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Kennst Du das Gefühl, wenn du ein Hügel oder ein Berg hochlaufen und immer etwas mehr Energie und Kraft einsetzen musst, um die steilen Stellen zu überwinden? Genau das gleiche Prinzip benutzen bestimmte Transportproteine, um Moleküle durch die Biomembran zu schleusen.
Prinzipiell lassen sich zwei Arten des Membrantransports unterscheiden: passiver und aktiver Transport. Der passive Transport benötigt kein Zufuhr von Energie, um Stoffe zu transportieren. Im Gegensatz dazu benötigt der aktive Transport den Zufuhr von Energie, um Stoffe entgegen ihren Konzentrationsgradienten zu transportieren.
Der aktive Transport beschreibt den Transport von Stoffen unter Energieverbrauch (ATP) entgegen einem Konzentrationsgradienten durch Carrierproteine. Es gibt drei Arten dieser Carrierproteine: Uniporter, Symporter und Antiporter.
Zusätzlich wird der aktive Transport in primärer sowie sekundärer Transport unterteilt.
Das Grundprinzip des aktiven Transports ist immer das gleiche: Eine energetisch ungünstige Reaktion wird mit einer energetisch günstigen Reaktion kombiniert.
Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein sogenanntes Carrierprotein. Dieses kann sowohl drei Natriumionen als auch zwei Kaliumionen binden, aber nicht gleichzeitig. Auf der Memebraninnenseite des Proteins befindet sich eine Bindungsstelle speziell für ATP.
Der Prozess kann immer erst beginnen, wenn die Proteinpumpen zum Zellinneren geöffnet sind. Drei Natriumionen binden an den offenen Bindungsstellen. An der Innenseite der Membran liegt eine Bindungsstelle für ein ATP-Molekül. Hier wird das ATP hydrolysiert, was bedeutet, dass das ATP gespalten wird und die abgespaltene Phosphatgruppe phosphoryliert wird. Die Konformation des Proteins verändert sich aufgrund der freigesetzten Energie. Dadurch öffnet sich das Protein in Richtung des Extrazellulärraums und pumpt die drei Natriumionen aus der Zelle raus. Zwei Kaliumionen, die sich in dem Extrazellulärraum befinden, setzen sich an ihre spezifischen Bindungsstellen im Protein, welche die Entfernung der Phosphatgruppe als Folge hat. Ohne Energieaufwand ändert sich die Konformation des Carrierproteins wieder zu ihrer nativen Form. Hier gelangen die zwei Kaliumionen in das Innere der Zelle.
Den aktiven Haupttransport übernehmen Membranpumpen, die ihren Energiebedarf normalerweise durch die Hydrolyse von ATP decken. Solche Pumpen sind hauptsächlich bifunktionell. Das bedeutet, dass sie zwei Funktionen ausführen können.
Einerseits fungieren sie als Enzyme, die hochenergetische Phosphatverbindungen hydrolysieren können. Andrerseits fungieren sie als Transporter, die die bei der Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie zum Transport von Substanzen nutzen.
Alle Arten des aktiven Transports bauen aufeinander auf. Das liegt daran, dass während des aktiven Transports eine chemische Energiequelle gebraucht wird. Die nächsten zwei Prozesse brauchen keinen Zufuhr chemischer Energie. Jedoch wird während des sekundären Transports die Energie des aufgebauten Konzentrationsgradienten, die während des aktiven Transports zustande kam, benutzt, um den Konzentrationsgradienten abzubauen. Die dadurch entstandene Energie wird ebenfalls während des tertiären Transports eingesetzt.
Allgemein ist ihre Aufgabe, Moleküle von einer Seite der Zelle zur anderen zu pumpen.
Beim primär-aktiven Transport werden Moleküle durch ATP-spaltende Pumpen auf die andere Seite der Biomembran geschleust. Diese nennt man ATPasen. Bei dem primär aktiven Transport kann neben ATP auch Lichtenergie oder verschiedene Redoxreaktion als Energiequelle genutzt werden.
Du hast vielleicht schon mal was von einer Natrium-Kalium-Pumpe gehört. Diese Pumpe benötigt Energie, um drei Natriumionen in das Extrazellulärraum und zwei Kaliumionen in das Intrazellulärraum der Zelle zu transportieren. Dadurch, dass Kaliumionen und Natriumionen transportiert werden, wird der Membranpotenzial aufrechterhalten. Dadurch, dass die Pumpe ATP hydrolysiert, kann man sie auch Natrium-Kalium-ATPasen nennen.
Bei dem sekundär-aktiven Transport handelt es sich von einem sogenannten Cotransport. Dieser Transport ist nicht direkt ATP-abhängig, er ist von dem Gradienten abhängig, was vorher während eines vorläufigen Transports aufgebaut wurde.
Allgemein sollen Ionen entlang ihrem Konzentrationsgradienten und andere entgegen ihrem Konzentratiosngradienten transportiert werden.
Durch die Natrium-Kalium-Pumpe entsteht ein elektrochemisches Gradient, welches andere Pumpen, wie dem Glucose-Symporter SGLT-1, ermöglicht, Glucose in die Zelle zu transportieren.
Der Gradient aus dem sekundär aktiven Transport wird während des tertiären aktiven Transports benutzt.
Ein Beispiel für den tertiär aktiven Transport ist der sogenannte Peptidtransporter 1. Dieser ist zuständig für die Resorption von Di- und Tripeptiden in den Enterozyten des Darms. Resorption bedeutet in diesem Fall, dass die Di- und Tripeptide von den Zellen des Darmepithels aufgenommen werden.
Der Konzentrationsgradient, welcher die Peptidtransporter benötigen, wird durch Natrium-Wasserstoff-Antiport hergestellt. Der Konzentrationsgradient, welcher diese Antiports benötigen, wird während des primär aktiven Transports aufgebaut.
Carrier sind nicht in der Lage, durch ATP-Hydrolyse den primär-aktiven Transport von Stoffen zu vermitteln. Jedoch können sie den thermodynamisch ungünstigen Transport gegen den Konzentrationsgradienten von sämtlichen Ionen oder Molekülen mit dem Transport von anderen Ionen oder Molekülen entlang dem Konzentrationsgradienten koppeln. Dieser Prozess der Carrier nennt man sekundär-aktiver Transport. Solche Carrier, die in der Lage sind, Ionen oder Moleküle gegen den Konzentrationsgradienten zu pumpen, nennt man auch sekundäre Transporter oder Cotransporter.
Es gibt zwei Arten solcher Cotransporter: Antiporter und Symporter.
Antiporter können den Transport in das Innere und in das Äußere der Zelle kombinieren. Das bedeutet, dass während einige Ionen in das Innere der Zelle transportiert werden, werden gleichzeitig andere Ionen in das Äußere der Zelle transportiert, also in entgegengesetzte Richtungen.
Der sogenannte Natrium-Protonen-Antiporter hat die Aufgabe, den pH-Wert der metabolisch aktiven Zellen zu regulieren.
Der Antiporter kann sowohl Natriumionen entlang ihre Konzentrationsgradienten in die Zelle als auch Protonen entgegen ihr Konzentrationsgradienten nach außen transportieren. Um die Protonen in das Extrazellulärraum zu transportieren, wird Energie benötigt, welche durch den Transport von Natriumionen gewonnen wird.
Mithilfe der Symporter werden jedoch zwei Substrate in die gleiche Richtung transportiert. Das bedeutet, dass beide Moleküle entweder in das Innere (Intrazellulärraum) oder in das Äußere der Zelle (Extrazellulärraum) transportiert werden.
Am Beispiel des Natriumglucose-Symports liegt schon ein elektrochemischer Gradient als „Transportmotor“ vor. Andere Transporter nutzen dieses Prinzip, um Aminosäuren, Ionen oder andere Kohlenhydrate entgegen dem Konzentrationsgradienten in die Zelle zu transportieren.
Die letzte Art der Carrieren, Uniporter, können ein Substrat in beiden Richtungen transportieren. Das bedeutet, dass ein Stoff sowohl in das Innere als auch in das Äußere der Zelle transportiert wird. In welche Richtung die Stoffe transportiert werden, ist in diesem Fall abhängig von der vorliegenden Konzentration des Stoffes auf beiden Seiten der Membran.
Der Glucosetransporter GLUT1 ist ein typisches Beispiel für Uniporter. Der Uniporter kann durch den Konzentrationsgradienten von Glucose aktiviert werden.
Die Biomembran ist eine sogenannte Lipiddoppelschicht, da sie aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden besteht. Diese Phospholipide haben einen hydrophilen Kopf sowie einen hydrophoben Körper/Schwanz. Die hydrophilen Köpfen zeigen nach außen, während die hydrophoben Schwänzen nach Innen zeigen. Das bedeutet in diesem Fall für die Biomembran, dass sie optimal in Wasser löslich ist.
Die äußere Seite der Biomembran ist mit sogenannten Glykoproteine bedeckt, welche ein Erkennungssignal für andere Zellen sind. Außerdem gibt es sogenannte Membranproteine, die an oder in der Lipiddoppelmembran zu finden sind. Integrale Proteine, sogenannte Transmembranproteine, perforieren die gesamte Biomembran, von außen bis nach innen. Im Gegensatz dazu sind periphere Proteine nur an der Oberfläche der Biomembran verankert.
ATP, auch Adenosintriphosphat, ist ein kleines Molekül, welches hauptsächlich die Zellen mit Energie versorgt. Durch die Hydrolyse, also den Abbau von ATP, wird Energie freigesetzt, die eine Zelle für verschiedene Prozesse, die Energie benötigen, einsetzt.
Während der ATP-Hydrolyse wird ein Molekül ATP zu ADP hydrolysiert:
Pi steht in diesem Fall für eine anorganische Phosphatgruppe.
Die ATP-Hydrolyse ist ebenfalls reversibel, da die Zellen immer wieder Energie benötigen. Das heißt, aus ADP und Pi entsteht ein ATP, aber nur mit Zufuhr von Energie. Die ATP-Hydrolyse ist in diesem Fall essenziell für den primär aktiven Transport, da ständig ATP gebraucht wird. Ohne ATP-Zufuhr, würde der aktive Transport nicht fehlerfrei funktionieren.
Der Austausch von Ionen oder Molekülen über die Biomembran kann sowohl durch die passive Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten als auch durch den erleichterten Transport stattfinden. Außerdem können Stoffe aktiv transportiert werden, jedoch nur unter Energieverbrauch.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des aktiven und passiven Transports
| Aktiver Transport | Passiver Transport | |
| ATP-Verbrauch | Ja, beispielweise durch ATP-Hydrolyse | Nein |
| Enzyme und Proteine |
|
|
| mehrstufiger Transportweg | Ja
| Nein |
| Beispiel |
|
|
Mehr Informationen zum passiven Transport findest Du unter dem gleichnamigen StudySmarter Artikel!
Unter dem aktiven Transport versteht man einen ablaufenden Transport, der unter Energieverbrauch und entgegen des Konzentrations- oder elektrischen Gradienten abläuft.
Aktiver Transport beschreibt das Transportieren entgegen des elektrochemischen Gradienten. Passiver Transport ist der Transport entlang des Stroms, also entlang des elektrochemischen Gradienten.
Unter Aufwendung von Energie (aktiver Transport) ist es Carrier Proteinen und ATPasen möglich, Moleküle und Ionen auch aktiv entgegen ihres elektrochemischen Gradienten über die Membran zu befördern.
Der aktive Transport macht es möglich, unter Aufwendung von (ATP-) Energie, stets für ausgeglichene Menge an Ionen und Moleküle in der Zelle zu sorgen.
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