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.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    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.

    Stofftransport (in der Biologie) beschreibt den Transport von anorganischen und organischen Stoffen innerhalb von Organismen. Hierzu gehören etwa der Transport von Wasser, Salzen, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten.

    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).

    Die Biomembran ist semipermeabel (halbdurchlässig), da sie für einige Teilchen durchlässig ist, aber für andere wiederum nicht. Hierbei spielen vorwiegend die Größe und die Ladung der Teilchen eine Rolle.

    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.

    Transmembranproteine (auch integrale Proteine) sind Proteine, welche über den gesamten Querschnitt einer Biomembran in ihr eingelagert sind. Hierzu gehören unter anderem Kanalproteine (Transportproteine).

    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.

    Stofftransport Konzept Diffusion StudySmarterAbbildung 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.

    Vertiefende Informationen zum passiven Stofftransport erhältst Du in einem gesonderten StudySmarter Artikel.

    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.

    ATP steht für Adenosintriphosphat. Dies ist ein energiereiches Molekül, welches mit drei Phosphatresten ausgestattet ist. Durch die Abspaltung eines Phosphatrestes wird Energie freigesetzt. Diese kann für unterschiedlichste Prozesse genutzt werden. ATP ist so etwas wie der Treibstoff von lebenden Zellen und spielt eine wichtige Rolle bei der Energiebereitstellung in Organismen.

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

    Stofftransport passiver und aktiver Transport StudySmarterAbbildung 2: Darstellung von passivem und aktivem Transport

    Aktiver Stofftransport wird weiterhin in primär-aktiven und sekundär-aktiven Transport unterteilt.

    Primär-aktiver Transport

    Beim primär-aktiven Transport stammt die Energie vom ATP. Die zu transportierenden Moleküle werden mithilfe von sogenannten Transport-ATPasen (Transmembranproteine) durch die Membran befördert. In der Abbildung 2 ist ein primär-aktiver Transport dargestellt.

    Transport-ATPasen sind Transmembranproteine, welche einen Durchgang durch die Zellmembran bilden. Sie spalten ATP und nutzen die frei werdende Energie, um Teilchen entgegen ihren Konzentrationsgradienten durch eine Membran zu transportieren.

    Sekundär-aktiver 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.

    Bei Symport und Antiport handelt es sich in der Regel um sekundär aktiven Transport. Das bedeutet, dass eins der beiden Moleküle mit dem Konzentrationsgradienten und das andere Molekül entgegen des Konzentrationsgradienten transportiert wird. Die benötigte Energie für den aktiven Transport wird aus dem Transport entlang des Konzentrationsgefälles gewonnen.

    Stofftransport Sekundär-aktiver Transport StudySmarterAbbildung 3: Darstellung von Uniport, Symport und Antiport

    Du möchtest mehr über aktiven Stofftransport erfahren? Auch zu diesem Thema findest Du einen passenden Artikel bei StudySmarter.

    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.

    Eine besondere Rolle spielt die Phagozytose bei Einzellern. Sie nutzen die Phagozytose zur Aufnahme von Nahrungspartikeln und als Abwehrmechanismus gegen andere Mikroorganismen.

    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.

    In den StudySmarter Artikeln zur Endozytose und Phagozytose erhältst Du einen tieferen Einblick in den Stofftransport mittels Zytose.

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

    Stofftransport Typen der Endozytose StudySmarterAbbildung 4: Typen der Endozytose

    Stofftransport - Das Wichtigste

    • Der Stofftransport gehört 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 semipermeable (halbdurchlässig), da sie für einige Teilchen durchlässig ist, aber für andere wiederum nicht.
    • Der Konzentrationsgradient bezeichnet die Richtung, in die sich Teilchen bewegen, wenn sie sich vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration bewegen.
    • Beim passiven Transport handelt sich um einen Stofftransport entlang des Konzentrationsgradienten. Es muss keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden.
    • Müssen Stoffe entgegen des Konzentrationsgradienten durch die Membran transportiert werden, muss zusätzlich Energie bereitgestellt werden. Hierbei handelt es sich um aktiver Transport.
    • Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge von größere Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossenen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

    Nachweise

    1. Karp (2005). Molekulare Zellbiologie. Springer.
    2. Christian (2012). Grüne Reihe - Stoffwechselphysiologie. Schroedel.

    Welche zwei grundlegenden Arten von molekularem Zelltransport kennst Du?

    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 größere Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

    Erkläre die erleichterte Diffusion.

    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.


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    Häufig gestellte Fragen zum Thema Stofftransport

    Wie können Stoffe durch Membranen transportiert werden?

    Mithilfe von Diffusion werden die verschiedenen Stoffe durch die Zellmembran transportiert. Der Stofftransport gehört zu den wichtigsten Aufgaben bzw. Funktionen der Biomembran.

    Welche Stoffe gehen durch die Biomembran?

    In der Zellbiologie wird dabei zwischen hydrophoben und hydrophilen Stoffen unterschieden. Hydrophobe Stoffe (fettliebende Stoffe) können die Zellmembran problemlos passieren. Ihre Triebkraft ist der Konzentrationsgradient. Hydrophobe Stoffe diffundieren von der Seite, in der sie in hoher Konzentration vorliegen, durch Diffusion zum Ort mit der niedrigen Konzentration. Hydrophile Stoffe (wasserliebende Stoffe) benötigen Proteine, um die Zellmembran zu passieren. Das geschieht über passiven und aktiven Transport.

    Wie funktioniert der Stofftransport?

    Beim Stofftransport wird zwischen aktivem und passivem Transport unterschieden. Beim passiven Transport handelt sich um einen Stofftransport entlang eines Konzentrationsgefälles ohne Energiezufuhr. Der passive Stofftransport kann über Kanal- oder Carrier-Proteine stattfinden. Für den Transport entgegen eines Konzentrationsgradienten muss Energie aufgewendet werden. Deswegen wird dieser Stofftransport auch als aktiver Transport bezeichnet. 

    Welche Probleme ergeben sich beim Stofftransport durch Biomembranen?

    Ein Problem beim Stofftransport entsteht dadurch, dass ein Energieaufwand nötig wird, sobald Stoffe entgegen des Konzentrationsgefälles diffundieren sollen.

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