Passiver Transport über Kanäle und Carrier
Wie Ionenkanäle, Carrier und Aquaporine Stoffe passiv entlang ihres Gradienten durch die Membran leiten.
Das Wichtigste in Kürze
- Die erleichterte Diffusion ist passiver, proteinvermittelter Transport, der den Gesetzen der Diffusion folgt.
- Sie verläuft nur entlang des elektrochemischen Gradienten, der aus Konzentrationsgefälle und Membranpotential besteht.
- Ionenkanäle sind ionenspezifisch, öffnen und schließen durch Konformationsänderung und erreichen viel höhere Transportraten als Carrier.
- Öffnen sich \(\ce{Na+}\)-Kanäle, steigt die cytosolische \(\ce{Na+}\)-Konzentration.
- Aquaporine leiten Wasser passiv und bidirektional, aber keine Protonen. Sie sind im Sammelrohr der Niere und in Wurzel- und Schließzellen zu finden.
Worum es geht
Ionen, Zucker und Wasser passieren die Lipiddoppelschicht oft nur mit Hilfe von Membranproteinen, ohne dass die Zelle dafür Energie aufwendet. Dieser passive Transport liegt der Nervenerregung und dem Wasserhaushalt der Niere zugrunde. Auch Arzneistoffe wie Lidocain setzen hier an, denn es blockiert \(\ce{Na+}\)-Kanäle.
Erleichterte Diffusion
Bei der erleichterten Diffusion schleusen Membranproteine Stoffe durch die Membran, die die Lipiddoppelschicht kaum passieren. Der Transport ist passiv. Er folgt den Gesetzen der Diffusion.
Für Ionen zählt der elektrochemische Gradient. Er setzt sich aus dem Konzentrationsgefälle und der elektrischen Kraft des Membranpotentials zusammen. An einer innen negativen Membran treiben beide Anteile \(\ce{Na+}\) in die Zelle. Bei \(\ce{K+}\) wirken sie gegeneinander: Die Konzentration treibt es hinaus, die Ladung zieht es hinein.
Jedes Transportprotein lässt nur bestimmte Stoffe durch. Deshalb ist auch passiver Transport selektiv. So kann eine Zelle gezielt Stoffe in ein membranumschlossenes Kompartiment aufnehmen.
Passiv heißt bergab: Erleichterte Diffusion folgt nur dem elektrochemischen Gradienten, nie dagegen. Bergauf geht es nur mit aktivem Transport.
Zwei Proteintypen vermitteln diesen Transport:
Durchgängige Pore. Ionen strömen ohne Bindung hindurch, solange der Kanal offen ist. Sehr hohe Transportrate.
Bindet sein Substrat, etwa Glucose beim GLUT1. Ein Konformationswechsel dreht die Bindestelle zur anderen Seite. Jeder Zyklus kostet Zeit, die Rate ist viel niedriger.
Ionenkanäle
Ionenkanäle sind ionenspezifische Transmembranproteine mit einer Pore. Ein \(\ce{Na+}\)-Kanal lässt Natrium durch, ein \(\ce{K+}\)-Kanal Kalium. So vermitteln sie selektiven, passiven Ionentransport.
Eine Konformationsänderung öffnet oder schließt die Pore wie ein Tor, etwa bei spannungsgesteuerten Kanälen. Manche Kanäle sind konstitutiv geöffnet, zum Beispiel \(\ce{K+}\)-Hintergrundkanäle für das Ruhemembranpotential.
Öffnen sich \(\ce{Na+}\)-Kanäle, strömt Natrium ein. Die cytosolische \(\ce{Na+}\)-Konzentration steigt. Da die Ionen ohne Bindung durchfließen, schaffen Kanäle bis zu etwa \(10^8\) Ionen pro Sekunde. Das ist weit mehr als bei Carriern.
Aquaporine
Aquaporine sind Kanalproteine, durch die Wasser rasch und ohne Energieverbrauch diffundiert. Der Fluss ist bidirektional, die Richtung gibt das osmotische Gefälle vor. Anders als Pumpen sind sie keine Enzyme des aktiven Transports und bauen keine Protonengradienten auf.
In der Pore stehen die Wassermoleküle im Gänsemarsch. Positive Ladungen an der Engstelle ziehen ihre Wasserstoffatome nicht an, sondern stoßen sie ab. Jedes Molekül dreht sich deshalb mit dem Sauerstoff zur Mitte. Dadurch reißt die Kette aus Wasserstoffbrücken ab, über die Protonen sonst springen würden.
Im Sammelrohrepithel der Niere sind Aquaporine für die Rückresorption von Wasser aus dem Primärharn essentiell. Adiuretin steigert ihren Einbau in die Membran. In Pflanzen tragen Zellen mit hoher Wasserpermeabilität Aquaporine, etwa Wurzel- und Schließzellen.
Quiz
Aussage 1
Ein Carrier der erleichterten Diffusion kann ein Ion auch gegen seinen elektrochemischen Gradienten befördern.
Erleichterte Diffusion ist passiv und verläuft nur entlang des elektrochemischen Gradienten. Transport gegen den Gradienten erfordert aktiven Transport.
Aussage 2
Ionenkanäle erreichen höhere Transportraten als Carrier, weil die Ionen die offene Pore ohne Bindung an eine Bindestelle durchströmen.
Carrier müssen für jedes Substrat einen Konformationszyklus durchlaufen. Kanäle schaffen bis zu etwa \(10^8\) Ionen pro Sekunde.
Aussage 3
Die positiven Ladungen an der Engstelle des Aquaporins ziehen die Wasserstoffatome des Wassers an und ermöglichen so eine Protonenleitung.
Die positiven Ladungen ziehen die Wasserstoffatome nicht an. Das Wasser dreht sich mit dem Sauerstoff zur Mitte, die Wasserstoffbrückenkette reißt ab, und Protonen werden nicht geleitet.
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