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Carrier Proteine

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Carrier Proteine

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 oder Informationen weiterzuleiten.

Die Carrier-Proteine sind integrale Transmembranproteine, die diesen Transport von bestimmten Molekülen und Ionen aus der Zelle heraus und in die Zelle herein ermöglichen.

Carrier-Proteine Definition

Carrier-Proteine oder auch kurz Carrier genannt, sind integrale Membranproteine, die für den Transport von spezifischen Molekülen oder Ionen zuständig sind.

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 sowohl aktiv unter ATP-Verbrauch oder passiv angetrieben vom Konzentrationsgefälle.

Die Besonderheit der Carrier-Proteine ist es jetzt, dass sie sowohl aktiv Moleküle oder Ionen transportieren können, als auch passiven Transport durchführen können.

Wenn Du eine kleine Auffrischung Deines Wissens bezüglich der Biomembran benötigst, dann lies Dir gerne den zugehörigen Artikel dazu durch.

Der aktive Transport beschreibt den Transport von Molekülen und Ionen unter Energieverbrauch durch ATP entgegen einem Konzentrationsgradienten durch Transportproteinen.

Passiver Transport ist der Transport von kleinen lipophilen Molekülen durch die Zellmembran entlang des Konzentrationsgefälles.

Ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) entsteht, wenn die Konzentration von gelösten Stoffen auf der einen Seite der Membran höher ist, als auf der anderen. Durch die Regeln der Osmose 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 gespannt sind. Sie sind aufgebaut aus mehreren helixförmigen Polypeptidketten, diese bilden jedoch keinen Tunnel, wie es bei Kanälen der Fall ist, sondern eine Art Transportsystem. An einer Bindungsstelle am Carrier müssen die zu transportierenden Moleküle oder Ionen binden, diese Bindung verursacht dann eine Konformationsänderung. Daraufhin wird das Substrat 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 entlassen werden.

Durch die Bindungsstelle an der Oberseite ist das Carrier-Protein 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 Biomembran zu erleichtern. Durch passiven Transport in Form von erleichterter Diffusion durch die Carrier oder durch aktiven Transport können spezifische Substrate aus der Zelle heraus oder in die Zelle hinein diffundieren.

Carrier-Proteine Funktion von Carrier-Proteinen passiver und aktiver Transport StudySmarterAbbildung 1: Schematische Darstellung des aktiven und passiven Transport von Molekülen und Ionen durch die Zellmembran

Erleichterte Diffusion

Carrier-Proteine sind Teil der erleichterten Diffusion, das bedeutet sie durch den Transport entlang des Konzentrationsgradienten Moleküle und Ionen transportieren, 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, der für viele Lebewesen die essenzielle Aufgabe des Glukosetransports erfüllt. Glukose ist in den meisten Zellen die wohl wichtigste Energiequelle. 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 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. Diesen kann der Carrier nutzen.

Aktiver Transport

Im Gegensatz zur einfachen und erleichterten Diffusion findet der aktive Transport immer gerichtet und benötigt chemische Energie in Form von ATP.

Unter dem aktiven Transport versteht man den Membrantransport von Substraten entgegen dem Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch.

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 größere Moleküle wie Aminosäuren oder Zucker zusammen mit einem anderen Molekül durch Symporter transportiert. Diese verbrauchen wohl nicht direkt Energie, nutzen jedoch indirekt, indem sie den, von den primär-aktiven Transportern aufgebauten, Konzentrationsgradienten für ihren Transport nutzen.

Durch die genutzte Energie ist es den Carrier-Proteinen nun möglich, Moleküle oder Ionen auch entgegen des elektrochemischen Gradienten zu transportieren.

Anhand der Zahl und der Transportrichtung der transportierten Substrate kann man drei verschiedene Typen der Carrier unterscheiden:

Carrier-Proteine Sekundär-aktiver Transport Antiport Symport Uniport StudySmarterAbbildung 2: Arten des aktiven Transport: Uniport, Symport und Antiport

Uniporter

Uniporter sind Carrierproteine, die ein einziges Substart in eine festgelegte Richtung transportieren.

Symporter

Symporter transportieren zwei Substrate gemeinsam in eine Richtung durch die Zellmembran.

Antiporter

Antiporter transportieren zwei Substrate jeweils in entgegengesetzte Richtungen durch die Membran. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

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 zuvor gebundene Phosphatgruppe des ATPs wird freigesetzt und infolgedessen auch die 2 Kaliumionen. Schließlich kehrt die Natrium-Kalium-Pumpe wieder zurück in den Ausgangszustand.

Kurz zusammengefasst: Durch die Spaltung von ATP werden 3 Natriumionen aus der Zelle heraus und 2 Kaliumionen in die Zelle hinein transportiert.

Carrier-Proteine Antiporter Beispiel Carrier-Protein Beispiele Natrium-Kalium-Pumpe StudySmarterAbbildung 3: Darstellung der Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe

Hydrolyse von ATP

ATP (Adenosintriphosphat) ist auch bekannt als die allgemeine Energiewährung in der Zelle. Es ist aufgebaut aus einem Adeninrest, der an einen Zucker gebunden ist. Am Zucker befinden sich dann insgesamt drei Phosphatreste.

Um nun Energie aus diesem Molekül zu bekommen, kommt es zur Abspaltung einer Phosphatgruppe. Dabei wird Energie frei, die dann zum Beispiel für den aktiven Transport genutzt werden kann. Jetzt ist aus ATP ADP (Adenosindiphosphat) geworden. Um noch mehr Energie zu gewinnen, kann man auch außerdem 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 Transport durch Carrier unterscheidet man zwischen:
    • Uniporter: Transport eines einzigen Substrats in festgelegte Richtung

    • Symporter: Transport von zwei Substraten in eine gemeinsame Richtung.

    • Antiporter: Transport von zwei Substraten in entgegengesetzten Richtungen.


Nachweise

  1. David Sadava et al. (2019). Purves Biologie. Springer.
  2. Loeffler; Petrides. (2014). Biochemie und Pathobiochemie. Springer.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Carrier Proteine

Carrierproteine können Moleküle und Ionen, die nicht einfach durch die Zellmembran diffundieren können, mit oder gegen den Konzentrationsgradienten transportieren. 

Carrier Proteine bestehen aus helixförmigen Polypeptidketten, die eine oder mehrere substratspezifische Bindungsstellen an der Oberseite besitzen. 

Beim Carriertransport werden Moleküle oder Ionen mit (passiv) oder entgegen (aktiv) des Konzentrationsgradienten durch die Zellmembran transportiert. Der aktive Transport erfordert einen Energieaufwand.

Der Uniport der Carrierproteine ist eine Transportart, bei der nur ein einziges Molekül in eine bestimmte Richtung transportiert wird.

Finales Carrier Proteine Quiz

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 Carrier Protein mit einem Uniport kann nur ein Molekül gleichzeitig von einer Seite 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 Molekül 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 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
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