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Kanalproteine

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Kanalproteine

Alle Zellen müssen in der Biologie regelmäßig Stoffe mit ihrer Umwelt austauschen. In Eukaryoten geschieht dies zwischen einzelnen Zellen, während Prokaryoten und Einzeller direkt mit ihrer Umwelt in Verbindung stehen. Kanalproteine ermöglichen es Zellen, Stoffe ohne Energieaufwand entlang eines Konzentrationsgradienten durch Diffusion in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinauszutransportieren.

Kanalproteine Definition

Kanalproteine sind Transmembranproteine, die durch die semipermeable Biomembran von Prokaryoten und Eukaryoten hindurchreichen. Sie ermöglichen einen passiven Stofftransport durch erleichterte Diffusion von Ionen oder Molekülen, die die Zellmembran sonst nicht passieren können. Dabei wandern die Teilchen stets vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der geringeren Konzentration.

Die erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport von Ionen oder Molekülen über eine Biomembran mithilfe von Kanalproteinen.

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 natürliche Barriere: die semipermeable Zellmembran.

Die semipermeable Biomembran ist eine natürliche Barriere aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden, die nur von bestimmten Stoffen passiert werden kann. Polare hydrophile Moleküle oder Ionen wie z. B. Natrium- oder Kalium-Ionen können die Membran nicht passieren, während lipophile Moleküle wie Ethanol, Benzol oder Kohlenstoffdioxid durch sie hindurch diffundieren können.

Die Kanalproteine, auch Transmembranproteine oder, aufgrund ihrer Form, Tunnelproteine genannt, liegen in der Zellmembran und verbinden so den intra- und extrazellulären Raum miteinander. Durch Kanalproteine können Ionen oder Moleküle, die die Membran nicht einfach so überqueren können, die Zelle kontrolliert verlassen und betreten (erleichterte 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 den passenden StudySmarter-Artikel dazu durch.

Aufbau eines Kanalproteins

Wie der Name schon verrät, ist ein Kanalprotein ein Protein, was bedeutet, dass es aus Polypeptidketten besteht. Diese Polypeptidketten sind eine Aneinanderreihung von Aminosäuren, welche die Form einer Helix (spiralförmig) 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 hydrophilen (wasserliebenden) und hydrophoben (wasserabweisenden) Aminosäuren unterschieden. In dem Kanalprotein 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

Die Richtung des Stofftransports durch Kanalproteine wird maßgeblich von zwei Faktoren bestimmt: dem Konzentrationsgradienten und dem elektrischen Gradienten. Dabei können beide Gradienten einander entgegenwirken, oder die Intensität des Stofftransports in eine Richtung sogar verstärken, indem sie beide in die gleiche Richtung wirken.

Der Konzentrationsgradient ist die unterschiedliche Stoffmengenverteilung auf beiden Seiten einer semipermeablen Biomembran.

Der elektrische Gradient beschreibt die Verteilung von geladenen Teilchen auf beiden Seiten der Biomembran. So kann eine Seite der Membran positiv und die andere Seite negativ geladen sein.

Werden in einem Axon eines Neurons spannungsgesteuerte Kanalproteine (Natrium-Kanäle) bei dem Erreichen der Schwellenspannung für ein Aktionspotential geöffnet, fließen die Na+-Ionen von dem Bereich der hohen Konzentration (extrazellulärer Raum) in Richtung der niedrigen Konzentration und in Richtung der negativen Ladung (intrazellulärer Raum).

Dies führt zu einer Depolarisation der Membran und der kurzzeitigen Umkehr des Membranpotentials von negativ zu positiv. Auch wenn die Konzentration an Na+ im Neuron immer noch geringer als im extrazellulären Raum ist, wirkt der elektrische Gradient jetzt gegen den Konzentrationsgradienten und die Anzahl einströmender Na+-Ionen verringert sich und im Anschluss werden die spannungsgesteuerten Natrium-Kanäle wieder geschlossen.

Kanalproteine bilden Durchgänge, die in der Regel nur für einen spezifischen Typ von Teilchen durchlässig sind. So wird ein regulierter und spezifischer Stofftransport durch Kanalproteine über die Zellmembran gewährleistet. Basierend auf der Selektivität werden Kanalproteine in selektive Kanalproteine und nicht selektive Kanalproteine unterteilt.

Während manche Kanalproteine immer geöffnet sind, können einige Kanalproteine durch Konformationsänderungen zwischen einem offenen und geschlossenen Zustand wechseln.

Unter einer Konformitätsänderung verstehst Du die Änderung der räumlichen Struktur eines Proteins durch äußere Einflüsse.

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:

ArtFunktionsweiseBeispiel
Spannungsgesteuerte KanalproteineKonformationsänderung bei Spannungsänderung der BiomembranSpannungsgesteuerte Na+-Ionenkanäle öffnen sich durch das Erreichen der Schwellenspannung bei der Entstehung von Aktionspotentialen (Depolarisierung) in Neuronen.
Chemisch-gesteuerte KanalproteineKonformationsänderung durch Bindung eines BotenstoffesWährend der Erregungsübertragung an der motorischen Endplatte bindet der NeurotransmitterAcetylcholin an ligandengesteuerte Na+-Ionenkanäle in der Muskelzelle, die sich daraufhin öffnen.
Mechanisch-gesteuerte KanalproteineKonformationsänderung durch mechanische ReizeSinneshaare von Insekten sind mit mechanisch-gesteurten Na+-Kanälen verbunden. Bei Bewegung der Haare durch z. B. einen Luftstrom werden die Kanalproteine auseinandergezogen und geöffnet.
Licht-gesteuerte KanalproteineKonformationsänderung bei Einstrahlung bestimmter WellenlängenIn der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii konnte ein durch Licht aktivierbarer Kationenkanal (Channelrhodopsin2) nachgewiesen werden, der sich bei 470 nm öffnet und bei 520 nm schließt.
Temperatur-gesteuerte KanalproteineKonformationsänderung durch Temperaturänderungen

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

Kanalproteine Passiver und aktiver Transport StudySmarterAbbildung 2: Passiver und aktiver Transport

Das besondere der Kanalproteine ist, dass sie auch komplett ohne Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) funktionieren. Daher zählen Kanalproteine auch zum passiven Transport, anders als die Carrier-Proteine, welche

am passiven und am aktiven Transport unter Verbrauch von ATP beteiligt sind.

Ein Beispiel für den passiven Transport durch Carrier-Proteine ist der Transport von Glucose im Darmepithel. Der Transport von Glucose geschieht im Darmepithel ebenfalls entlang des Konzentrationsgradienten von der hohen Konzentration zur niedrigen Konzentration.

Carrier-Proteine können also zum aktiven Transport sowie zum passiven Transport gehören. Carrier Proteine fungieren nicht einfach nur passiv als "Tunnel", sondern sind in der Lage, ein Molekül aktiv auch gegen einen Gradienten zu befördern. Das geschieht, wie bei selektiven Kanalproteinen, durch eine Konformitätsänderung des Carrier-Proteins. Die Konformitätsänderung wird meistens durch die Bindung des zu transportierenden Stoffes ausgelöst.

Als Eselsbrücke kannst Du Dir das Wort "carry" aus der englischen Sprache merken. Es bedeutet etwas tragen oder transportieren. Carrier-Proteine transportieren also aktiv Ionen oder Moleküle.

Aufgrund einer spezifischen Bindungsstelle sind Carrierproteine substratspezifisch. Das bedeutet, nur ein bestimmter Typ Moleküle, genauer gesagt eine Gruppe von strukturverwandten Molekülen, können durch die Carrierproteine die Zellmembran passieren.

Aufgrund der immer stattfindenden Konformationsänderung eines Carrier-Proteins 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.

Um die Funktionsweise von Kanal- und Carrierproteinen besser zu verstehen, solltest Du Dich auch zu den Themengebieten 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 (Transmembranproteine) durchziehen die Biomembran der Zelle und sind für den passiven Stofftransport von Ionen und Molekülen zuständig, die die Biomembran sonst nicht passieren könnten. Dieser Prozess wird auch erleichterte Diffusion genannt, wobei die Teilchen stets von dem Bereich der hohen Konzentration zu dem Bereich der geringeren Konzentration wandern.
  • Die beiden entscheidenden Faktoren sind also der Konzentrationsgradient und der elektrische Gradient. Sie werden zusammen als elektrochemischer Gradient bezeichnet.
  • 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 Öffnung und das Schließen von Kanalproteinen kann spannungs-, chemisch-, thermisch-, mechanisch- oder lichtgesteurt sein.

Nachweise

  1. Nagel et al. (2003), Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 100.
  2. Sadava et al. (2019), Purves Biologie, SpringerSpektrum.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kanalproteine

Durch Kanalproteine werden Ionen oder Moleküle entlang eines Gradienten transportiert, die ansonsten die Zellmembran nicht passieren könnten. 

Kanalproteine ermöglichen einen Transport von Stoffen über die Zellmembran. Das geschieht entlang eines Gradienten, ohne dass die Zelle dafür Energie aufwenden muss.

Kanalproteine werden auch Transmembran oder Tunnelproteine genannt und reichen durch die Zellmembran hindurch. 

Ein Kanalprotein besteht aus Polypeptidketten aus einzelnen aneinander hängenden Aminosäuren. Die elektrochemischen Wechselwirkungen der Aminosäuren in den Peptidketten führen zu der Ausbildung einer Helix-Struktur. Lagern sich mehrere Helix-Strukturen zusammen, entsteht ein funktionsfähiges Kanalprotein. Sollen hydrophile Stoffe durch das Kanalprotein transportiert werden, reichen die hydrophilen Aminosäure oder hydrophile Teile der Aminosäuren in das innere der Helix. Die hydrophoben Teile reichen dann in Richtung der Zellmembran.

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 Membran zu passieren?

Antwort anzeigen

Antwort

lipophile (=fettliebende) Moleküle 

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

Frage anzeigen
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