von Tierzellen vorkommt). Sterole, die in Pflanzenzellen gefunden werden, sind wirtschaftlich wichtig als Ausgangsmaterial für Medikamente auf Steroidbasis, wie z. B. Antibabypillen.
Membranproteine und Kohlenhydrate
Einige Membranproteine erstrecken sich über die gesamte Länge der Phospholipiddoppelschicht und werden als Transmembranproteine bezeichnet. Transmembranproteine werden manchmal auch als integrale Membranproteine bezeichnet und haben unterschiedliche Strukturen und Funktionen.
Sie können die Lipiddoppelschicht nur einmal durchqueren, oder sie können „multiple pass“-Transmembranproteine sein, die mehrmals in die Membran ein- und aus ihr austreten.
Der Teil eines Transmembranproteins, der das Innere der Membran durchquert, besteht häufig aus Aminosäuren mit unpolaren Seitenketten (R-Gruppen) und wird als Transmembrandomäne bezeichnet.
Der Teil des Transmembranproteins, der sich auf der äußeren Oberfläche der Membran befindet und mit der wässrigen Umgebung interagiert, enthält oft geladene oder polare Aminosäuren in seiner Sequenz.
Membranproteine sind oft wichtig, um als Membranrezeptoren Signale aus der äußeren Umgebung zu empfangen. So interagieren beispielsweise Protein- oder Peptidhormone mit Transmembranproteinrezeptoren an der Plasmamembran. Membranproteine sind auch an der Aufnahme von Signalen wie Lichtphotonen beteiligt.
Membranproteine bilden Poren, die es Ionen (geladenen Teilchen) ermöglichen, das Innere der Membran zu passieren. Membranproteine, die Carrier genannt werden, sind wichtig, um Nährstoffmoleküle wie Einfachzucker in die Zelle zu bringen.
Nicht alle Proteine innerhalb der Membran sind Transmembranproteine. Einige sind nur lose mit der Membran verbunden, an andere Proteine gebunden oder durch einen Lipidschwanz in der Membran verankert. Diese Proteine, die sich nicht über beide Seiten der Membran erstrecken, werden oft als periphere Membranproteine bezeichnet.
Neben Proteinen enthält die Plasmamembran auch Kohlenhydratmoleküle. Kohlenhydratmoleküle sind normalerweise an Membranproteine oder an Lipidmoleküle innerhalb der Doppelschicht gebunden. Kohlenhydrate liefern wichtige Informationen über den Zelltyp und die Zellidentität.
Transport durch die Membranen
Der Transport von Molekülen in die Zelle hinein und aus ihr heraus ist eine wichtige Funktion der Plasmamembran. Hydrophobe Moleküle, wie Sauerstoff, und kleine, ungeladene Moleküle, wie Kohlendioxid, durchqueren die Membran durch einfache Diffusion.
Diese Moleküle nutzen die potenzielle Energie eines chemischen Gradienten, um sich von einem Bereich mit höherer Konzentration auf einer Seite der Membran zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration auf der anderen Seite zu bewegen.
Die Diffusion funktioniert am besten, wenn dieser Konzentrationsgradient steil ist. In Zellen, die nicht zur Photosynthese fähig sind, wird zum Beispiel der Sauerstoff fast so schnell verbraucht, wie er in die Zelle gelangt.
Dadurch wird ein starkes Gefälle der Sauerstoffmoleküle durch die Membran aufrechterhalten, so dass die Moleküle kontinuierlich von dem Bereich mit der höheren Sauerstoffkonzentration außerhalb der Zelle zu dem Bereich mit der niedrigeren Konzentration innerhalb der Zelle fließen.
Polare Moleküle werden von dem hydrophoben Bereich der Doppelschicht ausgeschlossen. Zwei Faktoren beeinflussen den Transport solcher Moleküle: der Konzentrationsgradient und der elektrische Gradient. Lipiddoppelschichten trennen Unterschiede in der elektrischen Ladung von einer Seite der Membran zur anderen und wirken so als eine Art biologischer Kondensator.
Wenn das Innere der Zelle negativer ist als das Äußere der Zelle, müssen negativ geladene Ionen von innen nach außen wandern, um mit dem elektrischen Gradienten zu reisen. Die Kombination aus Konzentrations- und elektrischem Gradienten wird als elektrochemischer Gradient bezeichnet.
Der Transport geladener oder polarer Moleküle erfordert die Hilfe von Proteinen innerhalb der Membran, die als Transporter bezeichnet werden. Kanalproteine bilden Poren in der Membran und ermöglichen es kleinen, geladenen Molekülen, in der Regel anorganischen Ionen, durch die Membran von einer Seite zur anderen zu fließen.
Wenn die Bewegungsrichtung des Ions entlang seines elektrochemischen Gradienten verläuft, erfordert der Prozess keine zusätzliche Energie und wird als passiver Transport bezeichnet.
Trägerproteine verändern ihre Form, um ein kleines Molekül, z. B. einen Zucker, von einer Seite der Membran zur anderen zu transportieren. Pumpen sind Proteine innerhalb der Membran, die Energie aus Adenosintriphosphat (ATP) oder Licht nutzen, um Moleküle durch die Membran zu transportieren. Wenn beim Transport Energie eingesetzt wird, spricht man von aktivem Transport.
Biosynthese von Cellulose
In Pflanzen ist die Plasmamembran der Ort für die Synthese von Cellulose, dem am häufigsten vorkommenden Biopolymer der Erde. Elektronenmikroskopische Untersuchungen deuten darauf hin, dass die pflanzliche Zellmembran Rosettenstrukturen enthält, die aus zahlreichen Proteinen zusammengesetzt sind und in denen die Zellulose synthetisiert wird.
Studien an Bakterien, Baumwollpflanzen und dem Unkraut Arabidoposis thaliana haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, das Gen zu isolieren, das die chemischen Reaktionen ausführt, die die Glukosemoleküle zu der langen Zellulose-Mikrofibrillenstruktur zusammenfügen.
Dieses Gen kodiert ein Protein namens Glykosyltransferase. Antikörper gegen die katalytische oder aktive Untereinheit der Glykosyltransferase markieren diese Rosettenstrukturen spezifisch.
Zwei dieser Transferase-Moleküle wirken gleichzeitig von gegenüberliegenden Seiten aus, um jeweils zwei Glucosen in die wachsende Mikrofibrille einzubauen, was die Rotation der abwechselnden Glucosen in den Zellulosemolekülen erklärt.