Membrantransport

Je hydrophober ein Molekül ist und je kleiner es ist, desto besser kann es die Membran passieren.

Hydrophobe Moleküle wie O₂, CO₂, N₂ oder Benzol können die Membran ungehindert passieren; ebenso kleine ungeladene polare Moleküle wie Wasser, Harnstoff oder Glycerol. Ionen mit einer hohen Ladung oder grosse, ungeladene oder polare Moleküle können die Membran nicht passieren.

Für den Transport von Substanzen, die die Membran nicht ungehindert passieren können, werden Transportproteine benötigt.

Alle Transportproteine sind multi-pass-Proteine, die die Membran mehrfach durchspannen. Sie lassen sich in zwei Haupklassen unterteilen:

Die Carrier-Proteine binden eine Substanz und transporiteren diese durch die Membran hindurch.

Die Kanalprotein hingegen binde ihr Substrat nicht sondern bilden eine Pore, durch die die Substanz die Membran passieren kann.

Wenn über der Membran ein elektrochemischer Gradient für eine Substanz anliegt, so kann diese allein auf Grund des passiven Transports die Membran passieren. Wenn hingegen eine Substanz entgegen seinem Gradienten transportiert wird, so geschieht dies durch aktiven aktiven Transport mittels eines Carriers.

Ionophore sind kanalbildende Proteine, die normalerweise von Bakterien synthetisiert werden und als biologische Waffe eingesetzt werden. Sie machen die Membran für ein bestimmtes Ion permeabel, wobei sie als Carrier oder als Kanal funktionieren können.

Carrier-Proteine

Da Carrier eine Bindungsstelle für ihr Substrat aufweisen, haben sie ebenso wie andere Enzyme eine Kinetik, die an einem bestimmten Punkt eine Sättigung erreicht. Diese Kinetik ist durch die Parameter der Michaelis-Menten-Gleichung K_M und V_max charakterisiert.

Man unterscheidet die Carrier nach der Art und Weise ihres Transports: Ein Uniporter transportiert einfach eine Substanz von einer Seite der Membran auf die andere; ein gekoppelter Transporter transportiert immer zwei Substanzen gleichzeitig. Werden beide Substanzen in die gleiche Richtung transportiert, nennt man das System Symport, werden die in unterschiedliche Richtungen transportiert, wird es Antiport genannt.

Wenn ein Carrier eine Substanz gegen ihren Gradienten transportiert, so geschieht dies unter Energieverbrauch. Diese wird im Fall der Natrium-Kalium-Pumpe vom ATP bereitgestellt. Diese Pumpe arbeitet als Antiport, indem sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle hinein pumpt. Den Nachweis für die Aktivität der Membran konnte man erbringen, indem man das Protein in einer isolierten Erythrocytenmembran (Ghost) untersuchte.

Die Pumpe befördert für zwei Kalium je drei Natrium aus der Zelle heraus und bewirkt so, dass die Aussenseite der Membran gegenüber der Innenseite negativ geladen ist. Neben dem Membranpotential regelt die Pumpe aber auch das Zellvolumen, da sie durch ihre Aktivität die Osmolarität der Zelle modifiziert. Bei vielen Zellen führt die Inhibition dieser ATPase dazu, dass die Zellen anschwellen und teilweise sogar platzen.

Auch einige Calciumpumpen sind ATPasen. Sie dienen dazu, die bei Eukaryonten extrem niedrige Calciumkonzentration im Cytosol aufrecht zu halten.

Die am besten untersuchte Calciumpumpe ist die des sarkoplasmatischen Retikulums. Das SR ist eine Spezialform des ER in den Muskelzellen und dient dort als intrazellulärer Calciumspeicher. Das Protein scheint der Natrium-Kalium-ATPase homolog zu sein.

Neben dem ATP kann auch ein Ionengradient den aktiven Transport antreiben. So werden im Darm- und Nierenepithel viele Zucker und andere Kleine Moleküle durch einen Symport mit Natrium in die Zelle transportiert. Bei den Bakterien, die keine Natrium-Kalium-ATPase für den aufbau eine Natriumgradienten besitzen, dient die H⁺-ATPase als Triebkraft und der Transport läuft als ein Cotransport mit Wasserstoff ab.

Um den physiologischen pH-Wert von 7,2 in der Zelle aufrecht zu halten, verwenden die Zellen einen Antiporter, der den Natriumfluss nach Intrazellulär entweder mit einem direkten Ausstrom von H⁺ oder aber mit einem Einstrom von HCO₃^- koppelt. Ein noch wirksamerer Austauscher als der einfache Na⁺/H⁺ - Austauscher ist der cl^-/HCO₃^- - Austauscher, der einen Einstrom von Natrium und Bicarbonat an einen Ausstrom von Chlor und Wasserstoff koppelt.

Vor allem bei Gliazellen findet sich ein drittes System, der Na⁺/HCO₃^- - Symport, der ein Natrium zusammen mit mehreren HCO₃^- -Ionen in die Zelle transportiert. Die Arbeit dieses Systems wird um so schwerer, je negativer die Ladung der Zelle wird.

Um Stoffe wie dies bei den Epithelzellen der Fall ist durch eine Zelle hindurch zu tranportieren, wird auf der einen Seite die Substanz, wie z.B. Glukose aufgenommen, indem ihr Eintransport mit einem Natrium-Symport gekoppelt ist. Dadurch wird in der Zelle eine hohe Glukosekonzentration geschaffen und auf der anderen Seite verlässt die Glucose - ihrem Gradienten folgend - die Zelle wieder.

Neben den Natrium-getriebenen Carriern gibt es noch eine grosse Familie der ATP-getriebenen Pumpen, den sogenannten ABC-Transportern, die aktiv ein bestimmtes Substrat aus der Zelle herauspumpen. Diese Proteine sind häufig für bestimmte Resistenzen verantwortlich, indem sie Medikamente aus der Zelle heraustransportieren.

Ionenkanäle

Im Gegensatz zu den Carriern bilden die Ionenkanäle eine hydrophile Pore aus, durch die die Substanzen - ihren Gradienten folgend - passieren können.

Ein jeder Kanal ist durch seine Ionenselektivität, die nur bestimmten Substanzen den Durchtritt erlaubt, gekennzeichnet. Die Ionenkanäle sind normalerweise nicht immer geöffnet, sondern öffnen sich auf einen bestimmten Reiz hin.

Anhand des Singnals, das den Kanal öffnet kann man die Ionenkanäle unterteilen: Die spannungskontrollierten Ionenkanäle öffnen sich auf Grund einer bestimmten Spannungdifferenz über der Membran, die ligandenkontrollierten öffnen sich, wenn ein bestimmter Ligand bindet und die mechanisch kontrollierten Kanäle öffnen sich auf eine Verformung der Membran hin.

Durch eine bestimmte Gruppe von Kaliumkanälen, den Kaliumsickerkanälen, wird bei den meisten tierischen Zellen das Membranpotential konstant gehalten. Durch diese Kanäle ist die Kraft des Konzentrationsgradienten, die einen Ausstrom der Kaliumionen bewirken würde in einem Gleichgewicht mit der elektromotorischen Kraft, die der Konzentration entgegen wirkt. Dieser durch die Nernst-Gleichung charakterisierte Zusammenhang wird durch die Kalium-Sickerkanäle erst ermöglicht.

Wenn die Natrium-Kalium-Pumpe blockiert würde, würde das Membranpotential zunächst konstant bleiben bis sich mit der Zeit - auf Grund der geringen Durchlässigkeit der Membran für Natrium - die Konzentrationen für Natrium und Kalium ausgeglichen hätten. Wenn die Membran für Natrium undurchlässig wäre, dann würde das Membranpotential über einen wesentlich längeren Zeitraum als die normalerweise bis zu einem Ausgleich vergehenden Minuten aufrecht erhalten.

Membrantransport an der Nervenzelle

Die Weiterleitung der Erregung bei einer Nervenzelle basiert auf spannungsabhängigen Kanälen.

Durch eine Depolarisation der Membran öffnen sich die spannungsabhängigen Natriumkanäle, was zu einem schnellen Anstieg der Natriumionenkonzentration führt. Wenn diese Kanäle dann auch weiterhin geöffnet bleiben würden, würde sich das Membranpotential auf einem neuen Ruhewert einpendeln. Das dies nicht der Fall ist, liegt zum einen daran, dass die Natriumkanäle sich inaktivieren und sich dafür zeitverzögert die Kalium-Kanäle öffnen. Durch den darauf hin folgenden Ausstrom von Kaliumionen repolarisiert das Membranpotential wieder.

Die Natriumkanäle der Membran öffnen sich nach einem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Die Veränderung des Membranpotentials kommt demnach also nicht durch den Öffnungszustand der Kanäle, sondern durch die Anzahl der geöffneten Kanäle zustande.

Bei den Kaliumkanälen gibt es unterschiedliche Typen. Die verzögerten Kaliumkanäle sind spannungskontrolliert und für die Weiterleitung des Aktionspotentials verantwortlich. Sie haben eine langsame Kinetik und werden durch die Repolarisation dazu veranlasst, dich wieder zu schliessen.

Die frühen Kaliumkanäle hingegen haben eine schnellere Kinetik und öffnen sich bei einer Depolarisation der Membran. Die frühen Kaliumkanäle bewirken eine direkt proportionale Abhängigkeit zwischen der Depolarisation durch den Reiz und der Frequenz der entstehenden Aktionspotentiale. Bei einer Abhängigkeit nur auf Grund der langsamen Kanäle und der Natriumkanäle käme es zu einer Aktivierung ab einer bestimmten Schwelle mit einer hohen Frequenz. Nur das Zusammenspiel der beiden Kanaltypen führt dazu, dass eine direkte Abhängigkeit zwischen Reizstärke und Frequenz zu Stande kommt.

Membranen Inhalt Aufbau der Zelle Zellkompartimente