Stofftransport

Stell Dir vor, die Zellen des Körpers sind kleine Fabriken, welche ringsum durch eine hohe Mauer abgegrenzt sind. In dieser Mauer befinden sich verschiedene Tore. Diese gewährleisten, dass die richtigen Rohstoffe in die Fabrik gelangen und dass verarbeitete und überflüssige Rohstoffe aus der Fabrik abtransportiert werden können. Die Fabrik funktioniert also nur dann, wenn ein geregelter Transport von Rohstoffen durch ihre Abgrenzung möglich ist.

In der Realität sind die Zellen unserer Körper selbstverständlich nicht durch eine Mauer, sondern durch eine Biomembran abgegrenzt. Wie in unserem Beispiel ist die Zelle davon abhängig, dass Nährstoffe und andere Moleküle die Biomembran passieren können. Ein Stoffaustausch innerhalb der Zelle und zwischen den Zellen ist essenziell für einen funktionierenden Organismus. Dieser wird durch einen regulierten Stofftransport durch die Membran gewährleistet.

Biomembran Stofftransport Zelle – Definition

Ein menschlicher Körper besteht schätzungsweise aus 30 Billionen Körperzellen. Damit diese gemeinsam als Organismus funktionieren können, ist ein Stoffaustausch und Stofftransport zwischen ihnen unerlässlich.

In diesem Artikel geht es spezifisch um den molekularen Stofftransport auf Zellebene. Dieser kann grundsätzlich in zwei Arten unterschieden werden.

• Stofftransport durch die Biomembran
• Stofftransport mittels Zytose

Der Stofftransport durch die Biomembran beschreibt den Transport von Molekülen von einer Seite auf die andere Seite der Biomembran. Je nach Art des Stofftransports wird dabei die Hilfe von Proteinen oder die Bereitstellung von Energie benötigt.

Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge von größeren Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

Transportvorgänge Biomembran

Der Stofftransport und die jeweiligen Transportvorgänge gehören zu den wichtigsten Funktionen der Biomembran. Hierbei ist entscheidend, dass nicht jeder beliebige Stoff die Membran passieren kann, sondern dass der Stofftransport reguliert wird. Die Biomembran ist nicht für alle Moleküle gleich durchlässig. Biomembranen sind semipermeabel (halbdurchlässig).

Des Weiteren ist es möglich, die Durchlässigkeit für Stoffe, welche die Biomembran normalerweise nicht passieren können, zu erhöhen. Durch sogenannte Transmembranproteine können auch größere und geladene Moleküle über die Membran transportiert werden. Stelle Dir diese Proteine wie Tunnel oder Durchgänge vor, die in die Biomembran integriert sind.

Nun bewegen sich die Stoffe natürlich nicht von allein durch die Biomembran. Eine treibende Kraft ist nötig, damit sich die Moleküle von der einen Seite der Membran zur anderen bewegen. Hier spielt der Konzentrationsgradient der Teilchen eine entscheidende Rolle.

Konzentrationsgradient

Was ist der Konzentrationsgradient? Teilchen haben natürlicherweise eine Eigenbewegung. Hierbei ist die Richtung in der sich die Teilchen bewegen von der Konzentration abhängig. Teilchen bewegen sich in der Regel vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration. Sie streben einen Konzentrationsausgleich an. Man spricht von einer sogenannten Diffusion.

Da es sich bei Diffusion um Eigenbewegung der Teilchen handelt, benötigt es keine zusätzliche Energie, wenn sich Moleküle durch die Membran vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration bewegen. Sie bewegen sich entlang des Konzentrationsgradienten, genauer gesagt des Konzentrationsgefälles.

Abbildung 1: Diffusion von Teilchen

Jetzt hast Du schon einiges über die Durchlässigkeit von Membranen und über die treibende Kraft von Stofftransport gelernt. Je nachdem, ob der Stofftransport mithilfe von Transmembranproteinen stattfindet und ob sich die Teilchen mit oder entgegen den Konzentrationsgradienten bewegen, wird zwischen verschiedenen Arten des Stofftransports durch die Biomembran unterschieden.

Transportmechanismus: Passiver Stofftransport

Beim passiven Transport handelt sich um einen Stofftransport entlang des Konzentrationsgradienten. Die treibende Kraft ist hierbei die Eigenbewegung der Teilchen. Es muss keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden. Zum passiven Stofftransport gehören die einfache und die erleichterte Diffusion.

Einfache Diffusion – Biomembran

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.

Erleichterte Diffusion – Biomembran

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.

Transportmechanismus: Aktiver Stofftransport

Müssen Stoffe entgegen des Konzentrationsgradienten durch die Membran transportiert werden, muss zusätzlich Energie bereitgestellt werden. Deswegen wird dieser Stofftransport auch als aktiver Transport bezeichnet. In der Regel dient die Spaltung von ATP-Molekülen als Energiequelle, um Moleküle entgegen ihres Konzentrationsgradienten durch ein Transmembranprotein zu bewegen.

In der folgenden Abbildung findest Du eine Übersicht der vorgestellten Transportvorgänge.

Abbildung 2: Darstellung von passivem und aktivem Transport

Transportproteine 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.

Abbildung 3: Darstellung von Uniport, Symport und Antiport

Transportvorgang Biomembran – Zytose

Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge der Biomembran von größeren Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossenen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert. Je nachdem, ob die Stoffe in die Zelle aufgenommen oder aus der Zelle abtransportiert werden, wird zwischen Endozytose und Exozytose unterschieden.

Exozytose

Die Exozytose beschreibt einen Stofftransport vom Zellinneren (Intrazellularraum) zum Zelläußeren (Extrazellularraum). Die Stoffe werden im Golgi-Apparat in Transportvesikel verpackt. Gelangen die Vesikel zur Zellmembran, verschmelzen sie mit der dieser und der Inhalt der Vesikel wird freigesetzt.

Endozytose

Endozytose beschreibt den Vorgang, wenn Moleküle vom Zelläußeren in das Zellinnere aufgenommen werden. Die Endozytose geschieht über eine Einstülpung in der Zellmembran. Die Biomembran schließt sich um die aufzunehmenden Partikel und bilde ein Vesikel, welches sich im Anschluss von der Biomembran abschnürt.

Je nachdem, welche Art von Partikel durch die Endozytose in die Zelle aufgenommen werden, wird zwischen speziellen Formen der Endozytose unterschieden.

Phagozytose

Phagozytose beschreibt die Aufnahme von großen Partikeln wie Nährstoffen, aber auch pathogenen Einzellern. Das durch die Endozytose entstehende Vesikel wird in diesem Fall Phagosom genannt. Die aufgenommenen Partikel werden anschließend im Phagosom durch Enzyme und Säuren verdaut und unschädlich gemacht.

Pinozytose

Als Pinozytose bezeichnet man die Aufnahme von flüssigen und gelösten Stoffen durch Endozytose.

Rezeptorvermittelte Endozytose

Die Rezeptorvermittelte Endozytose ermöglicht die Aufnahme von spezifischen Molekülen. Durch Schlüssel-Schloss-Prinzip binden entsprechende Moleküle an den vorgesehenen Rezeptoren. Durch die Bindung am Rezeptor wird die Endozytose eingeleitet.

Die rezeptorvermittelte Endozytose hat zwei entscheidende Vorteile. Sie gewährleistet eine gezielte und regulierte Aufnahme von Teilchen. Des Weiteren ermöglicht sie die Aufnahme von Stoffen, welche außerhalb der Zelle nur in geringen Konzentrationen vorhanden sind.

Verschaffe Dir einen Überblick der erklärten Transportvorgänge anhand der folgenden Abbildung.

Abbildung 4: Typen der Endozytose