Möglichkeiten des Transports durch Membranen
Eine Zelle kann nur überleben, wenn zwischen ihr und ihrer Umgebung  bzw. zwischen den Kompartimenten im Inneren ein ständiger Stoffaustausch möglich ist. Der spezifische Aufbau einer Biomembran erklärt, warum nicht alle Stoffe einfach direkt durch die Doppellipidschicht hindurch diffundieren können. Abhängig von ihrer Polarität, Größe und Ladung können bestimmte Stoffe ohne Hilfe gar nicht oder nur bedingt bzw. mit unterschiedlicher Geschwindigkeit passieren. Diese Eigenschaft der Membran nennt man Semipermeabilität oder besser: selektive Permeabilität.

Dabei sind folgende Probleme von entscheidender Bedeutung:
 1) Wer soll durch die Membranen transportiert werden?
  •  Einzelne Teilchen:
       a) Moleküle      b) Ionen 
     - kleine unpolare Moleküle: O2, CO2, N2
         - große unpolare Moleküle: Hexan, Steroid-Hormone,

     - kleine polare Moleküle: H2O, Methanol
     - große polare Moleküle: C6H12O6, Harnstoff, Glyzerin, Proteinhormone,... .                                                             		 - geladene Atome z.B. Na+, K+, Ca2+, Cl- ,..... 
     - geladene Moleküle z.B. Nitrat-Ionen NO3-, Acetat-Ionen  CH3COO-, Ammonium-Ion NH4+

 ->Unpolare (hydrophobe) Moleküle können die Membran direkt durchqueren.
     Grund: Die selbst unpolare Doppellipidschicht lässt unpolare (lipophile) Moleküle passieren, da sie in ihr löslich sind. (z.B. das Steroid-Hormon Östrogen)

 ->Polare Moleküle * und besonders Ionen können die Membran nicht ohne Hilfe durch Proteinkanäle/Carriermoleküle passieren.
      Grund: Die lipophile Innenschicht der Membran lässt polare/geladene hydrophile Teilchen nicht passieren. (z.B. Zuckermoleküle)
                *(Die sehr gute Durchlässigkeit für Wassermoleküle wird durch besondere Proteinkanäle (Aquaporine) gewährleistet.(Nobelpreis 2003)

  • große Stoffportionen:  Nahrungspartikel, Viren oder Zellen
    -> können die Membran nicht ohne besondere Hilfe passieren. s.u.

 2) Wie/in welche Richtung sollen die Teilchen bzw. Stoffportionen transportiert werden?

  • Ohne Energieaufwand -> passiver Transport: Diffusion*, die keine Stoffwechselenergie (in Form von ATP) benötigt.
                                    -> nur in Richtung des Konzentrationsgefälles.                              
  • Mit Energieaufwand    -> aktiver Transport: Aktiver Pumpvorgang, der Stoffwechselenergie (in Form von ATP) benötigt.
                                    -> gegen ein Konzentrationsgefälle.
     

 *  Definition: Diffusion: Gleichmäßige Verteilung eines Stoffes im zur Verfügung stehenden Raum auf Grund der thermischen Eigenbewegung.
Aus 1) und 2) folgt:
 ==> In Richtung des Konzentrationsgefälles lässt sich ein gelöster Stoff durch Membranen ohne Energieaufwand durch direkte Diffusion oder "vermittelte" Diffusion transportieren. 

      => passiver Transport vermittelt durch spezielle Proteinkanäle (=Tunnelproteine).
                           -> Kanalvermittelte Diffusion (z.B. K+-Kanäle in Nervenzellmembranen)  
             oder:      -> Carriervermittelte Diffusion : Carrier-Moleküle binden ein Molekül an der Membranoberfläche und durch Änderung ihrer         Raumstruktur wird das Molekül durch die Membran geleitet.

 ==> Gegen ein Konzentrationsgefälle lässt sich ein gelöster Stoff nur unter Energieaufwand durch Membranen transportieren.
      => aktiver Transport vermittelt durch ATP abhängige Membranproteine (z.B. "Ionenpumpen")

   Will man einen gelösten Stoff gegen sein Konzentrationsgefälle transportieren, braucht man Energie. Man spricht von aktivem Stofftransport.
   Dies benötigt Stoffwechselenergie (ATP) und in jedem Fall Membranproteine als "Pumpen" gegen den Konzentrationsgradienten (also von der niedrigen zur höheren Stoffkonzentration.) z.B. Natrium-Kalium-Pumpe in Nervenzellen: Sie hält eine ständige hohe Konzentration an Kalium-Ionen und eine niedrige Konzentration an Natrium-Ionen im Zellinneren aufrecht, um die Ruhespannung zu erhalten.
Schema: Transportmöglichkeiten durch Membranen

Detail-Schema zur EXOCYTOSE (2)

Übungsaufgaben:

1) Ordnen Sie in dem Schema "Transportmöglichkeiten" jedem Pfeil eine Stoffklasse aus der Tabelle der Teilchensorten zu.
2) Bei reiner Diffusion sieht die Graphik der Diffusionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration des diffundierenden Stoffes so aus:

a) Auf welche Form des Transports lässt die gestrichelte Kurve schließen. Begründung!
b) Wie sehen beide Kurven bei tieferer Temperatur aus? Begründung!
c) Wie sehen die Kurven bei Zugabe von ATP aus? Begründung!

3) Welchen Test kennen Sie, um beweisen zu können, ob ein Stoff die Membran durchquert?

4) Unter welchen Voraussetzungen wird ein Ion passiv bzw. aktiv transportiert?

 5) Welche der folgenden Aussagen über die Aufnahme von Stoffen in die Zelle trifft nicht zu?
a.       Bei der Pinocytose werden Flüssigkeiten aufgenommen.
b.       für die Aufnahme vieler Stoffe sind Rezeptoren an der Membranoberfläche nötig.
c.       Allgemein nennt man die Aufnahme von Partikeln Exocytose.
d.       Die Aufnahme von Molekülen durch die Membran nennt man Phagozytose.

 6) Welche der folgenden Moleküle oder Ionen können die Membran d.h. die Doppellipidschicht durch einfache Diffusion passieren?
      a.       H2O
      b.       Na+-Ionen
      c.       Glukose
      d.       O2 (Sauerstoffmoleküle)

7. Ein Beispiel für aktiven Transport durch eine Zellmembran ist
a.       die Aufnahme von Stoffen durch Pinocytose.
b.       die Bewegung von Molekülen entlang eines Konzentrationsgradienten.
c.       die Ausscheidung von Stoffen durch Exocytose.
d.       die Bewegung von Ionen entgegen ihres Konzentrationsgradienten.

8. Semipermeabilität bedeutet, dass
        a. nur bestimmte Moleküle durch die Membran diffundieren können.
        b. nur die Hälfte der Moleküle frei durch die Membran diffundieren kann.
        c. Moleküle können nur in eine Richtung diffundieren können.
        d. nur Wassermoleküle frei diffundieren können.

9. Zellen müssen winzige Durchmesser haben, weil
a.       für größere Distanzen der Stofftransport zu langsam erfolgen würde.
b.       sonst die Zellmembran zu dünn wäre.
c.       die Diffusion als Transportform nur auf kurze Distanz effektiv ist.
d.       sonst die Versorgung mit ATP nicht ausreichen würde.
 

10. Aktiver Transport verläuft
a.       nur von außen nach innen.
b.       unter Verbrauch von ATP.
c.       gegen ein Konzentrationsgefälle.
d.       nur bei Abwesenheit von Glukose.

 

Lösungsvorschlag:

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