Transportmechanismen

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Grundsätzliche Transportmöglichkeiten[Bearbeiten]

Grundsätzlich gibt es mehrere Wege Substanzen aufzunehmen. Es können eine oder mehrere Substanzen einzeln oder gekoppelt aufgenommen oder ausgeschleust werden.
Man unterscheidet dabei:

  • Uniport Beim Uniport wird eine Substanz befördert. Der Transport ist nicht an andere Substanzen gekoppelt. Ein Beispiel wären die GLUT 1 - 5 Transporter die Glucose über erleichterte Diffusion in die Zellen aufnehmen oder ausschleusen. Der Transport ist elektroneutral, es wird also immer nur bis zum konzentrationsausgleich transportiert.
  • Symport Beim Symport wird eine Substanz in Abhängigkeit einer anderen transportiert. Beispiele wären die SGLT 1 und 2 Transporter, die elektrogen arbeiten. Ein weiteres Beispiel sind die PEPT 1 und 2 Transporter, die Aminosäuren in die Epithelzellen des Dünndarms transportieren. Sie können elektrogen oder elektroneutral arbeiten.
  • Antiport Hier werden auch wieder 2 Substanzen transportiert. Wobei eine eingeschleust und die andere rausgeschleust wird. Beispiele wären der rBAT-Transporter, der AS transportiert, oder die NHE Transporter 1 bis 3. Hierbei handelt es sich um einen Na-H-Antiport.
  • Last but not least gibts noch die Transport ATPasen. Sie transportieren Substanzen auf unterschiedliche weise. Ein wichtiges Merkmal ist allerdings die ATP-Hydrolyse.

Einfache Diffusion[Bearbeiten]

Erleichterte-Diffusion.png

Die einfache und die erleichterte Diffusion sind passive Stoffbewegungen. Sie gehen nur solange in eine Richtung bis die Konzentrationen zwischen innen und außen ausgeglichen sind.
Die erleichterte Diffusion ist die einfachste Variante die Bilayermembran zu druchdringen. Doch es sind nur einige Substanzen dazu in der Lage. Je nach Charakter der Substanzen sind die Ggeschwindigkeiten höher oder auch nicht.
Die Geschwindigkeit mit der Stoffe durch die Membran diffundieren ist abhängig von ihrer Lipophilie und ihrer Größe.
Für anorganisch Ionen oder geladene organische Moleküle (Aminosäuren) ist die Membran eine schier unüberwindbare Hürde. Sie können (unter Energieverbrauch) leichter über Transportsysteme assimiliert werden. Eine Schwierigkeit ist die relativ große Hydrathülle mit der anorganische Ionen umgeben sind. Diese schirmen die Ionen ab.
Auch große ungeladene und polare Moleküle, wie beispielsweise Zucker, gehen nicht ungehindert durch die Membran. Oder anders herum auch sie benötigen ein Transportsystem welches Energie verbraucht.
Kleine ungeladene und polare Moleküle, wie Wasser, Harnstoff, Glycerin und CO2, können relativ leicht und relativ schnell die Membran druchdringen. Es mag zwar komisch anmuten, das ein Wassermolekül durch den lipophilen Teil der Membran durchkommt. Es ist aber so. Dies wird auf den Dipolcharakter des Wassers zurückgeführt. Dieser ermöglicht eine leichte Durchdringung der hydrophilen Köpfchen der Phospholipide.
Am schnellsten gelangen hydrophobe Stoffe wie Sauerstoff und Stickstoff, aber auch Benzol, durch die Membran.

Membranpermeabilitaet.png

Der Permeabilitätskoeffizient wird in cm/s angegeben. Wie unschwer zu erkennen ist (vgl. Abbildung) gibt es auch für große Moleküle einen solchen koeffizienten, doch kommt eine Diffusion bei einem Koeffizienten von 10-12 einem Wunder gleich.

Erleichterte Diffusion[Bearbeiten]

Die erleichterte Diffusion benötigt im Gegensatz zur einfachen Diffusion Proteine die die Membran durchdringen. Sogenannte Transportproteine. Auch hier verläuft die Diffusion passiv, will heißen ohne Energieverbrauch (z.B. Hydrolyse von ATP). Die Transportproteine wirken vergleichbar wie Katalysatoren. Nur wird in diesem Fall die Substanz nicht chemisch verändert sondern von A nach B transportiert. Die Aktivierungsenergie die nötig wäre um die Substanz durch die Membran zu bringen wird durch die Verwendung von Tunnelproteinen herabgesetzt.
Auch hier sind die Selektivitätsunterschiede gravierend. Einige Tunnelproteine können nur eine bestimmte Substanz transportieren, andere sind in der Lege unterschiedliche Substanzen zu transportieren. Die Affinität die ein Protein zu den Substanzen hat kann über den K1-Wert bestimmt werden. Ähnlich zur Enzymatik (hier ist es die Menton-Konstante) bezeichnet der K1-Wert die Konzentration bei der die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit erreicht wird. Das heißt also bei der die Hälfte der Tunnelproteine belegt ist.
Betrachtet man die Kinetik der beiden Diffusionen so sieht man bei Auftragung der Konzentration gegen die Geschwindigkeit zwei Graphen:
Bei der einfachen Diffusion ergibt sich eine Gerade die bei steigender Konzentration kein Maximum aufweist. Je mehr die Konzentration auf der einen Seite der Membran ansteigt, desto schneller diffundieren die Teilchen auf die andere Seite um die Konzentrationen auszugleichen.
Bei der erleichterten Diffusion flacht die Kurve mit steigender Konzentration ab und erreicht ein Maximum, da ab einem gewissen Zeitpunkt alle Transporter besetzt sind.


Primär aktiver Transport[Bearbeiten]

Der aktive Transport benötigt Energie, da hier nicht das Ziel ist die Konzentrationen auszugleichen, sondern ein Substrat sowohl zu transportieren, als auch auf der anderen Seite der Membran anzureichern, also zu akkumulieren.
Beim primär-aktiven Transport wird ein Konzentrationsgradient aufgebaut, beim sekundär-aktiven Transport wird der Gradient genutzt um durch Symport weitere Substanzen in der Zelle zu akkumulieren.

Na-K ATPase[Bearbeiten]

Als Beispiel für den primär aktiven Transport soll hier die einer der bestuntersuchtesten Mechanismen erklärt werden. Die Natrium-Kalium ATPase, die ein Protein darstellt, welches aus 4 Untereinheiten (tetramer) aufgebaut ist. Wie viele Mechanismen benötigt auch die Ka-K ATPase Mg2+ für ihre Funktion.

Na-K-ATPase-Aufbau.png

Die Natrium-Kalium ATPase ist ein ATP abhängiger Mechanismus, der für die Entstehung eines Gradienten verantwortlich ist. Es werden 3 Na-Ionen aus der Zelle ausgeschleust und 2 K-Ionen werden eingeschleust. Es handelt sich hierbei um einen primär aktiven Transport, der Energie benötigt.
Die Kaliumkonzentration wird intrazellulär ca. 150 mmol/L und extrazellulär ca. 4 mmol/L. Die Natriumkonzentration beträgt innerhalb der Zelle 10 - 40 mmol/L und außerhalb 143 mmol/L. Das Verhältnis ist also genau umgekehrt.

Na-K-ATPase.png

Im ersten Schritt (oben rechts) liegt die Na+/K+ ATPase unphosphorylisiert vor. Die Bindestellen weisen ins Zellinnere und sie weisen eine hohe Affinität für Natrium auf, welches auch gleich bindet.
Die Natriumbindung indiziert die Hydrolyse von ATP und die ATPase wird an einem Aspartylrest phosphoryliert.
Das gebundene Phosphot sorgt für eine Konformationsänderung und die gebundenen Natriumionen werden nach außen exponiert.
Durch die "nach außen Stülpung" verändert sich die Affinität und die Natriumionen werden frei gesetzt.
Anschließend erhöht sich die Affinität für Kalium drastisch. Es werden 2 Kaliumionen an den Bindestellen angelagert, selbst wenn die Kaliumkonzentration sehr gering ist.
Die Bindung des Kaliums induziert eine intrinsische Phosphataseaktivität. Die das Phosphat hydrolytisch abspaltet.
Die Phosphatabspaltung sorgt erneut für eine Konformationsänderung und die Bindestellen orientieren sich wieder nach innen.
Dadurch sinkt die Affinität für Kalium wieder und es wird ins Zellinnere abgegeben. Die Affinität für Natrium steigt wieder an und der Kreislauf kann von neuem beginnen.

Einen Schutz vor Energieverlust bewirkt die Kopplung der einzelenen Schritte: Es wird nur ATP hydrolysiert, wenn ausreichend Natrium und Kalium anwesend sind.
Die Na+/K+ ATPase kann durch Steroidglycoside (z.B. Digitoxin und Ouabain) gehemmt werden.

Die maximale Leistung des Körpers liegt bei ca 300 Na+ und 200 K+-Ionen pro Minute.

Das entstandene Membranpotential liegt je nach Zelltyp zwischen -50 - -70 mV. Dies bildet die Grundlage für vielfältige Signalübertragungen. Das Ruhepotential der Nerven ist beispielsweise die Voraussetzung für ihre Erregbarkeit.

Der primär aktive Transport und die Entstehung des Gradienten sind Grundvoraussetzung für viele weitere Reaktionen wie die Osmoseregulation, die Rückresorption der Elektrolyte und von Wasser aus dem Primärharn. Auch die Sekretion von Speichel und Pankreassekreten sind von diesem Gradienten abhängig.

Andere ATPasen[Bearbeiten]

  • K+/H+-ATPase Sind in den Mucosazellen für die Wasserstoffionenabgeabe verantwortlich. Sie sind an der Bildung der Magensäure beteiligt. Vgl Verdauung.
  • Ca2+</sup-ATPase: Pro ATP-Molekül werden 2 Calciumionen aus der Zelle transportiert. Dies dient in den Nervenzellen der Erregbarkeit bzw. der Reizweiterleitung.

Bei den eben genannten ATPasen handelt es sich um P-ATPasen. Es gibt aber auch noch andere ATPasentypen:

  • V-ATPAsen: Sieh haben ihren Namen, weil sie zuerst in den Vakuolen von Pflanzenzellen entdeckt wurden. Sie sind aber auch im tierischen Organismus in unterschiedlichen Vesikeln (Lysosomen, Endosomen etc.) aufzufinden. Sie sind für eine steigende Wasserstoffionenkonzentration im Inneren dieser Vesikel verantwortlich. Es ist zwar bekannt, dass diese ATPasen kein ATP hydrolysieren, doch woher sie ihre Energie beziehen konnte noch nicht geklärt werden.

Sekundär aktiver Transport[Bearbeiten]

Der sekundär aktive Transport basiert auf der Ausnutzung des entstandenen Gradienten. So kann beispielsweise durch die Bindung von 2 Natriumionen ein Glucosemolekül in die Epithelzellen der Bürstensaummembran im Dünndarm geschleust werden.

Glucoseaufnahme in Darmepithelzellen[Bearbeiten]

Wie schon erwähnt, wird der durch den primär aktiven Tranport gebildete Gradient ausgenutzt um Glucose im Dünndarm aufzunehmen. Der entsprechende Transporter wird SGLT 1 genannt, er besteht aus nicht ganz 700 Aminosäuren die 12 Helizees bilden. Es handelt sich hierbei um einen Natrium-Glcose-Cotransporter.
Im Ausgangszustand sind die Bindestellen für Natrium und Glucose nach außen zum Darmlumen hin exponiert. Wenn kein Natrium anwesend ist, ist die Affinität des Transportes für Glucose sehr gering. Doch durch die Anlagerung 2 Na+-Ionen wird die Affinität für Glucose stark erhöht.
Sobald die Glucose an der Bindestelle andockt, kommt es zur einer erneuten Konformitätsänderung und die Bindestelle dreht sich so zu sagen ins Innere der Zelle.
Durch die geringe intrazelluläre Natriumkonzentration diffundiert, die Natriumionen ab und senken so wieder die Affinität für die Glucose. Die Glucose wird in die Zelle abgegeben auch wenn die Konzentration relativ hoch ist. Es ist ein 10 facher Gradient erreichbar.
Diese Reaktion ist nur aufgrund der geringen intrazellulären Natrium-Konzentration möglich. Dies ermöglicht die Ablösung der gebundenen Ionen.
Der SGLT 1 Transporter ist nicht auf Glucose beschränkt. Er kann auch Galactose transportieren, Hauptsache es ist ein pyranoider 6-Ring und OH-Gruppen am C1 und C2 vorhanden.
Man kann bei dieser Abbildung sehen, dass eine Zelle mehrere Mechanismen in sich vereinigt:

Transportmechanismen.png