Die semipermeable Biomembran, die die Zellen umgibt, hat die wichtige Aufgabe, das Zellinnere vor äußeren Einflüssen zu schützen, die der Zelle schaden könnten. Jedoch ist es genauso wichtig, einen Transport von Molekülen aus der Zelle heraus und in die Zelle hinein zu ermöglichen. Ohne diesen Transport wären Organismen nicht in der Lage, Energie umzusetzen, ein Membranpotential aufzubauen oder Informationen weiterzuleiten.
Carrier-Proteine Definition
Carrier-Proteine sind integrale Membranproteine in der Zellmembran, die für den aktiven und passiven Transport von spezifischen Molekülen oder Ionen zuständig sind. Der aktive Transport benötigt allerdings Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP).
Zu den transportierten Molekülen zählen z. B. Glucose oder Aminosäuren, während es sich bei Ionen um einwertige und zweiwertige Ionen wie z.B. Na+, H+, Ca2+, und Cl- handelt.
Die semipermeable Biomembran von Zellen ist nur durchlässig für kleine lipophile Moleküle, größere Moleküle und Ionen benötigen Membranproteine, um in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus zu kommen. In Membranen gibt es verschiedene Arten von Transportproteinen, die Stoffe sowohl aktiv unter ATP-Verbrauch oder passiv angetrieben vom elektrischen Gefälle und/oder Konzentrationsgefälle durch die Zellmembran schleusen können.
Wenn Du eine kleine Auffrischung Deines Wissens bezüglich der Biomembran benötigst, dann lies Dir gerne die zugehörige Erklärung dazu durch.
Der aktive Transport beschreibt den Transport von Molekülen und Ionen durch Transportproteine entgegen einem elektrischen Gradienten und/oder einem Konzentrationsgradienten. Dafür wird Energie in Form von ATP benötigt.
Passiver Transport ist der Transport von Molekülen durch die Zellmembran entlang eines Konzentrationsgefälles.
Ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) entsteht, wenn die Konzentration eines gelösten Stoffes auf der einen Seite der Membran höher ist, als auf der anderen. Durch die Diffusion besteht immer ein Strom der gelösten Stoffe auf die Seite der niedrigeren Konzentration.
Aufbau von Carrier-Proteinen
Carrier-Proteine sind Transmembranproteine, die durch die gesamte Biomembran reichen. Sie bestehen aus mehreren helixförmigen Polypeptidketten, diese bilden jedoch keinen Tunnel, wie es bei Kanalproteinen der Fall ist, sondern eine Art Transportsystem.
Zuerst binden die zu transportierenden Ionen oder Moleküle (Substrate) an das Carrier-Protein, wodurch eine Konformitätsänderung im Carrier-Protein ausgelöst wird. Daraufhin werden die Substrate auf die andere Seite der Membran transportiert und der Carrier kehrt wieder in seinen Ausgangszustand zurück.
Durch eine Konformationsänderung ist es einem Protein möglich, seine Raumstruktur zu ändern. Wenn Carrier eine Konformationsänderung durchführen, verändert sich deren Bindestelle und die transportierten Moleküle können auf der anderen Seite der Membran entlassen werden.
Durch die spezifische Bindungsstelle des Carrier-Proteins ist es sehr substratspezifisch, das heißt nur ganz bestimmte Moleküle oder Ionen können an dem Carrier binden. Diese Bindung funktioniert nach dem bekannten Schlüssel-Schloss-Prinzip.
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip beschreibt, wie genau zwei oder mehrere räumliche Strukturen zueinanderpassen. Solche zusammengesetzte Teile können ihre Funktion erst erfüllen, wenn sie miteinander verbunden sind.
Funktion von Carrier-Proteinen
Die grundlegende Funktion von Carrier-Proteinen ist es, den Transport durch die Biomembran zu erleichtern. Durch passiven Transport in Form von erleichterter Diffusion können Moleküle oder Ionen mithilfe der Carrier durch die Membran diffundieren. Durch aktiven Transport können spezifische Substrate aus der Zelle heraus oder in die Zelle hinein, entgegen einem Konzentrationsgefälle transportiert werden.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des aktiven und passiven Transport von Molekülen und Ionen durch die Zellmembran
Passiver Transport
Der passive Transport beinhaltet sowohl die einfache Diffusion durch die Biomembran, als auch die erleichterte Diffusion, die durch Kanäle oder durch Carrier vermittelt sein kann. Bei der einfachen Diffusion ist es kleinen Molekülen möglich, die Biomembran ohne Zutun spezieller Proteine zu passieren.
Beispiele für solche Moleküle sind Gase wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid, aber auch unpolare Moleküle wie Harnstoff.
Diese Diffusion findet immer entlang des Konzentrationsgradienten statt und benötigt somit keine Energie.
Erleichterte Diffusion
Carrier-Proteine ermöglichen die erleichterte Diffusion, das bedeutet, sie transportieren entlang des Konzentrationsgradienten Moleküle und Ionen, die nicht einfach so durch die Membran diffundieren könnten.
Die erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) über eine semipermeable Biomembran entlang des Konzentrationsgradienten mithilfe von Transmembranproteinen.
Im Gegensatz zur einfachen Diffusion, die entlang des Konzentrationsgefälles einfach durch die Membran stattfindet, kommt die erleichterte Diffusion schließlich zum Erliegen, wenn sie gesättigt ist. Erklären kann man das durch die begrenzte Anzahl an Carrier-Proteinen, dessen Bindestellen bei hoher Diffusionsrate schließlich alle besetzt sind.
Ein anschauliches Beispiel für erleichterte Diffusion durch Carrierproteine ist der Glukosetransporter. Glukose ist in den meisten Zellen die wohl wichtigste Energiequelle, da es der Ausgangsstoff für die Zellatmung ist. Da es sich bei Glukose um ein polares Molekül handelt, kann es nicht einfach durch die Membran diffundieren, sondern benötigt den speziellen Glukosetransporter.
Durch die Bindung von Glukose an der Bindungsstelle des Glukose-Carriers, verändert dieser seine Struktur, es kommt zur Konformationsänderung. Dadurch öffnet sich die gegenüberliegende Seite des Transporters und Glukose wird entlassen. Daraufhin kehrt der Carrier wieder in seine Ausgangsform zurück. Dadurch, dass Glukose schnell in der Zelle abgebaut wird, besteht immer ein Konzentrationsgradient in die Zelle hinein, sodass die erleichterte Diffusion stattfinden kann.
Aktiver Transport
Im Gegensatz zur einfachen und erleichterten Diffusion findet der aktive Transport immer gerichtet statt und benötigt chemische Energie in Form von ATP, weil hier auch ein Transport entgegen des Konzentrationsgradienten passieren kann. Der aktive Transport wird in zwei verschiedene Kategorien unterteilt.
Beim primär-aktiven Transport findet ein Transport von Ionen in eine Richtung entgegen dem Konzentrationsgefälle statt, bei dem direkt Energie verbraucht wird.
Beim sekundär-aktiven Transport werden generell zwei unterschiedliche Arten von Teilchen (A & B) transportiert. Die Energie für diese Art des Transports wird nicht direkt aus ATP erhalten, sondern indirekt durch den aufgebauten Konzentrationsgradienten durch den primär-aktiven Transport. Teilchen A kann somit entlang des Gradienten erleichtert durch Carrier-Proteine diffundieren, wobei zusätzlich Teilchen B auf eine Seite der Membran transportiert wird.
Durch die genutzte Energie ist es den Carrier-Proteinen nun möglich, Moleküle oder Ionen auch entgegen des elektrochemischen Gradienten zu transportieren.
Der elektrochemische Gradient ist der Gradient, der entsteht, wenn an einer Membran unterschiedliche Konzentrationen von Ionen bestehen. Durch die Ladung der Ionen wird der chemische Gradient, also der Konzentrationsunterschied der Teilchen und der elektrische Gradient, also der Spannungsunterschied, miteinander kombiniert.
Anhand der Zahl und der Transportrichtung der transportierten Substrate kann man drei verschiedene Typen der Carrier unterscheiden:
| Carrier-Protein | Funktion | Beispiel |
| Uniport | transportiert ein Substrat in eine Richtung | Transport von Calcium aus dem Cytoplasma in Mitochondrien |
| Symport | transportiert zwei Substrate gemeinsam in eine Richtung | Transport von Na+ mit Aminosäuren in die Zelle |
| Antiport | transportiert zwei Substrate jeweils in entgegengesetzte Richtungen | Natrium-Kalium-Pumpe zur Aufrechterhaltung des Membranpotentials |
Ein Beispiel für primär aktiven Transport durch Carrier-Proteine ist die Natrium-Kalium-ATPase (Na+/K+-Pumpe). Es ist ein für tierische Zellen bedeutungsvolles integrales Membranprotein, das besonders in den Nervenzellen zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials relevant ist.
Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei anderen Carrier-Proteinen. Zunächst binden 3 Natriumionen und ein ATP an der Bindungsstelle des Proteins auf der Seite des Zellinnenraums. Durch die Hydrolyse von ATP kommt es zu einer Konformationsänderung und die Natriumionen werden ins Außenmilieu abgegeben. Daraufhin binden 2 Kaliumionen an der Bindungsstelle des Carriers aufseiten des Außenmilieus. Die Phosphatgruppe des ATPs wird abgespalten und infolgedessen auch die 2 Kaliumionen freigesetzt. Schließlich kehrt die Natrium-Kalium-Pumpe wieder zurück in den Ausgangszustand.
Kurz zusammengefasst: Durch die Abspaltung der Phosphatgruppe von ATP werden 3 Natriumionen aus der Zelle heraus und 2 Kaliumionen in die Zelle hinein transportiert.
Hydrolyse von ATP
ATP (Adenosintriphosphat) ist auch bekannt als die allgemeine Energiewährung in der Zelle. Es besteht aus der Nukleinbase Adenin, die an einen Zucker gebunden ist. Am Zucker befinden sich dann insgesamt drei Phosphatgruppen. Um nun Energie aus diesem Molekül zu erhalten, kommt es zur Abspaltung einer Phosphatgruppe.
Die frei werdende Energie ist also in der chemischen Bindung zwischen der zweiten und dritten Phosphatgruppe gebunden. Wird sie durch die Hydrolyse freigesetzt, kann sie die Aktivierungsenergie für eine biochemische Reaktion liefern. Jetzt ist aus ATP ADP (Adenosindiphosphat) geworden. Um weitere Energie zu gewinnen, ist es möglich eine zweite Phosphatgruppe abspalten, dabei entsteht Adenosinmonophosphat (AMP).
Wenn Dir das noch nicht genügende Informationen zum Adenosintriphosphat waren, dann schau gerne beim zugehörigen Artikel vorbei.
Carrier Proteine – Das Wichtigste
- Carrier-Proteine (kurz: Carrier) sind integrale Transmembranproteine, die sowohl passiven als auch aktiven Transport durch die Zellmembran ermöglichen.
- Carrier-Proteine sind aufgebaut aus mehreren helixförmigen Polypeptidketten, die an der Oberseite eine substratspezifische Bindestelle haben für die zu transportierenden Substrate.
- Durch die Bindung eines spezifischen Substrats an der substratspezifischen Bindestelle, ändert sich die Konformation des Carriers und das Substrat wird auf der gegenüberliegenden Seite wieder entlassen. Danach kehrt der Carrier wieder in seine Ausgangskonformation zurück.
- Bei der erleichterten Diffusion durch Carrier können Moleküle und Ionen ohne Energieaufwand entlang des Konzentrationsgradienten durch die Zellmembran transportiert werden.
- Der aktive Transport von Molekülen und Ionen durch die Zellmembran entgegen dem Konzentrationsgefälle erfordert einen Energieaufwand in Form der ATP-Hydrolyse.
- Beim aktiven Transportdurch Carrier unterscheidet man zwischen:
Uniporter: Transport eines einzigen Substrats in eine festgelegte Richtung
Symporter: Transport von zwei Substraten in eine gemeinsame Richtung.
Antiporter: Transport von zwei Substraten in entgegengesetzten Richtungen.
Nachweise
- David Sadava et al. (2019). Purves Biologie. Springer.
- Loeffler; Petrides. (2014). Biochemie und Pathobiochemie. Springer.
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