5.1B: Fluidmosaikmodell

Das Fluidmosaikmodell wurde zuerst von SJ vorgeschlagen Singer und Garth L. Nicolson erklärten 1972 die Struktur der Plasmamembran. Das Modell hat sich im Laufe der Zeit etwas weiterentwickelt, berücksichtigt jedoch am besten die Struktur und Funktionen der Plasmamembran, wie wir sie jetzt verstehen. Das Flüssigkeitsmosaikmodell beschreibt die Struktur der Plasmamembran als ein Mosaik von Komponenten – einschließlich Phospholipiden, Cholesterin, Proteinen und Kohlenhydraten -, das der Membran einen flüssigen Charakter verleiht. Plasmamembranen haben eine Dicke von 5 bis 10 nm. Zum Vergleich sind menschliche rote Blutkörperchen, die durch Lichtmikroskopie sichtbar sind, ungefähr 8 um breit oder ungefähr 1000-mal breiter als eine Plasmamembran. Die Anteile von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten in der Plasmamembran variieren je nach Zelltyp. Zum Beispiel enthält Myelin 18% Protein und 76% Lipid. Die mitochondriale Innenmembran enthält 76% Protein und 24% Lipid.

Das Hauptgewebe der Membran ist zusammengesetzt aus amphiphilen oder doppelt liebenden Phospholipidmolekülen. Die hydrophilen oder wasserliebenden Bereiche dieser Moleküle stehen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle in Kontakt mit der wässrigen Flüssigkeit. Hydrophobe oder wasserhassende Moleküle neigen dazu, unpolar zu sein. Ein Phospholipidmolekül besteht aus einem Glycerinrückgrat mit drei Kohlenstoffatomen, wobei zwei Fettsäuremoleküle an die Kohlenstoffe 1 und 2 gebunden sind, und einer phosphathaltigen Gruppe, die an den dritten Kohlenstoff gebunden ist. Diese Anordnung gibt dem Gesamtmolekül einen Bereich, der als sein Kopf (die phosphathaltige Gruppe) beschrieben wird, der einen polaren Charakter oder eine negative Ladung hat, und einen Bereich, der Schwanz genannt wird (die Fettsäuren), der keine Ladung hat. Sie interagieren mit anderen unpolaren Molekülen in chemischen Reaktionen, interagieren jedoch im Allgemeinen nicht mit polaren Molekülen. In Wasser neigen hydrophobe Moleküle dazu, eine Kugel oder einen Cluster zu bilden. Die hydrophilen Regionen der Phospholipide neigen dazu, Wasserstoffbrücken mit Wasser und anderen polaren Molekülen sowohl außen als auch innen in der Zelle zu bilden. Somit sind die Membranoberflächen, die dem Inneren und Äußeren der Zelle zugewandt sind, hydrophil. Im Gegensatz dazu ist die Mitte der Zellmembran hydrophob und interagiert nicht mit Wasser. Daher bilden Phospholipide eine ausgezeichnete Lipiddoppelschicht-Zellmembran, die Flüssigkeit innerhalb der Zelle von der Flüssigkeit außerhalb der Zelle trennt.

Proteine bilden die zweite Hauptkomponente von Plasmamembranen. Integrale Proteine (einige spezialisierte Typen werden Integrine genannt) sind, wie der Name schon sagt, vollständig in die Membranstruktur integriert, und ihre hydrophoben membranüberspannenden Regionen interagieren mit der hydrophoben Region der Phospholipiddoppelschicht. Integrale Membranproteine in einem Durchgang weisen normalerweise ein hydrophobes Transmembransegment auf, das aus 20–25 Aminosäuren besteht. Einige überspannen nur einen Teil der Membran – verbunden mit einer einzelnen Schicht -, während andere sich von einer Seite der Membran zur anderen erstrecken und auf beiden Seiten freigelegt sind. Einige komplexe Proteine bestehen aus bis zu 12 Segmenten eines einzelnen Proteins, die weitgehend gefaltet und in die Membran eingebettet sind. Diese Art von Protein hat eine hydrophile Region oder Regionen und eine oder mehrere leicht hydrophobe Regionen.Diese Anordnung von Regionen des Proteins neigt dazu, das Protein entlang der Phospholipide zu orientieren, wobei die hydrophobe Region des Proteins an die Schwänze der Phospholipide angrenzt und die hydrophile Region oder Regionen des Proteins aus der Membran herausragen und mit dem Cytosol oder in Kontakt stehen extrazelluläre Flüssigkeit.

Kohlenhydrate sind der dritte Hauptbestandteil von Plasmamembranen. Sie befinden sich immer auf der Außenfläche von Zellen und sind entweder an Proteine (Glykoproteine bildend) oder an Lipide (Glykolipide bildend) gebunden. Diese Kohlenhydratketten können aus 2–60 Monosaccharideinheiten bestehen und entweder gerade oder verzweigt sein. Kohlenhydrate bilden zusammen mit peripheren Proteinen spezialisierte Stellen auf der Zelloberfläche, an denen sich die Zellen gegenseitig erkennen können. Diese Erkennungsfunktion ist für Zellen sehr wichtig, da das Immunsystem zwischen Körperzellen (als „Selbst“ bezeichnet) und fremden Zellen oder Geweben (als „Nicht-Selbst“ bezeichnet) unterscheiden kann. Ähnliche Arten von Glykoproteinen und Glykolipiden befinden sich auf der Oberfläche von Viren und können sich häufig ändern, wodurch verhindert wird, dass Immunzellen sie erkennen und angreifen. Diese Kohlenhydrate auf der äußeren Oberfläche der Zelle – die Kohlenhydratkomponenten sowohl von Glykoproteinen als auch von Glykolipiden – werden zusammen als Glykokalyx (was „Zuckerbeschichtung“ bedeutet) bezeichnet. Der Glykokalyx ist stark hydrophil und zieht große Mengen Wasser an die Oberfläche der Zelle Dies hilft bei der Wechselwirkung der Zelle mit ihrer wässrigen Umgebung und bei der Fähigkeit der Zelle, im Wasser gelöste Substanzen zu erhalten.