In diesem Video geht es um die Transportvorgänge durch die Biomembran. Ganz konkret schauen wir uns also an, wie Substanzen von der einen Seite der Membran zur anderen Seite gelangen. Biomembran erlauben manchen Substanzen den Durchtritt von der einen zur anderen Seite, anderen jedoch nicht. Diese Eigenschaft bezeichnet man auch als selektive Permeabilität.
Die Membranen kontrollieren also, welche Substanzen in Zellen oder Zellorganellen gelangen und welche diese verlassen. Nochmal zur Erinnerung, die Biomembran ist als ein Grundtyp einer Membran zu verstehen, die die äußerste Schicht von Zellbestandteilen umgrenzt. Sowohl die Zellmembran ist also eine Biomembran, als auch die Membran, die die anderen Zellbestandteile innerhalb einer Zelle umgrenzen, z.B. der Golgi-Apparat. Über den Aufbau der Biomembran solltet ihr bereits Bescheid wissen.
Denn dann versteht man, dass die Biomembran zum Beispiel eine äußerst wirkungsvolle Barriere für hydrophile Teilchen, wie zum Beispiel Wasser und andere Ionen ist, und für diesen Transport meist spezielle Kanalproteine erforderlich sind, wie gleich noch deutlich wird. Falls ihr euch das Video nochmal anschauen wollt, verlinke ich es an dieser Stelle. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Prozesse, durch die Substanzen biologische Membran passieren können.
Zum einen der passive Transport, der benötigt zum Antrieb keine von außen zugeführte Energie und der aktive Transport. Er benötigt die Zufuhr von chemischer Energie. Schauen wir uns als erstes die passiven Transportmechanismen an, zu denen zwei verschiedene Typen der Diffusion gehören. Die einfache Diffusion durch die Phospholipid-Doppelschicht und die erleichterte Diffusion durch Kanalproteine oder mithilfe von Transportproteinen, sogenannten Carrier.
Bei der einfachen Diffusion passieren kleine ungeladene Moleküle, die Lipid-Doppelschicht der Membran. Ein Molekül, das selbst hydrophob, also wasserabweisend und daher fettlöslich, also lipophil ist, kann denen durch die Fettsäureschwänze ebenfalls wasserabweisenden, hydrophoben Innenbereich der Membran gut passieren. Je besser fettlöslich ein Molekül ist, desto schneller diffundiert es durch die Doppelschicht. Unter Diffusion versteht man die zufällige Bewegung von Teilchen, die auf kurz oder lang zu einem Gleichgewichtszustand führen.
Die Teilchen bewegen sich dabei vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration. Man sagt dazu auch mit bzw. entlang des Konzentrationsgradienten.
Wie gesagt benötigt dieser Prozess keine von außen zugeführte Energie. Die Energie stammt aus dem Konzentrationsunterschied der transportierten Substanz, der zwischen beiden Seiten der Membran herrscht. Genauer erklärt habe ich die Diffusion aber in einem weiteren Video. Im Gegensatz zu den eben genannten Molekülen können geladene oder polare Teilchen wie Aminosäuren, Zucker und Ionen einer Membran nicht ohne weiteres passieren, weil sich solche polaren oder geladenen Teilchen nicht gut im hydrophoben, also wasserabweisenden Kern der Doppelschicht lösen.
Solche polaren Substanzen würden also nur äußerst langsam die Membran passieren, gäbe es nicht Kanalproteine, die die Diffusion erleichtern. Auch hier existieren zwei unterschiedliche Mechanismen. Zum einen gibt es integrale Membranproteine, die man auch Kanalproteine bezeichnet.
Diese bilden Membran durch spannende Kanäle, durch die bestimmte Substanzen diffundieren können. Die Aquaporine sind zum Beispiel Kanalproteine, mithilfe derer Wassermoleküle auf die andere Seite der Membran gelangen. Zum anderen gibt es Membranproteine, die als Transportproteine bzw. Carrierproteine bezeichnet werden. Es gibt Substanzen, die an diese Carrier-Proteine binden und ihre Diffusion dadurch beschleunigen.
Ein solches Carrier-Protein ist immer auf ein ganz bestimmtes Molekül spezialisiert, für das es eine Bindungsstelle hat. Hier zum Beispiel verfügt das Carrier-Protein über eine Bindungsstelle für sein spezifisches Molekül Glucose. Infolge der Bindung von Glucose an den Transporter ändert dieser seine äußere Form, wodurch Glucose durch die Membran geschleust wird.
Es wird deutlich, dass im Gegensatz zur einfachen Diffusion, die im Hinblick auf die zu transportierende Substanz relativ unspezifisch erfolgt, die erleichterte Diffusion hochspezifisch erfolgt. Aquaporine befördern ausschließlich Wasser, gut und die darin gelösten Stoffe durch die Zelle Glucosetransporter ausschließlich Glucose. Während die einfache und erleichterte Diffusion den momentan vorhandenen Konzentrationsgradienten folgen.
und in beiden Richtungen durch die Membran stattfinden können, sind aktive Transportmechanismen stets gerichtet. Hier wird eine Substanz entweder in die Zelle bzw. das Zellorganell hinein oder aus ihr bzw.
ihm heraus transportiert. Damit dies geschehen kann, wird Energie von außen benötigt. Ein weiterer wichtiger Unterschied zum passiven Transport. Der aktive Transport beruht auf drei Proteintypen. Ein Uniporter transportiert eine einzelne Substanz in eine Richtung.
Ein Symporter transportiert zwei verschiedene Substanzen in dieselbe Richtung. Und ein Antiporter transportiert zwei verschiedene Substanzen in entgegengesetzten Richtungen. Trotz der unterschiedlichen Fallrichtungen wird deutlich, dass der Transport in jedem Fall gerichtet ist. Stoffwechselenergie ist beim aktiven Transport deshalb erforderlich, weil die Substanzen gegen ihr Konzentrationsgefälle befördert werden.
Vom Ort der niedrigen Konzentration zum Ort der höheren Konzentration. Hier kann also nicht wie bei den passiven Transportvorgängen die Energie aus dem Konzentrationsunterschied genutzt werden. Es existieren zwei Grundformen von aktiven Transportvorgängen. Der primär aktive Transport, der die direkte Energie in Form von ATP erfordert, und der sekundär aktive Transport, bei dem ATP nicht direkt verbraucht wird, sondern Energie durch einen Konzentrationsgradienten geliefert wird, der vorher durch den primär aktiven Transport aufgebaut wurde. So wird in diesem Fall die Form des ATPs also indirekt genutzt.
Beispiel. Die Natrium-Kalium-Pumpe nutzt die Energie in Form von ATP, um Natrium gegen ihren Konzentrationsgradienten zu befördern. Auch dieser Mechanismus ist hochspezifisch. Das heißt, es gibt eine Bindungsstelle für Natrium-Ionen und durch die Hydrolyse von ATP zu ADP wird Energie freigesetzt. Die räumliche Struktur der Ionenpumpe verändert sich.
Durch diese Änderung wird Natrium nach außen freigesetzt. Die Pumpe ist ein Antiporter, weil im Gegenzug dazu Kaliumionen in den Zellinnenraum befördert werden. Beim sekundäraktiven Transport wird eine gelöste Substanz gegen ihren Konzentrationsgradienten befördert, indem bestimmte Ionen mit ihrem Konzentrationsgefälle durch die Membran wandern und die betreffende Substanz sozusagen mitschleppen.
Beispielsweise kann auf diese Weise Glucose gegen ihr Konzentrationsgefälle vom Ort der niedrigen Konzentration zum Ort der höheren Konzentration befördert werden und die Substanz, die dabei mit dem Konzentrationsgefälle durch die Membran wandern und die Glucosemoleküle dabei mitschleppen, sind Natriumionen. Der zuvor aufgebaute und aufrechterhaltene Konzentrationsgradient durch den eben beschriebenen primäraktiven Transport treibt den sekundäraktiven Transport an. Der Symporter koppelt die Bewegung von Glucose gegen ihr Konzentrationsgefälle an die passive Bewegung von Natrium-Ionen in die Zelle, die mit dem Konzentrationsgefälle erfolgt. Der Transport der Natrium-Ionen in die Zelle hinein liefert gleichzeitig die Energie für den sekundär aktiven Transport von Glucose in die Zelle. Anhand dieser Tabelle habe ich euch nochmal die wichtigsten Eigenschaften und Unterschiede der verschiedenen Transportmechanismen zusammengefasst.
Lernt diese Tabelle! Wenn ihr bio schriftlich habt und eine Klausur schreibt, ist die Abfrage der Transportmechanismen immer sehr beliebt und wird auch gerne gestellt in der Klausur. Genauso übrigens wie ein vorgegebenes Beispiel, anhand dessen man dann einen Transportmechanismus ableiten muss, so zum Beispiel der Glucosetransport, auf den ich bei Bedarf nochmal konkreter eingehen kann und euch anhand eines Erwartungshorizontes auch zeigen kann, worauf wir in einer Klausur bei diesem Thema achten müssen.