Welche passiven transportmechanismen sind für den organismus von bedeutung

Anmerkung: Dies ist Seite 2 zur Biomembran. Die erste Seite findet ihr unter Biomembran: Übersicht und Lipide. In diesem Artikel nun stellen wir uns die Frage, wie Stoffe die Membran durchdringen können. Dazu sehen wir uns sowohl passive, als auch aktive Transportvorgänge genauer an.

Passive Transportvorgänge

Diffusion und Osmose sind passive Transportprozesse. Denn die Zelle muss keine Energie aufwenden, um den Transport der Stoffe zu ermöglichen. Die beiden folgenden Abschnitte behandeln die Diffusion und die Osmose.

Diffusion
Unter der Diffusion versteht man den Transport von Molekülen durch die Zellmembran hindurch. Dieser Vorgang findet solange statt, bis ein Konzentrationsgefälle ausgeglichen wurde. Solange dieses noch vorhanden ist, bewegen sich mehr Teilchen in Richtung der geringeren Konzentration als umgekehrt. Für die Diffusion muss die Zelle keine Energie aufwenden. Die Diffusion lässt sich über die Brownsche Molekularbewegung erklären: Darunter wird die vom schottischen Botaniker Robert Brown (wieder) entdeckte Wärmebewegung von Teilchen in Flüssigkeiten bezeichnet. Die Diffusion beschleunigt sich bei Erhöhung der Temperatur.

Osmose
Unter der Osmose versteht man einen einseitig gerichteten Diffusionsvorgang durch eine semipermeable Membran. Folgender Versuch verdeutlicht dies: Eine gesättigte Zuckerlösung ist durch eine Membran von Wasser getrennt. Diese Membran ist für Wasser einfach zu durchdringen, für die Zuckermoleküle jedoch nicht zu durchdringen. Wasser ist damit in der Lage, die Membran in beide Richtungen zu durchdringen. Da die Konzentration an Wassermolekülen in reinem Wasser höher ist als in der Zuckerlösung, diffundieren mehr Wassermoleküle in die Lösung hinein als von ihr nach außen. Zuckermoleküle können dem Bestreben den Konzentrationsunterschied auszugleichen hingegen nicht nachkommen.

Aktive Transportvorgänge

Die beiden passiven Transportvorgänge Diffusion und Osmose habt ihr soeben kennengelernt. Ihr wisst, dass diese ganz ohne Energiezufuhr passieren und eigenständig in Bewegung treten. Das liegt daran, dass ein Konzentrationsgefälle entsteht, durch welches die Teilchen ausgetauscht werden. Der Transport gegen ein Konzentrationsgefälle kann nicht durch passiven Transport erreicht werden, denn dafür benötigt man Energie. Aus diesem Grund spricht man - wenn Energie benötigt wird - von aktivem Transport. In diesem Zusammenhang unterscheidet man den primär aktiven Transport und den sekundär aktiven Transport.

Der primär aktive Transport
Beim primär aktiven Transport wird ATP als Energiequelle verwendet (Hinweis: ATP steht dabei für Adenosintriphosphat und ist der universelle Speicher chemischer Energie in der Zelle). Protonen und anorganische Ionen werden durch Transport-ATPasen durch die Cytoplasmamembran hindurch aus der Zelle gepumpt. Ein Ion wird durch eine so genannte Ionenpumpe von der Seite der niedrigeren auf die Seite der höheren Konzentration gepumpt.

Der sekundär aktive Transport
Protonenpumpen schaffen die Voraussetzung für einen sekundär aktiven Transport, denn durch diese wird unter Energieaufwand ein Membranpotential aufgebaut. Das ermöglicht dann den sekundär aktiven Transport von zum Beispiel anorganischen Ionen durch Ionenkanäle gegen ein Konzentrationsgefälle.

Endozytose
Als Endozytose bezeichnet man die Aufnahme von zellfremdem Material - zum Beispiel Nahrungspartikel - in die Zelle durch Einstülpen und Abschnüren von Teilen der Zellmembran unter Entstehung von Vesikeln. Die Vesikel (kleine Bläschen) wandern dann ins Zellinnere.

Exozytose
Anders als bei der Endozytose werden bei der Exozytose die Stoffe aus der Zelle heraus transportiert. Grundsätzlich verschmilzt bei der Exozytose immer ein Transportvesikel mit der Zellmembran.

Links:

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Passiver Transport einfach erklärt 

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(00:42)

Der passive Transport beschreibt einen Transportvorgang an der Biomembran. Hierbei wird keine zusätzliche Energie benötigt, denn die Stoffe folgen ihrem Konzentrationsgefälle. Sie bewegen sich so vom Bereich höherer Konzentration zum Bereich niedrigerer Konzentration durch die Membran. Die Bewegung wird auch Diffusion genannt, wobei es zwei Möglichkeiten gibt: die einfache und die erleichterte Diffusion.

Bei der einfachen Diffusion können kleine Moleküle einfach die Doppellipidschicht der Biomembran durchqueren. Die erleichterte Diffusion sorgt für den Transport von etwas größeren Molekülen und Ionen mithilfe von verschiedenen Transportproteinen durch die Biomembran.

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Damit der passive Transport stattfinden kann, muss lediglich eine semipermeable Membran gegeben sein. Sie besitzt die Fähigkeit, bestimmte Stoffe hindurchzulassen.

Passiver Transport Definition

Ein passiver Transport ist ein ohne Energiezufuhr ablaufender Transportvorgang an der Biomembran. Entlang des Konzentrations-  oder elektrochemischen Gradienten können Moleküle und Ionen ins Zellinnere oder Zelläußere gelangen.

Antrieb des passiven Transports

Wenn der Transport nicht aktiv durch Energie hervorgerufen wird, muss es eine andere Antriebskraft für den passiven Transport geben. Diese Aufgabe übernimmt das Konzentrationsgefälle bzw. der Konzentrationsgradient. Durch die sogenannte Diffusion können bestimmte Moleküle einfach mit ihrem Gefälle die Membran passieren.

Das Konzentrationsgefälle entsteht dabei nämlich aus einer Ungleichverteilung der Teilchen. Denn nach der Brownschen Molekularbewegung streben alle Partikel eine gleichmäßige Verteilung in einem festgelegten Bereich an. Es entsteht ein Teilchenstrom an der Biomembran, von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration.

Bei der Diffusion bewegen sich die Teilchen eines Stoffes also entlang ihres Konzentrationsgradienten. Das ist dann schließlich der Antrieb des passiven Transports.

Schon gewusst? Das Ruhepotential benötigt eine konstante, ungleiche Ionenverteilung. Damit es durch den passiven Transport nicht zu einer Gleichverteilung kommt, arbeitet zum Beispiel die Natrium-Kalium-Pumpe entgegen dem Konzentrationsgefälle. So kann die Ungleichverteilung aufrechterhalten werden.

Einfache Diffusion 

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(01:17)

Bei der einfachen Diffusion können bestimmte Moleküle die Membran einfach so durchqueren und benötigen keine fremde Hilfe. Sie kommt allerdings nur für sehr kleine, unpolare und fettlösliche Moleküle (z.B. Wasser oder Harnstoff) sowie Gase (z.B. Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid) infrage. Dabei bewegen sich die Moleküle immer in Richtung der niedrigeren Konzentration, also entlang ihres Konzentrationsgefälles.

Die einfache Diffusion benötigt keine weiteren Transportproteine und kann deswegen als die einfachste Art des passiven Transports angesehen werden.

Erleichterte Diffusion 

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(01:46)

Bei der erleichterten Diffusion durchqueren bestimmte Moleküle die Membran mithilfe von Transport- oder Kanalproteinen. Das ist deswegen notwendig, da die Moleküle hier etwas größer sowie polar geladen sind und somit nicht einfach durch die Membran passen. Die Transportrichtung orientiert sich auch hier an der niedrigeren Konzentration, also entlang des Konzentrationsgefälles.

Je nachdem, ob es sich um Transportproteine (Carrier-Proteine) oder Kanalproteine handelt, unterscheidest du die carriervermittelte und die kanalvermittelte Diffusion.

Transport durch Carrier-Proteine

Die carriervermittelte Diffusion beschreibt den Transportvorgang mithilfe von Transportproteinen. Sie befinden sich in der Biomembran und sorgen für einen schnellen Stofftransport. Jedes Membranprotein ist dabei auf ein bestimmtes Molekül spezialisiert, andere Moleküle können sich nicht an ihre Bindungsstellen setzen.

Bei so einem Carrier-Transport laufen dann folgende Schritte ab:

1. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip dockt ein passendes Molekül an den Carrier an.
2. Daraufhin ändert sich die Form des Carrier-Proteins (Konformationsänderung).
3. Jetzt kann das Molekül durch das Protein auf die andere Seite befördert werden.
4. Auf der anderen Seite löst sich das Molekül von dem Protein.

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Der Transport kann allerdings auch in die anderen Richtung erfolgen. Schließlich orientieren sich die Transportmoleküle nur am jeweiligen Konzentrationsgefälle. So gibt es drei verschiedene Transportweisen:

• Uniport: Proteine, die einen Uniport besitzen, können maximal ein Molekül gleichzeitig an sich binden. Sie transportieren also nur in eine Richtung.
• Symport: Beim Symport ist das Protein in der Lage, zwei Moleküle zur selben Zeit zu binden. Allerdings können beide Moleküle immer nur in dieselbe Richtung transportiert werden.
• Antiport: Der Antiport funktioniert so wie der Symport. Allerdings können hier beide Moleküle nur in entgegengesetzte Richtungen übertragen werden.

Schon gewusst? Ein Transportprotein kann auch kompetitiv gehemmt werden. Dabei setzt sich ein ähnlich aufgebautes Molekül (ein sogenannter Hemmstoff) an die Bindungsstellen des Carriers und blockiert somit die erleichterte Diffusion des eigentlichen Moleküls.

Transport durch Kanäle und Poren

Die kanalvermittelte Diffusion beschreibt den Transportvorgang mithilfe von Kanalproteinen oder Poren. Die Kanäle sind hierbei wie eine Art Tunnel geformt und mit polaren Aminosäuren im Inneren ausgestattet. Durch die Kanäle diffundieren dann meistens elektrisch geladene Moleküle, wie Ionen, die mit den Aminosäuren der Kanäle zusammenwirken.

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Die Kanalproteine sind dabei üblicherweise nicht dauerhaft geöffnet. Sie ermöglichen die Diffusion meistens erst durch das Andocken eines Moleküls oder einer Spannungsänderung. Wenn dann die Konzentration ausgeglichen ist oder ein anderes Signal ausgesendet wird, schließen sich die Kanäle.

Poren bzw. Porine haben beim passiven Transport ähnliche Aufgaben wie die Kanäle. Der Unterschied ist, dass die Poren noch deutlich größere Moleküle durch die Biomembran transportieren können. Ein Beispiel sind die sogenannten Aquaporine. Sie ermöglichen es, dass Wasser schnell die Membran durchqueren kann. Dabei handelt es sich um einen Spezialfall der Diffusion, nämlich der Osmose.

Aktiver Transport

Wie der passive Transport an der Biomembran abläuft, konntest du jetzt schon herausfinden. Es gibt aber auch noch einen anderen wichtigen Transportmechanismus: der aktive Transport. Wie er funktioniert und was er benötigt, erfährst du in unserem Video dazu. Bis gleich!

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