Erleichterte Diffusion: Definition, Beispiele & Energiebedarf
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Erleichterte Difussion

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Biologie
Wenn du dich für den passiven Transport von Stoffen interessierst, bist du hier genau richtig. Die erleichterte Diffusion ist eine von zwei passiven Transportmöglichkeiten von Stoffen. Was diese genau ist, wie sie abläuft und vieles mehr erfährst du hier. Der Artikel erweitert das Thema Zellbiologie sowie das Unterthema Stofftransport.



Was ist Diffusion?


Bei einer Diffusion bewegt sich ein Stoff von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration (Konzentrationsgefälle), bis diese Konzentration gleich wird.


Abbildung 1: Diffusion; Quelle: Khan Academy




Die Abbildung zeigt dir wie ein Konzentrationsgefälle aussieht. Du siehst, dass es oben, also außerhalb der Zelle, mehr Moleküle gibt als im Cytoplasma. Die Lipiddoppelschicht ist nichts anderes als die Zellmembran.


Es kann eine Diffusion durch das Zytosol der Zelle oder über die Plasmamembran erfolgen. Außerdem hat jeder Stoff seinen eigenen Konzentrationsgradienten, das heißt sie diffundieren gleichzeitig unabhängig voneinander.

Bei einer Diffusion wird unter einer einfachen Diffusion und einer erleichterten Diffusion unterschieden (beide sind passive Transportvorgänge). Letztere stellen wir dir hier vor.


Für einen genaueren Einblick in die Diffusion kannst du dir einfach den passenden Artikel dazu anschauen.

Was ist eine erleichterte Diffusion?


Bei einer erleichterten Diffusion diffundieren Moleküle oder Ionen unter Hilfe von Membranproteinen (Kanal- und Carrierproteine) durch die Plasmamembran. Für diese Bewegung wird keine extra aufgewandte Energie (in Form von ATP-Verbrauch) benötigt, weswegen die erleichterte Diffusion auch zum passiven Transport zugeordnet wird.


Im Vergleich zur einfachen Diffusion ist bei der erleichterten Diffusion eine Sättigungskinetik ersichtlich. Die Anzahl der Integralen für die erleichterte Diffusion benötigten Proteine in der Zellmembran sind begrenzt. Also steigt sie auch nicht proportional zum Konzentrationsunterschied, wie bei der einfachen Diffusion. Der Transport kann auch kompetitiv gehemmt werden.


Der Begriff Sättigungskinetik beschreibt die Tatsache, dass die Kapazität von Enzymen zum Abbau von Stoffen begrenzt ist. Bei einer zu hohen Dosissteigerung von Arzneistoffen kann davon überproportional viel ins Plasma gelangen.



Die Biomembran ist nicht für alle Stoffe durchlässig. In Wasser gelöste polare Moleküle und große Ionen können nicht durch die Lipiddoppelschicht diffundieren, da sie hydrophob sind. Das nennt man selektive Permeabilität. Kleine Moleküle wie Harnstoff oder Gase sind durchlässig. Für andere größere Moleküle, wie Zucker oder Aminosäuren, gilt dies nicht. 



Diffusion durch Carrierproteine oder Kanalproteine 


Bei der erleichterten Diffusion sind bestimmt Proteine notwendig, um große Moleküle bzw. geladene Ionen durch die Membran zu schleusen. Diese integralen Proteine sind in der Membran eingelagert und werden als Carrier- und Kanalproteine bezeichnet. Die erleichterte Diffusion mit diesen Proteinen erklären wir dir jetzt.



Erleichterte Diffusion durch Carrierproteine (Trägerproteine)


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. Sie stellen den hydrophilen Molekülen den Weg einer Abwärtswanderung entlang eines Konzentrationsgradienten zur Verfügung.

Wichtig ist, dass die Carrierproteine nicht wie Pumpen funktionieren.


Die Carrierproteine sind auf bestimmte Moleküle spezialisiert und haben eine Bindungsstelle für diese (ähnlich wie bei Substraten und Enzymen). Sie sind also nur für einige Substanzen selektiv. Manche Carrierproteine können nur ein Molekül auf einmal befördern, während andere zwei verschiedene Moleküle gleichzeitig in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung transportieren können und die erleichterte Diffusion stattfindet.


Die Konformationsänderung ist oft eine Reaktion auf die Bindung ihres Zielmoleküls, wobei diese Änderung das Molekül zur gegenüberliegenden Seite bewegt.


Abbildung 2: Erleichterte Diffusion durch die Membran; Quelle: Sawakinome




Die Abbildung zeigt einen schematischen Ablauf, wie ein Carrierprotein Moleküle durch die Membran schleust.


Erleichterte Diffusion durch Kanalproteine


Bei der erleichterten Diffusion kommen auch Kanalproteine zum Einsatz, sie werden auch Transmembranproteine genannt. Sie wirken wie ein hydrophiler Tunnel durch die Membran. Kanalproteine sind selektiv und lassen nur bestimmte Moleküle diffundieren. Durch sie können sowohl geladene Ionen als auch kleine polare Moleküle in die Zelle geschleust werden. 


Viele Kanalproteine sind in der Regel offen, manche aber öffnen sich erst bei Reaktion auf ein bestimmtes Signal. Zum Beispiel bei Bindung eines Botenstoffs oder durch ein elektrisches Signal. Danach schließt sich das Kanalprotein wieder.

Andere wieder rum reagieren auf die Änderung des Membranpotentials. Zellen, wie Nerven- und Muskelzellen, die an der Übertragung von elektrischen Signalen, haben Ionenkanäle für Kalium-, Calcium-, und Natriumionen in ihren Membranen. Das Öffnen und Schließen dieser Kanäle hat große Wichtigkeit bei der elektrischen Übertragung entlang der Membranen (in die Nervenzellen und Muskelzellen), weil dabei die Ionenkonzentration verschoben wird.


Sobald die Kanäle einmal offen sind, diffundieren die Zielmoleküle entlang des Konzentrationsgefälles durch sie hindurch. Das geschieht so lange, bis sich die Kanäle wieder schließen oder bis die Konzentration des Stoffes auf beiden Seiten der Membran gleich ist.


Porine


Porine sind Proteinmoleküle in der äußeren Membranschicht, die einen Kanal (Kanalprotein) bilden.

Sie sind ähnlich wie Ionenkanäle aufgebaut, ermöglichen den Durchtritt noch größerer Moleküle und erlauben den passiven (erleichterten) Transport von hydrophilen Nährstoffen von der einen Membranseite zur anderen. 


Die Diffusionsrate von Molekülen durch die Porinkanäle ist stark abhängig von der elektrischen Ladung der Moleküle, ihrer Größe und Hydrophobizität (,,Wassermeidung“). Sie sind nahezu undurchlässig für hydrophobe Moleküle. 


Ein Bespiel für Porine sind die sogenannten Aquaporine. Diese sind Kanalproteine, die dafür sorgen, dass Wasser (und andere Moleküle) durch die Membran sehr schnell diffundieren kann. Aquaporine sind ubiquitär (über all vorkommend). In anderen Worten: Sie wurden sowohl in Bakterien, Pflanzen als auch Tieren und sogar in Archaeen gefunden. Sie spielen eine wichtige Rolle in roten Blutkörperchen und bestimmten Teilen der Niere.



Transportgeschwindigkeiten von erleichterter Diffusion


Die Transportgeschwindigkeiten von erleichterter Diffusion und normaler Diffusion unterscheiden sich. Wegen der größeren Beweglichkeit des Träger-Substrat-Komplexes bei der erleichterten Diffusion im Vergleich zum freien Substrat ist die Trägertransportgeschwindigkeit bei der der erleichterten Diffusion höher.


Bei der erleichterten Diffusion unterscheiden sich die Transportgeschwindigkeiten aber auch. Allgemein sind Kanalproteine bei ihrem Prozess viel schneller. Das liegt einfach daran, dass Kanalproteine Tunnel sind, die ihre Form nicht verändern müssen, was jedes Mal Zeit in Anspruch nimmt. Die Carrierproteine müssen ihre Form auch immer wieder zurücksetzen. 


Erleichterte Difussion - Das Wichtigste

  • Bei Diffusion wird in ,,normale" und erleichterte Diffusion unterschieden.
  • Bei der erleichterten Diffusion helfen Carrierproteine und Kanalproteine Moleküle und Ionen durch die Membran zu schleusen.
  • Carrierproteine ändern dafür ihre Raumstruktur.
  • Kanalproteine wirken dagegen wie ein Tunnel, weshalb die Diffusion mit ihnen auch im Vergleich schneller stattfindet.


Häufig gestellte Fragen zum Thema Erleichterte Difussion

Die erleichterte Diffusion ist eine von zwei passiven Transportmöglichkeiten von Stoffen. Es wird keine Energie benötigt, weil sogenannte Carrierproteine und Kanalproteine die Diffusion der Moleküle und Ionen ermöglichen. Die Carrierproteine ändern dafür ihre Raumstruktur während die Kanalproteine wie Tunnel funktionieren.

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