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Aktiver Transport

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Aktiver Transport

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.

Aktiver Transport – Definition

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.

Aktiver Transport – Arten des Transports

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.

Primär aktiver Transport

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.

Sekundär aktiver Transport

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.

Tertiär aktiver Transport

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.

Aktiver Transport – Carrier

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

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.

Symporter

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.

Uniporter

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.

Aktiver Transport – Biomembran

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.

Aktiver Transport – ATP-Hydrolyse

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.

Unterschiede zwischen aktivem und passiven Transport

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.

Aktiver Transport Passiver Transport Unterschiede StudySmarterAbbildung 4: Schematische Darstellung des aktiven und passiven Transports

Aktiver TransportPassiver Transport
ATP-VerbrauchJa, beispielweise durch ATP-HydrolyseNein
Enzyme und Proteine
  • Carrier-Proteine
  • ATPasen
mehrstufiger TransportwegJa
  1. primär aktiver Transport
  2. sekundär aktiver Transport
  3. tertiär aktiver Transport
Nein
Beispiel
  • Natrium-Kalium-Pumpe
  • Peptidtransporter 1
  • Chlorid-Bikarbonat-Austauscher
  • Aquaporine

Mehr Informationen zum passiven Transport findest Du unter dem gleichnamigen StudySmarter Artikel!

Aktiver Transport – Das Wichtigste

  • Während des aktiven Transports bewegt sich ein Molekül entgegen seinem Konzentrationsgradienten. Das bedeutet, es bewegt sich von einem Ort mit einer niedrigen Konzentration zu einem mit einer höheren Konzentration. Hier wird eine Energiequelle, z. B. ATP, benötigt.
  • Die Enzyme an der Biomembran besitzen entweder einen Uniport, Symport oder einen Antiport, um Moleküle von einer Seite der Zelle zur anderen zu schleusen.
  • Es gibt drei Arten des aktiven Transports:
    1. Der primär aktive Transport benötigt den Einsatz von ATP, um Moleküle zu transportieren.
    2. Der sekundär aktive Transport nutzt den aus 1 entstandene Konzentrationsgradient, um Moleküle zu transportieren.
    3. Der tertiär aktive Transport nutzt den aus 2 entstandene Konzentrationsgradient, um Moleküle zu transportieren.
  • Der aktive und der passive Transport unterschieden sich hauptsächlich beim Gebrauch von ATP und die verschiedenen Arten des Transports.

Nachweise

  1. Jaussi (2005). Biochemie. Springer
  2. Müller-Esterl (2018). Biochemie. Springer
  3. Stryer (2013). Biochemie. Springer

Häufig gestellte Fragen zum Thema Aktiver Transport

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. 

Finales Aktiver Transport Quiz

Frage

Wofür sorgt der Selektionsfilter?

Antwort anzeigen

Antwort

Er ist dafür zuständig, dass nur bestimmte Ionen und Moleküle diesen bestimmten Kanal betreten können. 

Frage anzeigen

Frage

Kanalproteine bestehen aus...?

Antwort anzeigen

Antwort

mehreren helixförmig angelegten Polypeptidketten, welche aus Aminosäuren bestehen 

Frage anzeigen

Frage

Welche Moleküle müssen kein Kanalprotein nutzen, um die Membran zu passieren?

Antwort anzeigen

Antwort

lipophile (=fettliebende) Moleküle 

Frage anzeigen

Frage

Wann öffnet sich der ligandengesteurte Ionenkanal?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn ein Aktionspotential ausgelöst wird

Frage anzeigen

Frage

Die Ionen und Moleküle im Kanalprotein werden durch eine ... geleitet:

Antwort anzeigen

Antwort

Kohlenstoffschicht

Frage anzeigen

Frage

Kanalproteine nutzen ATP

Antwort anzeigen

Antwort

falsch

Frage anzeigen

Frage

Wann öffnet sich der spannungsgesteuerte Ionenkanal?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn Ionen in die Zelle gelangen wollen

Frage anzeigen

Frage

Im Inneren des Kanalproteins sind die Aminosäuren:

Antwort anzeigen

Antwort

hydrophob

Frage anzeigen

Frage

Dass Kanalproteine Moleküle und Ionen von einer Seite der Membran zur anderen diffundieren lassen nennt man auch:

Antwort anzeigen

Antwort

erleichterte Diffusion

Frage anzeigen

Frage

Kanalproteine befinden sich in der/dem...?

Antwort anzeigen

Antwort

Cytoplasma

Frage anzeigen

Frage

Die Unterschiede zwischen Carrier und Kanalprotein sind: 

Antwort anzeigen

Antwort

Kanalprotein:    

  • Ohne Verbrauch von ATP    
  • Diffusion nur entlang des Gradienten möglich

  • Schnellere Übertragung der Moleküle pro Sekunde

        

Carrier-Protein:

  •     kann ATP nutzen 

  •     Diffusion auch entgegen des Gradienten 

  •     langsamere Übertragung

Frage anzeigen

Frage

Wie kann man Kanalproteine noch nennen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Transmembranprotein
  • Tunnelprotein
Frage anzeigen

Frage

Kanalproteine sind dauerhaft einsatzfähig.

Antwort anzeigen

Antwort

Ja: Sie besitzen keine Refraktärzeit, so wie das Aktionspotential

Frage anzeigen

Frage

Aus was besteht der elektrochemische Gradient?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Konzentrationsgradienten  
  • chemischen Gradienten
  • Potentialdifferenz (elektrischer Gradient)

Frage anzeigen

Frage

Aquaporine sind für die Leitung von ... zuständig

Antwort anzeigen

Antwort

Kohlenstoff

Frage anzeigen

Frage

Wie können Carrierproteine Substrate transportieren?

Antwort anzeigen

Antwort

passiv

Frage anzeigen

Frage

Stimmt die folgende Aussage?

Carrier-Proteine können entgegen des elektrochemischen Gradienten Moleküle befördern.

Antwort anzeigen

Antwort

Ja, auch bei dem passiven Transport

Frage anzeigen

Frage

Carrier-Proteine bestehen aus...?

Antwort anzeigen

Antwort

Aminosäuren

Frage anzeigen

Frage

Können Carrier-Proteine jedes Molekül transportieren?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein. Carrier Proteine sind stark substratspezifisch und arbeiten nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Funktion von mehreren zueinander komplementären Strukturen, die nur bei Aneinanderbindung biochemische Prozesse durchführen können.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Uniport?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Uniport Carrier-Protein kann nur ein Molekül gleichzeitig von einer Seite der Membran auf die andere befördern.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Symport?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Symport werden zwei Moleküle gleichzeitg in die selbe Richtung geschleust.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Antiport?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Antiport werden zwei Moleküle gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen befördert.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei einer Konformationsänderung?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Konformationsänderung ändert sich die Bindungsanordnung der Bindestelle, was dazu führt, dass das Substrat durch das Carrier-Protein durch die Membran geschleust wird.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Beispiel für passiven Transport durch Carrier Proteine?

Antwort anzeigen

Antwort

Glucosetransporter

Frage anzeigen

Frage

Wie kann man aus ATP Energie gewinnen?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch die ATP Hydrolyse ist es möglich in verschiedenen Reaktionsschritten die Phosphatgruppen des ATP abzuspalten und so die freigesetzte Energie zu nutzen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Form der Energiegewinnung nutzt die Natrium-Kalium-Pumpe?

Antwort anzeigen

Antwort

ATP-Hydrolyse.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Unterschied zwischen dem passiven und dem aktiven Transport?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Beim passiven Transport diffundieren Moleküle durch die Membran entlang eines elektrischen Gradienten und/oder entlang eines Konzentrationsgefälles ohne Energieaufwand
  • Beim aktiven Transport werden Moleküle durch Transmembranproteine entgegen den Konzentrationgradienten transportiert, was Energie benötigt. 
Frage anzeigen

Frage

Was ist der Unterschied zwischen der einfachen Diffusion und der erleichterten Diffusion durch Carrierproteine?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der einfachen Diffusion können Moleküle und Ionen unbegrenzt einfach entlang des Konzentrationsgefälles durch die Membran diffundieren. 

Die erleichterte Diffusion funktioniert ähnlich, jedoch kommt diese bei einer Übersättigung zum Erliegen. 

Frage anzeigen

Frage

Wie funktioniert der Mechanismus eines typischen Carrier-Proteins?

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Bindung des Substrats an die substratspezifische Bindungsstelle (Schlüssel-Schloss-Prinzip)
  2. Konformationsänderung des Carriers
  3. Substrat kann auf gegenüberliegenden Seite austreten
  4. Erneute Konformationsänderung des Carriers zur Ausgangsform
Frage anzeigen

Frage

Der aktive Transport nutzt…:

Antwort anzeigen

Antwort

ATP

Frage anzeigen

Frage

Findet der aktive Transport entlang oder entgegen des Gradienten statt?

Antwort anzeigen

Antwort

entgegen

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Arten des Carrier-Proteins existieren?

Antwort anzeigen

Antwort

  •  Uniport: ein Molekül kann in beiden Richtungen transportiert werden
  •  Symport: zwei Moleküle werden in die gleiche Richtung transportiert
  •  Antiport: zwei Moleküle werden in verschiedene Richtungen geschleust
Frage anzeigen

Frage

Welche Proteine und Enzyme sind am aktiven Transport beteiligt?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Carrier Proteine 
  • ATPasen 
Frage anzeigen

Frage

Erkläre den primären Transport.

Antwort anzeigen

Antwort

Während des primär aktiven Transports wird ATP genutzt, um Moleküle auf die andere Seite der Biomembran zu pumpen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den sekundären Transport.

Antwort anzeigen

Antwort

Während des sekundär aktiven Transports wird der Konzentrationsgradient, der vom primären Transport aufgebaut worden ist, genutzt

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den tertiären Transport.

Antwort anzeigen

Antwort

Während des tertiär aktiven Transport wird der Konzentrationsgradient, der vom sekundären Transport aufgebaut worden ist, genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel für den primär aktiven Transport.

Antwort anzeigen

Antwort

Natrium-Kalium-Pumpe

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel für den tertiär aktiven Transport.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Peptidtransporter 1

Frage anzeigen

Frage

Welche Unterschiede gibt es zwischen dem aktiven und dem passiven Transport?

Antwort anzeigen

Antwort

ATP-Verbrauch

Frage anzeigen

Frage

Wie viele Stufen besitzt der aktive Transport?

Antwort anzeigen

Antwort

1

Frage anzeigen

Frage

Wie hießt ATP, nachdem es hydrolysiert worden ist?

Antwort anzeigen

Antwort

Adenosintriphosphat

Frage anzeigen

Frage

Mit welchem Substrat arbeitet das Enzym ATPase?

Antwort anzeigen

Antwort

Adenosintriphosphat

Frage anzeigen
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