Lerntext zum Transmembran-Transport in der gymnasialen Erprobungsstufe

Roland Heynkes, 22.12.2016, zuletzt ergänzt am 26.9.2022

Auf dieser Seite sammle ich zum Nachlesen und Lernen für Lernende der Erprobungsstufe, was wir zum Thema Transmembran-Transport erarbeiten.

Gliederung

zum Text Lipide und die Zellmembran
zum Text passive Transportvorgänge
zum Text passiver Transport durch Kanalproteine
zum Text passiver Transport durch Carrier-Proteine
zum Text Uniport, Symport und Antiport
zum Text Natrium-Kalium-Pumpe als Beispiel für aktiven Transport
zum Text
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Lipide und die Zellmembran nach oben

Informationen zu Lipiden und der aus ihnen aufgebauten Zellmembran gibt es in den Lerntext-Kapiteln: "Lipide sind eine wichtige Stoffklasse von Biomolekülen und Zellmembran.

Durch Endocytose und Exocytose können Stoffe die Zellmembran passieren. Es gibt aber auch direkte Möglichkeiten, Stoffe durch eine Zellmembran zu bringen.

passive Transportvorgänge nach oben

Lipophile und kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff können einfach durch Diffusion die Zellmembran passieren. Angetrieben werden sie nur durch die kinetische Energie der Teilchen, also durch Wärmeenergie. Wie bei Diffusionen üblich, führt die ungerichtete und durch unzählige Kollisionen gekennzeichnete Bewegung auch durch Membranen hindurch zu einer relativ gleichmäßigen Verteilung der Teilchen. Größeres Transportgut braucht für den Transmembran-Transport die Unterstützung bestimmter Proteine.

Passiver Transport durch Kanalproteine nach oben

Transmembranproteine durchspannen eine Membran von einem bis zum anderen Ende. Einige Transmembranproteine sind innen hohl und wirken dadurch wie Kanäle oder Tunnel. Durch Ionenkanäle können Ionen und durch Porine deutlich größere Moleküle auf die andere Seite einer Membran diffundieren, ohne dass dafür Energie gebraucht würde. Die meisten Kanalproteine öffnen sich aber erst nach Bindung eines bestimmten Botenstoffes (ligandengesteuerte Kanäle), nach einer Änderung des Membranpotentials (spannungsgesteuerte Ionenkanäle) oder nach einer mechanischen Verformung (mechanisch gesteuerte Kanäle).

Schema der Diffusionsvorgänge an der Zellmembran
Schematische Darstellung der Diffusionsvorgänge an der Zellmembran
Mariana Ruiz Villarreal, public domain
Das Schema zeigt passive Transportvorgänge, die keine Energie benötigen.

Passiver Transport durch Carrier-Proteine nach oben

Beim passiven Transport durch sogenannte Carrier-Proteine transportieren Carrier (Transporter) ganz bestimmte Moleküle durch eine Membran. Wenn das zu transportierende Moleküle (Substrat) an eine spezifische Bindungsstelle ihres Carriers bindet, ändert dies die Form (Konformation) des Carriers. Dadurch wird das Molekül durch die Membran transportiert. Carrier können eine oder mehrere Bindungsstellen besitzen und an verschiedenen Bindungsstellen auch unterschiedliche Moleküle binden. Unterschiedliche Moleküle können in die gleiche (Symport) oder in entgegengesetzte Richtungen (Antiport) transportiert werden.

Uniport, Symport und Antiport nach oben

Das folgende Schema erklärt die Unterschiede zwischen Uniport, Symport und Antiport beim Transport von Molekülen durch Membranen.

Schema zu Uniport (I), Symport (II) und Antiport (III) durch die Zellmembran
Transport-Proteine
anonym, GNU Free Documentation License
I = Uniport, II = Symport und III = Antiport

Uniport, Symport und Antiport können ohne Energie-"Verbrauch" stattfinden.

Natrium-Kalium-Pumpe als Beispiel für aktiven Transport nach oben

Beim primär aktiven Transport werden unter ATP-Verbrauch Protonen oder anorganische Ionen durch Transport-ATPasen durch die Zellmembran hindurch aus der Zelle gepumpt. Als Energie-Quelle wird ATP benutzt. Ein wichtiges Beispiel für den primär aktiven Transport ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Das in die Zellmembran integrierte Protein pumpt unter Verbrauch von ATP drei positiv geladene Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und pumpt und gleichzeitig zwei ebenfalls positiv geladene Kalium-Ionen in die Zelle hinein. Dadurch wird das Ruhepotential in Nervenzellen (Neuronen) aufrechterhalten, das zur Erzeugung und Weiterleitung von Aktionspotentialen notwendig ist.

Schema einer Natrium-Kalium-Pumpe
Natrium-Kalium-Pumpe
Mariana Ruiz Villarreal, public domain,
eingedeutscht von mir
Die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Beispiel für aktiven Transport. Die Energie aus der Hydrolyse von ATP ist direkt mit der Bewegung bestimmter Substanzen durch die Membran gekoppelt. Dies erfolgt unabhängig von einer anderen chemischen Spezies.

Man meint die Sache schon verstanden zu haben, wenn man sich dieses schön gezeichnete Schema ansieht. Allerdings stimmen die Proportionen nicht. Dadurch wird der unzutreffende Eindruck vermittelt, es passten immer nur 2 oder 3 Ionen in einen die gesamte Membran durchspannenden Kanal. Zeichnet man das Schema mit annähernd korrekten Proportionen und macht man die Bewegungen der Ionen durch eine Animation nachvollziehbar, dann werden die Probleme der Hypothese sichtbar, die obigem Schema zugrunde liegt. Um das zu demonstrieren, habe ich den gesamten Ablauf dieses Schemas als Animation programmiert und mich dabei mit Ausnahme des Proteins um eine annähernd maßstabgerechte Darstellung bemüht.

Animation der Natrium-Kalium-Pumpe Definition des Schrifttyps und der Umrandung von Rechtecken Start links rechts Kaliumion1 Kaliumion2 Kaliumion2 Kaliumion2 Natriumion1 Natriumion2 Natriumion3 Natriumion4 Natriumion5 Phosphat ADP Natrium-Ionen Kalium-Ionen außen Membran Natrium- Kalium- Pumpe innen Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0 ATP ADP Phosphat

Meine Animation setzt in Bewegung um, was die meisten Schemata zeigen. Bei genauer Betrachtung der Animation fällt aber auf, dass der Mechanismus so nicht wirklich nachvollziehbar ist. Gäbe es nämlich einen derart breiten Kanal, dann müssten viel mehr Kalium-Ionen von innen nach außen und Natrium-Ionen von außen nach innen den Kanal passieren. Deshalb habe ich eine alternative Animation erstellt, die meiner Ansicht nach logischer ist.

Animation der Natrium-Kalium-Pumpe Definition des Schrifttyps und der Umrandung von Rechtecken Start NatriumKaliumPumpe Kaliumnische1 Kaliumion1 Kaliumnische2 Kaliumion2 Natriumnische1 Natriumion1 Natriumnische2 Natriumion2 Natriumnische3 Natriumion3 Natriumion4 Phosphat2 ADP2 Natrium-Ionen Kalium-Ionen außen Membran Natrium- Kalium- Pumpe innen Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0 ATP ADP Phosphat

Warum ich nicht auch das Protein maßstabgerecht darzustellen versuche? Die folgende, durch Beschränkung auf die Darstellung der Sekundärstrukturen stark vereinfachte Darstellung lässt die Komplexität dieses Moleküls erahnen! Auf einer eigenen Seite kann man sich die auch ästhetisch ansprechende dreidimensionale Struktur mittels JSmol von allen Seiten ansehen. Dabei sieht man allerdings ein Dimer, während das Schema unten nur das Monomer zeigt.

Schema einer alpha-Einheit der Natrium-Kalium-Pumpe des europäischen Wildschweins mit angedeuteter Zellmembran
Natrium-Kalium-Pumpe
Andrei Lomize, CC BY-SA 3.0

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Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0

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