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Kanalproteine

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Biologie

In diesem Artikel geht es um die sogenannten Kanalproteine. Wir erklären dir, was ein Kanalprotein ist, wie es aufgebaut ist, wie sie gesteuert werden und was Kanalproteine von beispielsweise Carrier-Proteinen unterscheidet. Ebenso wirst du einige unterschiedliche Arten von Kanalproteinen im Laufe dieses Artikels kennenlernen, und was es mit dem passiven Transport auf sich hat.


Dieser Artikel gehört zum Fach Biologie und erweitert das Thema des Stofftransports an der Biomembran.


dilek.oezyildirim@studysmarter.de

- bitte Einleitung umformulieren nach Content Wiki Regelungen

- Keine FAQs

1:5 18.12.2021

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Was ist ein Kanalprotein?



Unsere Zellen befinden sich im ständigen Austausch miteinander. Moleküle, Kationen, Anionen – alles strömt von Zelle zu Zelle. Dass bei den großen Mengen an Stoffen schnell ein Ungleichgewicht entstehen würde, ist klar. Genau dafür besitzt jede Zelle eine Zellmembran, die filtert, welche Teilchen nun durch Diffusion in die Zelle eintreten dürfen und welche nicht. Grundsätzlich ist die Zellmembran nämlich eine Barriere, die nur kleine lipophile Moleküle (bspw. Kohlendioxid) überwinden können (Semipermeabilität). Für den Transport von anderen Stoffen sind Kanalproteine notwendig. 


Die Kanalproteine, auch Transmembranproteine oder, aufgrund ihrer Form, Tunnelproteine genannt, liegen in der Zellmembran und verbinden so den intra- und extrazellulären Raum miteinander. Durch sie können Ionen oder Moleküle, die die Membran nicht einfach so überqueren können, die Zelle kontrolliert verlassen und betreten (Diffusion). Die Art und Weise des Transports nennt man bei Kanalproteinen passiven Transport.

 

Wenn du dir nicht mehr sicher bist, wie der passive Transport funktioniert, lies dir einfach den passenden Artikel dazu durch. 


Abbildung 1: Schema einer Zellmembran und ihrer Ionenkanäle Quelle: wikipedia.de



Aufbau eines Kanalproteins


Wie der Name schon verrät, ist ein Kanalprotein ein Protein, was bedeutet, dass es aus Polipeptidketten besteht. Diese Polipeptidketten sind eine Aneinanderreihung von Aminosäuren, welche die Form einer Helix (spiralförmig), genau wie die DNA, besitzen. Um ein funktionstüchtiges Kanalprotein zu erhalten, müssen sich mehrere solcher Helices zusammenfinden, da das Kanalprotein ansonsten zu klein wäre um durch den passiven Transport Moleküle und Ionen zu transportieren. 


Ebenso wird zwischen hydrophiler (wasserliebend) und hydrophober (wasserabweisend) Aminosäure unterschieden. In dem Tunnelprotein liegen die Aminosäuren so verteilt, dass schlussendlich alle hydrophilen Aminosäuren nach innen (zur Mitte des Kanalproteins) zeigen, und die hydrophoben Aminosäuren alles von außen ummanteln. Dies bewirkt, dass hydrophile Moleküle durch die Mitte des Moleküls mithilfe des passiven Transports durch eine Wasserschicht in den intra- oder extrazellulären Raum gelangen können. Gleichzeitig wird ein ungewolltes Ausdringen in die Membran verhindert, da die Moleküle von der hydrophoben Schicht "abgestoßen" werden.



Funktionsweise eines Kanalproteins


Wie schon erwähnt, werden Kanalproteine genutzt, um Moleküle oder Ionen passiv vom intra- in den extrazellulären Raum, oder umgekehrt zu befördern. Das Kanalprotein gilt als das Protein mit der höchsten Durchlassrate durch Diffusion von Molekülen und Ionen im geöffneten Zustand. Sobald sich das Kanalprotein geöffnet hat, können Ionen und Moleküle in Form des passiven Transports hindurchströmen, um auf die andere Seite der Biomembran zu gelangen. 


Da bei Kanalproteinen keine zusätzliche Energie aufgewendet wird, können diese Teilchen nur passiv entlang des Konzentrationsgefälles diffundieren. Daher nennt man dieses Geschehen auch erleichterte Diffusion, da es normalerweise "unpassenden" Teilchen ermöglicht, durch die Zellmembran zu diffundieren. Ebenso bezeichnet man diese Art des Transports als den passiven Transport. Die Triebkraft für diese Diffusion ist der elektrochemische Gradient, welcher sich aus dem Konzentrationsgradienten (chemischer Gradient) und der Potentialdifferenz (elektrischer Gradient) zusammensetzt. 


Konzentrationsgradient: Auf den beiden Seiten der Zellmembran befinden sich zwei unterschiedliche Konzentrationen desselben Stoffes.


Elektrischer Gradient: Auf beiden Seiten der Zellmembran ist die Ladung der Teilchen unterschiedlich (zum Beispiel ist eine Seite positiv und die andere negativ geladen).


Nachdem das Kanalprotein für eine kurze Zeit geöffnet wurde, geht es in eine kurze Phase über, in welcher es nicht erneut geöffnet werden kann. Das kannst du mit der Refraktärzeit bei einem Aktionspotential vergleichen, da das so ähnlich abläuft.


Ebenso besitzen die meisten Kanalproteine einen Selektionsfilter. Dieser sorgt dafür, dass, beispielsweise durch eine bestimmte Form des Tunnels, nur bestimmte Ionen oder Moleküle hindurchpassen. Das sorgt für einen geordneten, passiven Ein- und Ausstrom. Generell unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Kanalproteinen.


Durch einen trichterförmigen Kaliumkanal, passen nur dehydratisierte Kalium-Ionen. Andere Ionen, wie beispielsweise Natriumionen sind zu klein, um mit dem Kaliumkanal in Wechselwirkung treten zu können.


1. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle beim passiven Transport


Diese Ionenkanäle öffnen und schließen sich auf Grundlage einer Spannungsänderung des Membranpotentials. Diese Ionenkanäle sind nur für bestimmte Ionen passiv passierbar.


Ein Beispiel für spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind Natriumionenkanäle, welche sich erst durch die Depolarisation während des Aktionspotentials öffnen lassen.


2. Ligandengesteuerte Kanalproteine beim passiven Transport


Die Kanäle öffnen sich erst, nachdem ein sogenannter Botenstoff (Ligand) sich an das Protein gebunden hat. Danach diffundieren die Moleküle oder Ionen passiv entlang des elektrochemischen Gradienten.


Während der Erregungsübertragung an der Synapse bindet sich der Neurotransmitter Acetylcholin an ligandengesteuerten Natriumionenkanälen, welche sich daraufhin öffnen.


3. Aquaporine beim passiven Transport


Aquaporine sind Kanalproteine, die sich auf den Austausch von Wasser spezialisiert haben, da Wasser aufgrund der lipophilen Schicht im Inneren der Membran diese kaum durchqueren kann. Durch die Aquaporine kann Wasser durch passiven Transport rasant auf die andere Seite der Membran gelangen und dort dann genutzt werden.



Was ist der Unterschied zwischen einem Kanalprotein und einem Carrier-Protein?


Abbildung 2: Passiver und aktiver Transport



Das besondere der Kanalproteine ist, dass sie auch komplett ohne Verbrauch von ATP funktionieren. Daher zählen Kanalproteine auch zum passiven Transport, anders als die Carrier-Proteine, welche auch unter Verbrauch von Adenintriphosphat arbeiten können. Carrier-Proteine gehören damit nämlich zum aktiven Transport und passiven Transport. Carrier Proteine fungieren nicht einfach nur passiv als "Tunnel", sondern sind in der Lage, ein Molekül aktiv zu befördern (das Carrier-Protein bewegt sich). 


Als Eselsbrücke kannst du dir merken: engl. "carry" = transportieren, tragen --> Carrier-Proteine transportieren die Moleküle aktiv.


Dadurch, dass bei der Nutzung von Kanalproteinen normalerweise keine Energie aufgewendet wird, ist es für die Ionen und Moleküle meist auch nur möglich, entlang des Konzentrationsgefälles zu diffundieren. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Ungleichgewicht von Natriumionen im intra- und extrazellulären Raum, es den Natriumionen nur möglich ist, auf die Seite zu diffundieren, auf welcher sich momentan weniger Natriumionen befinden. 


Um die Funktionsweise von Kanal- und Carrierproteinen besser zu verstehen, solltest du dich auch zur Diffusion und Osmose informieren. Zu der Diffusion und zu der Osmose besitzen wir ebenfalls Artikel.



KanalproteinCarrier-Protein
Transport:passiver Transportpassiver Transport und aktiver Transport
ATP-Nutzung:Ohne Verbrauch von ATPkann ATP nutzen
Diffusion:Diffusion nur entlang des Gradienten möglichDiffusion auch entgegen des Gradienten
Übertragungsdauer:Schnellere Übertragung der Moleküle pro Sekundelangsamere Übertragung
Beispiel:NatriumionenkanalNatrium-Kalium-Pumpe



Kanalproteine - Das Wichtigste


  • Kanalproteine durchziehen die Biomembran der Zelle und sind für den Stofftransport zuständig (Transmembranproteine).
  • Es können Ionen oder Moleküle passiv über die Zellmembran transportiert werden.
  • Kanalproteine bestehen aus mehreren Helices, welche aus Polipeptidketten bestehen und kreisförmig angeordnet sind.
  • Im Inneren des Transmembranproteins befinden sich hydrophile Aminosäuren, während außen hdyrophobe Aminosäuren angereiht sind.
  • Der Tunnel des Kanalproteins ist mit Wasser befüllt.
  • Die häufigsten Kanalproteine sind spannungsgesteuerte Ionenkanäle und ligandengesteuerte Kanäle sowie Aquaporine.
  • Kanalproteine gehören zum passiven Transport.
  • Man nennt den Prozess auch erleichterte Diffusion.
  • Es ist Tunnelproteinen nur möglich, passiv entlang des elektrochemischen Gradienten Moleküle und Ionen diffundieren zu lassen.

Finales Kanalproteine 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 Memrban zu passieren? 

Antwort anzeigen

Antwort

lipophile Moleküle wie Kohlenstoff 

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

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