Dreidimensionale Struktur eines rekombinanten kardialen Gap-Junction-Membrankanals, bestimmt durch Elektronenkristallographie. Diese Kanäle ermöglichen den direkten Austausch von Ionen und kleinen Molekülen zwischen benachbarten Zellen. Jeder Kanal wird durch Assoziation von sechs Connexin-Untereinheiten, von denen jede vier α-Helices enthält, in einer Plasmamembran mit einer ähnlichen Struktur in der Plasmamembran einer benachbarten Zelle gebildet.
Die Plasmamembran ist eine selektiv durchlässige Barriere zwischen der Zelle und der extrazellulären Umgebung. Ihre Permeabilitätseigenschaften sorgen dafür, dass essenzielle Moleküle wie Glukose, Aminosäuren und Lipide leicht in die Zelle gelangen, Stoffwechselzwischenprodukte in der Zelle verbleiben und Abfallstoffe die Zelle verlassen. Kurz gesagt, die selektive Permeabilität der Plasmamembran ermöglicht es der Zelle, ein konstantes inneres Milieu aufrechtzuerhalten. In mehreren früheren Kapiteln haben wir die Bestandteile und die strukturelle Organisation von Zellmembranen untersucht (siehe Abbildungen 3-32 und 5-30). Die Phospholipiddoppelschicht – die grundlegende Struktureinheit der Biomembranen – ist im Wesentlichen undurchlässig für die meisten wasserlöslichen Moleküle, wie Glukose und Aminosäuren, und für Ionen. Da verschiedene Zelltypen unterschiedliche Mischungen niedermolekularer Verbindungen benötigen, enthält die Plasmamembran jedes Zelltyps eine bestimmte Anzahl von Transportproteinen, die nur bestimmte Ionen oder Moleküle passieren lassen. In ähnlicher Weise haben Organellen innerhalb der Zelle oft eine andere innere Umgebung als das sie umgebende Zytosol, und Organellenmembranen enthalten spezifische Transportproteine, die diesen Unterschied aufrechterhalten.
Bei Tieren sind alle Körperhöhlen (z. B. Magen, Darm, Harnblase) und die Haut mit Epithelzellen ausgekleidet (siehe Abbildung 6-4). Epithelzellen transportieren häufig Ionen oder kleine Moleküle von einer Seite zur anderen. Diejenigen, die den Dünndarm auskleiden, transportieren zum Beispiel Verdauungsprodukte (z. B. Glukose und Aminosäuren) in den Blutkreislauf, und diejenigen, die den Magen auskleiden, geben Salzsäure in das Magenlumen ab. Damit Epithelzellen diese Transportfunktionen wahrnehmen können, muss ihre Plasmamembran in mindestens zwei getrennte Bereiche unterteilt sein, die jeweils unterschiedliche Sätze von Transportproteinen enthalten. Darüber hinaus verbinden spezialisierte Bereiche der Plasmamembran Epithelzellen miteinander, verleihen der Membran Festigkeit und Steifigkeit und verhindern, dass sich Material von einer Seite der Zelle zur anderen bewegt.
In den ersten beiden Abschnitten dieses Kapitels wird die proteinunabhängige Bewegung kleiner hydrophober Moleküle durch Phospholipiddoppelschichten erörtert und ein Überblick über die verschiedenen Arten von Transportproteinen in Zellmembranen gegeben. Wir beschreiben jeden der Haupttypen von Transportproteinen. Wir erklären auch, wie spezifische Kombinationen von Transportproteinen in verschiedenen subzellulären Membranen die Zellen in die Lage versetzen, wesentliche physiologische Prozesse auszuführen, einschließlich der Aufrechterhaltung des zytosolischen pH-Werts, des Transports von Glukose durch das absorbierende Darmepithel, der Anhäufung von Saccharose und Salzen in pflanzlichen Zellvakuolen und des gerichteten Flusses von Wasser sowohl in Pflanzen als auch in Tieren. Oft ist derselbe Typ von Transportprotein an ganz unterschiedlichen physiologischen Prozessen beteiligt.