Zelle ist eine strukturelle Einheit allen Lebens auf unserem Planeten und ein offenes System. Das bedeutet, dass sein Leben einen ständigen Stoff- und Energieaustausch mit der Umwelt erfordert. Dieser Austausch erfolgt über die Membran – die Hauptgrenze der Zelle, die ihre Integrität bewahren soll. Durch die Membran findet der Zellstoffwechsel statt, und zwar entweder entlang des Konzentrationsgradienten einer Substanz oder dagegen. Der aktive Transport durch die Zytoplasmamembran ist ein komplexer und energieintensiver Prozess.
Membrane - Barriere und Tor
Die Zytoplasmamembran ist Bestandteil vieler Zellorganellen, Plastiden und Einschlüsse. Die moderne Wissenschaft basiert auf dem Fluid-Mosaik-Modell der Membranstruktur. Dadurch ist ein aktiver Stofftransport durch die Membran möglichbestimmtes Gebäude. Die Basis von Membranen bildet eine Lipiddoppelschicht – hauptsächlich Phospholipide, die entsprechend ihrer hydrophilen-hydrophoben Eigenschaften angeordnet sind. Die Haupteigenschaften der Lipiddoppelschicht sind Fluidität (die Fähigkeit, Stellen einzubetten und zu verlieren), Selbstorganisation und Asymmetrie. Der zweite Bestandteil von Membranen sind Proteine. Ihre Funktionen sind vielfältig: aktiver Transport, Empfang, Gärung, Erkennung.
Proteine befinden sich sowohl auf der Oberfläche der Membranen als auch im Inneren und dringen zum Teil mehrfach in diese ein. Die Eigenschaft von Proteinen in einer Membran ist die Fähigkeit, sich von einer Seite der Membran zur anderen zu bewegen („Flip-Flop“-Sprung). Und die letzte Komponente sind die Saccharid- und Polysaccharidketten von Kohlenhydraten auf der Oberfläche der Membranen. Ihre Funktionen sind bis heute umstritten.
Arten des aktiven Stofftransports durch die Membran
Aktiv wird ein solcher Transfer von Stoffen durch die Zellmembran, der kontrolliert erfolgt, mit Energieaufwand erfolgt und gegen den Konzentrationsgradienten geht (Stoffe werden aus einem Bereich geringer Konzentration in einen Bereich geringer Konzentration überführt hohe Konzentration). Je nach verwendeter Energiequelle werden folgende Verkehrsmittel unterschieden:
- Primärer Wirkstoff (Energiequelle - Hydrolyse von Adenosintriphosphorsäure ATP zu Adenosindiphosphorsäure ADP).
- Sekundäraktiv (versorgt mit Sekundärenergie, die durch die Mechanismen des primäraktiven Stofftransports erzeugt wird).
Proteine-Assistenten
Sowohl im ersten als auch im zweiten Fall ist ein Transport ohne Trägerproteine nicht möglich. Diese Transportproteine sind sehr spezifisch und dazu bestimmt, bestimmte Moleküle und manchmal sogar bestimmte Arten von Molekülen zu transportieren. Dies wurde experimentell an mutierten bakteriellen Genen nachgewiesen, was dazu führte, dass ein aktiver Transport eines bestimmten Kohlenhydrats durch die Membran nicht möglich war. Transmembrantransportproteine können Selbsttransporter sein (sie interagieren mit Molekülen und tragen sie direkt durch die Membran) oder kanalbildend (bilden Poren in Membranen, die für bestimmte Substanzen offen sind).
Natrium- und Kaliumpumpe
Das am besten untersuchte Beispiel für den primär aktiven Stofftransport durch die Membran ist die Na+ -, K+ -Pumpe. Dieser Mechanismus sorgt für den Unterschied in den Konzentrationen von Na+- und K+-Ionen auf beiden Seiten der Membran, der notwendig ist, um den osmotischen Druck in der Zelle und andere Stoffwechselvorgänge aufrechtzuerh alten. Das Transmembran-Trägerprotein Natrium-Kalium-ATPase besteht aus drei Teilen:
- Auf der Außenseite der Proteinmembran befinden sich zwei Rezeptoren für Kaliumionen.
- Auf der Innenseite der Membran befinden sich drei Natriumionenrezeptoren.
- Der innere Teil des Proteins hat ATP-Aktivität.
Wenn zwei Kaliumionen und drei Natriumionen an Proteinrezeptoren auf beiden Seiten der Membran binden, wird die ATP-Aktivität eingesch altet. Das ATP-Molekül wird unter Freisetzung von Energie zu ADP hydrolysiert, die für den Transport von Kaliumionen aufgewendet wirdinnerhalb und Natriumionen außerhalb der Zytoplasmamembran. Es wird geschätzt, dass der Wirkungsgrad einer solchen Pumpe mehr als 90 % beträgt, was an sich schon erstaunlich ist.
Als Referenz: Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors liegt bei etwa 40 %, elektrisch - bis zu 80 %. Interessanterweise kann die Pumpe auch in die entgegengesetzte Richtung arbeiten und als Phosphatspender für die ATP-Synthese dienen. Bei einigen Zellen (z. B. Neuronen) werden bis zu 70 % der gesamten Energie darauf verwendet, Natrium aus der Zelle zu entfernen und Kaliumionen hineinzupumpen. Pumpen für Calcium, Chlor, Wasserstoff und einige andere Kationen (Ionen mit positiver Ladung) arbeiten nach dem gleichen Prinzip des aktiven Transports. Für Anionen (negativ geladene Ionen) wurden keine solchen Pumpen gefunden.
Kotransport von Kohlenhydraten und Aminosäuren
Ein Beispiel für sekundären aktiven Transport ist der Transfer von Glukose, Aminosäuren, Jod, Eisen und Harnsäure in die Zellen. Als Ergebnis des Betriebs der Kalium-Natrium-Pumpe wird ein Gradient der Natriumkonzentration erzeugt: Die Konzentration ist außen hoch und innen niedrig (manchmal 10-20-mal). Natrium neigt dazu, in die Zelle zu diffundieren, und die Energie dieser Diffusion kann verwendet werden, um Substanzen herauszutransportieren. Dieser Mechanismus wird Cotransport oder gekoppelter aktiver Transport genannt. In diesem Fall hat das Trägerprotein außen zwei Rezeptorzentren: eines für Natrium und das andere für das zu transportierende Element. Erst nach der Aktivierung beider Rezeptoren erfährt das Protein Konformationsänderungen und die DiffusionsenergieNatrium bringt die transportierte Substanz gegen den Konzentrationsgradienten in die Zelle ein.
Der Wert des aktiven Transports für die Zelle
Wenn die übliche Diffusion von Substanzen durch die Membran beliebig lange andauern würde, würden sich ihre Konzentrationen außerhalb und innerhalb der Zelle angleichen. Und das ist der Tod für die Zellen. Schließlich müssen alle biochemischen Prozesse in einer Umgebung mit elektrischen Potentialunterschieden ablaufen. Ohne einen aktiven, gegen ein Konzentrationsgefälle gerichteten Transport von Stoffen wären Nervenzellen nicht in der Lage, einen Nervenimpuls weiterzuleiten. Und Muskelzellen würden die Fähigkeit verlieren, sich zusammenzuziehen. Die Zelle wäre nicht in der Lage, den osmotischen Druck aufrechtzuerh alten und würde zusammenbrechen. Und die Stoffwechselprodukte würden nicht herausgebracht. Und Hormone würden niemals in den Blutkreislauf gelangen. Schließlich verbraucht sogar eine Amöbe Energie und erzeugt mit denselben Ionenpumpen eine Potentialdifferenz auf ihrer Membran.
