Der passive Transport stellt eine Form des Stofftransports dar, der keine Energie benötigt. In dieser Hinsicht unterscheidet es sich vom aktiven Transport, welcher nur unter Energieaufwand ablaufen kann.
Der Membrantransport
Vor der Beschäftigung mit dem passiven Transport ist es wichtig, den allgemeinen Membrantransport zu betrachten.
Der Membrantransport ist in der Biologie als ein Transport von Stoffen durch eine Biomembran definiert.
Die Kompartimentierung – Grundlage des Membrantransports
Bei diesem Transport wird das Zellinnere vom Zelläußeren durch die Biomembran der Zelle getrennt. "Außen" wird dann als Umwelt beziehungsweise Interstitium benannt, welches die Flüssigkeit zwischen den Zellen darstellt.
Das Zellinnere hingegen, in welchem sich unter anderem auch die Zellorganellen befinden, wird als Cytoplasma bezeichnet.
Da die Zelle durch die Biomembran eine selbstgesteuerte und abgegrenzte Einheit darstellt, wird dies als Kompartimentierung bezeichnet. Die Kompartimentierung erlaubt den Unterschied zwischen dem Zelläußeren und -inneren. Damit ist sie die Grundvoraussetzung für den passiven Transport. Dabei muss der Transport keineswegs nur von außen nach innen stattfinden, sondern auch ein Transport von innen nach außen ist möglich.
Die Biomembran – Grundbaustein des Membrantransports
Wie du bereits gelernt hast, sind die Biomembranen der Körperzellen der Grund für die Kompartimentierung. Damit sind sie Grundlage des passiven Transports. Wie die Biomembran einer Zelle generell aufgebaut ist und was das für den passiven Transport von Stoffen bedeutet, erklären die folgenden Abschnitte:
Aufbau der Biomembran
Eine Biomembran, also auch die Zellmembran, besteht aus einer Doppellipidschicht. Das bedeutet, dass zwei Lagen von Phospholipiden sich gegenüberliegen. Charakteristisch sind die innenliegenden hydrophoben Fettsäureanteile. Die hydrophilen Phosphatreste stehen nach außen. Der generellen Aufbau einer solchen Membran ist in Abbildung 1 dargestellt.
Biomembranen umfassen ganze Zellen sowie Zellorganellen. Damit schaffen sie eine Barriere, um einen unerwünschten Stoffaustausch mit der unmittelbaren Umgebung zu vermeiden. Diese Barriere muss beim passiven Transport überwunden werden.
Abbildung 1: die Doppellipidschicht der Biomembran
Die Eigenschaften der Biomembran
Die Phosphatreste sind polar und hydrophil (wasserliebend). Die Fettsäuren hingegen sind lipophil (fettliebend). Dadurch können kleine polare Moleküle und lipophile Moleküle die Membran durchdringen. Ein Beispiel für einen lipophilen Stoff, beziehungsweise ein Gas, ist Kohlenstoffdioxid, kurz
.
Es gibt in der Biologie zwei Begriffe für die gleiche Eigenschaft. Lipophil bedeutet fettliebend. Daraus ergibt sich, dass es auch wassermeidend, also hydrophob bedeutet. Ein lipophiles Molekül ist also gleichzeitig auch hydrophob. Ein lipophobes, also fettmeidendes Molekül ist hydrophil, also wasserliebend.
Der passive Transport
Nun sind schon einmal die Gegebenheiten für den passiven Transport geklärt worden. Wie genau der Stofftransport nun abläuft, wird im Folgenden aufgeführt.
Der Grundantrieb des passiven Transports
Wenn Energie nicht der Antrieb des passiven Transports ist, muss es eine andere Kraft geben, die diese Art des Transports ermöglicht. Die Antriebskraft für den passiven Transport ist hierbei die Diffusion. Die Diffusion ist ein Vorgang, der bei einem Konzentrationsgradienten (=Konzentrationsgefälle) zu beobachten ist.
Generell wird ein Zustand der gleichmäßigen Verteilung von Teilchen in einem festgelegten Bereich angestrebt. Daraus ergibt sich, dass es einen Teilchenstrom von einem Bereich mit einer hohen Konzentration zu einem Bereich mit einer niedrigeren Konzentration gibt. Das passiert so lange, bis eine gleichmäßige Verteilung erreicht ist.
Ein Konzentrationsgradient liegt vor, wenn in einem definierten Bereich auf einer Seite die Konzentration eines Stoffes kleiner ist, als auf der anderen.
Bei der Diffusion laufen die Teilchen eines Stoffes also entlang seines Konzentrationsgradienten. Das ist der Grundantrieb des passiven Transports.
Die Brownsche Molekularbewegung ist die Annahme, auf die sich das Prinzip der Diffusion stützt. Sie besagt, dass sich in Gasen und Flüssigkeiten die Atome oder Moleküle des Gases oder der Flüssigkeit stets in Bewegung befinden. Da sie sich bewegen, prallen sie auch voneinander ab. Werden nun fremde Teilchen in das System gegeben, stoßen sie ungerichtet mit den Gas- oder Flüssigkeitsteilchen aneinander. Das führt über die Zeit dazu, dass sie sich voneinander entfernen.
Die Arten des passiven Transports
Den passiven Transport kann man in verschiedene Arten unterteilen. Dabei ist aber immer die Diffusion, beziehungsweise der Konzentrationsgradient, die Triebkraft hinter dem Transport.
Die einfache Diffusion beim passiven Transport
Die Art der einfachen Diffusion wird, je nach Quelle, einer eigenen Transportart oder dem passiven Transport zugeschrieben. Auch hier wird keine Energie für den Stofftransport benötigt. Bei der einfachen Diffusion wandern hydrophobe Moleküle, beispielsweise Lipide, durch die Biomembran. Das geschieht entlang des Konzentrationsgradienten.
Die einfache Diffusion benötigt keine weiteren Hilfsmittel und kann deswegen als die einfachste Art des passiven Transports angesehen werden.
Wenn außerhalb und innerhalb der Zelle die gleiche Konzentration herrscht, gibt es keine Diffusion. Die Teilchen wandern nun nicht entlang ihres Konzentrationsgefälles, sondern nur zufällig umher. Diesen Zustand nennt man Fließgleichgewicht.
Die erleichterte Diffusion beim passiven Transport
Im Gegensatz zur einfachen Diffusion können nicht alle Stoffe die Biomembran entlang des Konzentrationsgefälles passieren. Einige benötigen ein Ventil, um die hydrophobe Biomembran durchdringen zu können. Durch verschiedene Hilfseinrichtungen können somit auch etwa polare Moleküle die Membran durchdringen.
Der passive Transport durch Carrier
Der erste Weg der erleichterten Diffusion ist der Carrier-Transport. Carrier sind Membranproteine, die ein bestimmtes Substrat befördern können. Sie liegen in der Membran und sorgen für einen schnelleren Stofftransport. Das kann aber nur in Anwesenheit des spezifischen Substrates erfolgen. Der Carrier schleust sein Substrat durch die Membran entlang des Konzentrationsgradienten.
Der Transport kann auch in die andere Richtung erfolgen. Dabei geht es immer nur um den Konzentrationsgradienten. Deswegen kann der Transport durch die Membran sowohl in die Zelle hinein, als auch aus der Zelle hinaus erfolgen.
Die Mechanismen des Carrier-Transports
Die Schleusung von Teilchen durch Carrier ist nach einem bestimmten Schema geregelt. Dabei dient der Carrier als eine Art Shuttle, um die Stoffe durch die Membran hindurch zu befördern. Das Substrat und der Carrier passen wie Schlüssel und Schloss zusammen. Das bedeutet, dass der Carrier nur in Anwesenheit des spezifischen Substrates Stoffe durch die Membran schleusen kann. Bei diesem Vorgang ändert er seine Form, sodass er sich zu einer Seite hin schließt und zur anderen Seite hin öffnet. Dadurch kann das Substrat auf der anderen Seite ausgelassen werden.
Die Formänderung eines Proteins wird in der Biologie häufig als Konformationsänderung bezeichnet.
Ein Carrier kann als Protein kompetitiv gehemmt werden. Das heißt, wenn ein ähnlich aufgebautes Substrat in höherer Konzentration vorhanden ist, kann es den Carrier blockieren. Dadurch kann er sein eigentliches Substrat nicht mehr durchschleusen.
Ein Mechanismus des Carrier-Transports ist der sogenannte "Klapptür-Mechanismus". Bei diesem klappt der Carrier erst zur Seite des Substrats auf. Wenn das Substrat gebunden ist, ändert der Carrier seine Form, sodass er zur anderen Seite hin aufklappt und das Substrat freisetzt.
Der Ablauf des Carrier-Transports
Hier die Schritte des Carrier-Transports zusammengefasst:
- An den spezialisierten Carrier dockt das passende Substrat-Molekül an (Schlüssel-Schloss-Prinzip).
- Der Carrier ändert dadurch seine Gestalt (Konformationsänderung).
- Die Konformationsänderung führt zur Schleusung des Moleküls.
- Das Molekül wird nach dem Schleusen auf der anderen Seite der Membran freigesetz.
Die Formen des Carrier-Transports
Es gibt verschiedene Formen des Carrier-Transports. Diese unterscheiden sich in der Anzahl der Substrate, die gleichzeitig transportiert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, ob die unterschiedlichen Substrate in die gleiche- oder in die entgegengesetzte Richtung transportiert werden.
Die Transportarten hast du vielleicht schon in Verbindung mit dem aktiven Transport gehört. Der Unterschied hierbei ist, dass anders als beim aktiven Transport, kein elektrisches Gefälle, sondern ein Konzentrationsgefälle besteht.
Die Carrier Transport Formen sind hier aufgelistet, der genaue Vorgang ist in Abbildung 2 dargestellt.
- Der Uniport: Ein Uniport ist ein Transporter, der immer ein Molekül in eine Richtung transportiert.
- Der Antiport: Wenn der Carrier ein Antiport ist, dann werden pro Transportvorgang sowohl Moleküle von innen nach außen, aber auch gleichzeitig Moleküle von außen nach innen transportiert. Der Transport erfolgt also entgegengesetzt.
- Der Symport: Bei einem Symport können mehrere Moleküle gleichzeitig in eine Richtung transportiert werden.
Symport kannst du dir besser merken, falls du das Wort Symbiose aus der Zellbiologie schon kennst. Dort arbeiten Organismen zusammen, beim Symport werden Moleküle zusammen transportiert.
Der passive Transport durch Poren und Kanäle
Der Transport von geladenen Teilchen, sogenannten Ionen, erfolgt meist über den Transport mit Kanälen. Die Kanäle bilden eine Art Tunnel mit polaren Aminosäuren im Inneren. Durch elektrostatische Wechselwirkungen mit den Aminosäuren der Kanäle können Ionen durch die Kanäle diffundieren.
Nun öffnen diese Kanäle meist nur auf ein Signal hin, wie das Andocken ihres Liganden oder spannungsgesteuert.
Wenn sich die Kanäle öffnen, findet die Diffusion entweder solange statt, bis es einen Konzentrationsausgleich gibt oder bis sich die Kanäle wieder schließen.
Poren haben in der Biomembran beim passiven Transport ähnliche Aufgaben wie die Kanäle. Der Unterschied ist, dass die Poren, auch als Porine bezeichnet, Transporter für größere Moleküle sind.
Abbildung 2: der Unterschied zwischen Kanal- und Carrier-Transport
Aquaporine als Kanäle des passiven Transports
Aquaporine gehören zu den Kanälen des passiven Transports. Sie sind dafür zuständig, Wasser durch die Zellmembran zu schleusen. Dadurch kann ein rascher Austausch von Wasser erfolgen. Diese Eigenschaft ist in bestimmten Zellen, wie beispielsweise in den Speicheldrüsen, von großer Bedeutung. Aquaporine sind bidirektionale Kanäle. Das bedeutet, dass Wasser in beide Richtungen durch den Kanal fließen kann.
Passiver Transport - Das Wichtigste
- Der passive Transport erfolgt durch die Biomembran.
- Beim passiven Transportvorgang wird keine Energie aufgewendet.
- Die Triebkraft des passiven Transports ist die Diffusion.
- Der passive Transport kann als Diffusion oder erleichterte Diffusion erfolgen; an letzterem sind Kanäle oder Carrier beteiligt.
Erklärungen 
Magazine 
