Einzelne Zellen und Organellen sind in Lebewesen durch Biomembranen von ihrem Umfeld abgegrenzt. Für den Stoffaustausch innerhalb der Zelle und mit ihrem Umfeld ist ein Stofftransport über die Biomembran unerlässlich.
Findet der Transport über die Biomembran ohne die Bereitstellung von Energie statt, spricht man von passivem Stofftransport. Werden hierfür zur Hilfe Membranproteine wie Proteinkanäle oder Carrierproteine genutzt, liegt eine erleichtere Diffusion vor.
Definitionen zur Diffusion
Bevor dir die erleichterte Diffusion genauer erklärt wird, sollte dir die Diffusion zunächst ein Begriff sein. Da sich dieser Artikel mit dem Stofftransport über eine Biomembran beschäftigt, wird dir die Diffusion an diesem Beispiel erklärt.
Aufgrund von physikalischen Gesetzten streben Teilchen (in der Regel Moleküle von Gasen und Flüssigkeiten) immer einen Konzentrationsausgleich an, sodass eine homogene Vermischung der Teilchen vorliegt.
Daraus resultiert eine Teilchenbewegung vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedrigerer Konzentration (entlang des Konzentrationsgradienten). Hierbei handelt es sich um die Eigenbewegung der Teilchen. Eine zusätzliche Bereitstellung von Energie ist nicht notwendig. Daher handelt es sich um passiven Transport.
Es liegt ein Raum vor, welcher durch eine Biomembran in zwei Abschnitte getrennt ist. In beiden Abschnitten liegen Teilchen derselben Art in unterschiedlichen Konzentrationen vor.
Sind die Teilchen in der Lage den Biomembran zu durchqueren, streben sie einen Konzentrationsausgleich an und wandern vom Abschnitt hoher Konzentration zum Abschnitt niedrigerer Konzentration. Diese passive Diffusion findet statt, bis in beiden Abschnitten die gleiche Konzentration der Teilchen vorliegt (Konzentrationsausgleich).
Schau dir die Abbildung 1 noch einmal genau an, um den Prozess der Diffusion noch besser zu verinnerlichen.
Abbildung 1: Diffusion über eine Biomembran
Je nachdem, ob die Teilchen ohne Hilfe von Kanalproteinen in der Lage sind, durch die Biomembran zu diffundieren, unterscheidet man zwischen einfacher und erleichterter Diffusion. In beiden Fällen handelt es sich um einen passiven Transport.
Biomembranen sind semipermeabel. Das bedeutet, sie sind halbdurchlässig. Bestimmte Moleküle können durch die Membran diffundieren, während andere Moleküle von der Membran zurückgehalten werden.
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Definition zur einfachen Diffusion
Die einfache Diffusion ist die simpelste Form der Diffusion. Sind Moleküle in der Lage, eine Biomembran ohne Hilfe zu passieren, können diese ohne Transmembranproteine durch die Membran diffundieren. In diesem Fall spricht man von einfacher Diffusion.
Die einfache Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) von kleinen Teilchen, welche aufgrund ihrer Größe und Ladung, die Biomembran ohne die Hilfe von Transmembranproteinen passieren können (hierzu gehören unter anderem die Teilchenbewegungen von Wassermolekülen und Gasen wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid). Die Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgradienten.
Transmembranproteine (auch integrale Proteine) sind Proteine, welche über den gesamten Querschnitt einer Biomembran in ihr eingelagert sind. Hierzu gehören Kanalproteine und Carrierproteine (Transportproteine), aber auch eine ganze Reihe von Proteinen, welche nicht am Stofftransport beteiligt sind.
Definition zur erleichterten Diffusion
Selbstverständlich müssen auch größere Moleküle wie Ionen eine Biomembran durchqueren können. Hierfür sind spezifische Proteinkanäle oder sogenannte Carrierproteine in der Biomembran eingelagert. Mithilfe dieser Kanalproteine können nun auch größere Moleküle durch die Zellmembran diffundieren. Man spricht von erleichterter Diffusion.
Die erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) über eine Biomembran mithilfe von Transmembranproteinen. Transportproteine werden für den Stofftransport immer dann benötigt, wenn Teilchen aufgrund ihrer Größe und Ladung die Biomembran nicht ohne Weiteres passieren können. Die Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgradienten.
Übersicht zum Stofftransport
In der folgenden Abbildung sind die verschiedenen Arten des Stofftransports über die Biomembran dargestellt. Hier noch einmal zur Übersicht zusammen gefasst:
- Einfache Diffusion (passiver Transport): Transport von kleinen Molekülen, ohne zusätzliche Energie, entlang des Konzentrationsgefälles.
- Erleichterte Diffusion (passiver Transport): Transport größere Moleküle und Ionen, ohne zusätzliche Energie, entlang des Konzentrationsgefälles, mithilfe von Transmembranproteinen (Kanäle und Carrier).
- Aktiver Transport: Transport von Molekülen und Ionen, zusätzliche Energie wird benötigt (z. B. ATP), entgegen des Konzentrationsgradienten
Abbildung 2: Aktiver und Passiver Stofftransport
Erleichterte Diffusion durch Kanäle
Bei der erleichterten Diffusion sind bestimmt Proteine notwendig, um große Moleküle, und geladene Ionen durch die Membran zu schleusen. Diese integralen Proteine sind in der Membran eingelagert und werden als Carrier- und Kanalproteine bezeichnet.
Kanalproteine sind transmembrane Transportproteine. Sie bilden Kanäle in der Zellmembran und ermöglichen den passiven Transport (erleichterte Diffusion) von spezifischen Molekülen wie Ionen.
Eigenschaften von Kanalproteinen
Kanalproteine bilden hydrophile (wasserliebend) Kanäle durch den hydrophoben (wasserabweisenden) Kern der Membran. So wird ermöglicht, dass polare sowie geladenen Teilchen die Biomembran passieren können, die sonst vom hydrophoben Kern der Membran am Passieren gehindert werden.
Kanalproteine bilden Durchgänge, die in der Regel nur für einen spezifischen Typ von Teilchen durchlässig ist. So wird ein regulierter und spezifischer Stofftransport über die Zellmembran gewährleistet. Basierend auf der Selektivität werden Kanalproteine in selektive Kanalproteine und nicht selektive Kanalproteine unterteilt.
Während manche Proteinkanäle immer geöffnet sind, können einige Kanalproteine durch Konformationsänderungen zwischen einem offenen und geschlossenen Zustand wechseln. In der Regel führt eine Bindung durch einen Botenstoff (z. B. Neurotransmitter) dazu, dass sich die Konformation eines Kanalproteins ändert. Basieren auf dem Mechanismus der Konformationsänderung, werden Kanalproteine wie folgt unterteilt:
- Spannungsgesteuerte Kanalproteine (Konformationsänderung bei Spannungsänderung der Biomembran)
- Chemisch-gesteuerte Kanalproteine (Konformationsänderung durch Bindung eines Botenstoffes)
- Mechanisch-gesteuerte Kanalproteine (Konformationsänderung durch mechanische Reize)
- Temperatur-gesteuerte Kanalproteine (Konformationsänderung durch Temperaturänderungen)
- Licht-gesteuerte Kanalproteine (Konformationsänderung bei Einstrahlung bestimmter Wellenlängen)
Beispiele für Kanalproteine
Anhand von zwei typischen Beispielen von Kanalproteinen soll dir die Funktionsweise und Bedeutung von Kanalproteinen und der erleichterten Diffusion verdeutlicht werden.
Natrium-Ionenkanäle (Na+)
Natrium-Ionenkanäle sind Proteinkanäle, welche durch die Bildung einer Pore die Durchlässigkeit (Permeabilität) einer Zellmembran für Na+- Ionen enorm erhöhen. Andere Ionen sind nicht in der Lage, Natrium-Ionenkanäle zu passieren.
Je nach Typ können Natrium-Ionenkanäle spannungsgesteuert oder durch Bindung von Neurotransmittern geöffnet werden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Erregungsleitung mittels Aktionspotenzialen. Bei der Erregungsleitung wird durch das Öffnen von Natriumkanälen ein Einstrom von Natrium-Ionen in die Zelle ausgelöst.
Der starke Einstrom von Natrium-Ionen führt zu einer Spannungsänderung der Zelle und erzeugt so ein Aktionspotenzial, welches die Erregungsleitung ermöglicht. Der Einstrom der Ionen basiert auf der erleichterten Diffusion.
Für einen tieferen Einblick zur Erregungsleitung solltest du beim StudySmarter Lernset Erregungsübertragung vorbeischauen.
Aquaporine
Aquaporine (auch Wasserkanäle) sind Kanalprotein für Wassermoleküle. Aquaporine werden dann benötigt, wenn es darauf ankommt, dass möglichst viel Wasser die Membran schnell durchqueren muss.
Aquaporine sind von Bedeutung, wenn der Wasserhaushalt von Zellen reguliert werden muss. Bei Pflanzenzellen sind sie an der Regulierung des Innendrucks der Zellen (Tugor) beteiligt. Bei Säugetieren spielen sie beispielsweise bei der Regulierung von Wasser in den roten Blutkörperchen, in der Niere und im Auge eine Rolle.
Carriervermittelte erleichtere Diffusion
Carrierproteine, auch Trägerproteine genannt, ändern ihre Form (Konformationsänderung), um ein großes Molekül oder geladenes Ion von der einen Seite der Membran zur anderen Seite zu transportieren.
Carrierproteine sind transmembrane Transportproteine. Sie bilden Schleusen in der Zellmembran und ermöglichen den passiven Transport (erleichterte Diffusion) von spezifischen Molekülen, wie Zuckermolekülen.
Der Unterschied zu Proteinkanälen ist, dass die diffundierenden Moleküle am Carrierprotein binden und daraufhin durch eine Konformationsänderung auf der anderen Seite der Membran entlassen werden.
Eigenschaften von Carrierproteinen
Carrierproteine werden zum passiven Transport entlang des Konzentrationsgradienten genutzt (erleichterte Diffusion).
Durch eine Konformationsänderung werden große Moleküle und Ionen durch die Biomembran geschleust. Die Konformationsänderung ist in der Regel eine Reaktion auf die Bindung ihres Zielmoleküls, wobei diese Änderung das Molekül zur gegenüberliegenden Seite bewegt.
Aufgrund einer spezifischen Bindungsstelle sind Carrierproteine wie auch Kanalproteine substratspezifisch. Das bedeutet, dass nur ein bestimmter Typ Moleküle, genauer gesagt eine Gruppe von strukturverwandten Molekülen, durch die Carrierproteine die Zellmembran passieren können.
Aufgrund der nötigen Konformationsänderung ist die carriervermittelte Diffusion langsamer als die kanalvermittelte Diffusion. Carrierproteine arbeiten ungefähr mit einer Geschwindigkeit von 1000 Molekülen pro Sekunde, währen bei Kanalproteinen mit einem Transport von mehreren Zehn-Millionen Molekülen pro Sekunde zu rechnen ist.
Carrierproteine können auch dazu dienen, um Moleküle unter Bereitstellung von Energie gegen den Konzentrationsgradienten zu transportieren (aktiver Transport). In der Regel werden Transmembranproteine, welche am aktiven Transport beteiligt sind als ATPasen oder Pumpen bezeichnet.
Carrierproteine und Pumpen können einzelne Moleküle, aber auch mehrerer Moleküle gekoppelt transportieren. Je nach Art des Transports wird zwischen folgenden unterschieden:
- Uniport: Ein Molekül wird in über die Biomembran transportiert.
- Symport: Zwei Moleküle werden gekoppelt in dieselbe Richtung über die Zellmembran transportiert.
- Antiport: Zwei Moleküle werden in entgegengesetzte Richtung transportiert.
Bei Symport und Antiport handelt es sich in der Regel um sekundär aktiven Transport. Das bedeutet, dass eins der beiden Moleküle mit dem Konzentrationsgradienten und das andere Molekül entgegen des Konzentrationsgradienten transportiert werden. Die benötigte Energie für den aktiven Transport wird aus dem Transport entlang des Konzentrationsgefälles gewonnen.
Beispiel für Carrierproteine
Eine wichtige Familie der Carrierproteine sind die Glucosetransporter. Glucose ist der wichtigste Energielieferant in unseren Zellen und wird im Zuge der Zellatmung benötigt, um ATP (Adenosintriphosphat) zu synthetisieren. Damit die Glucose hingelangt, wo sie benötigt wird, ist ein Transport über die Membran nötig.
Der Transport von Glucose erfolgt mithilfe von Carrierproteinen. Hierbei werden die Glucosemoleküle entlang des Konzentrationsgradienten transportiert (erleichterte Diffusion). Glucose binden im Inneren der Glucosetransporter, wodurch eine Konformationsänderung hervorgerufen wird. Im Anschluss werden die Glucosemoleküle auf der anderen Seite des Zellmembran entlassen.
Erleichterte Diffusion – Das Wichtigste
- passiver Transport benötigt keine Bereitstellung von Energie
- Einfache Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) von kleinen Teilchen, welche aufgrund ihrer Größe und Ladung, die Biomembran ohne die Hilfe von Transmembranproteine passieren können (Transport entlang des Konzentrationsgradienten).
- Erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) über eine Biomembran mithilfe von Transmembranproteinen (die Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgradienten).
- Es gibt kanalvermittelte Diffusion und carriervermittelte Diffusion
- Kanalproteine sind transmembrane Transportproteine. Sie bilden Kanäle in der Zellmembran und ermöglichen den passiven Transport (erleichterte Diffusion) von spezifischen Molekülen wie Ionen.
- Carrierproteine unterscheiden sich zu Proteinkanälen, indem, dass die diffundierenden Moleküle am Carrierprotein binden und daraufhin durch eine Konformationsänderung auf der anderen Seite der Membran entlassen werden.
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