Zellen

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Biomembranen und Transportvorgänge

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hydrophiler Innenbereich

hydrophober Außenbereich

Wassermoleküle

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Ein Kanalprotein erleichtert die Diffusion von polaren Molekülen oder Ionen.

Ein Transportprotein bindet ein passendes Molekül und setzt es nach einer Umlagerung auf der anderen Seite wieder frei.

Der passive Transport erfolgt mit dem Konzentrationsgefälle.

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3 4

Kanal- und Transportproteine erleichtern die Diffusion durch Membranen3.5

Online-LinkÜbersicht Membranproteine150010-0610

Kompartimen-tierung

FürdieOsmosesindMembranporenwichtig,diedieMembransemipermeabelmachen.Diewichtigs-tenVertretersolcherKanalproteine,dieAquaporine,sinderstaunlicheffizienteDiffusionshelfer.•DurcheinAquaporin( Abb.1)könnenproSekunde3MilliardenWassermoleküle passieren! Und durch 100cm2 (dasentspricht ca. einem Viertel dieser Buchseite) einerMembranmitAquaporinenkann inwenigenSekun-deneinganzerLiterWasserdiffundieren.Daherfindetman besonders viele Aquaporine in Zellmembranenvon Zellen, für die eine so schnelle Wasserdiffusionwichtigist,etwaNierenzellenoderschnellwachsendeZellen.

AndereKanalproteineermöglichenesgrößerenMolekülen,dieMembranzudurchqueren( Abb.2).InvielenFällensindsolcheKanälegesteuert,dasheißt,aufeinelektrischesoderchemischesSignalhinkön-nensiegeöffnetodergeschlossenwerden.Einwichti-gesBeispielsindIonenkanäle,diehäufigverschiedengroßeIonenwieNatrium-undKalium-Ionenselektivdurchlassen.ImZusammenhangmitdemNervensys-temwerdenSieNatrium-undKaliumkanälekennen-lernen,diesichdurcheinebenachbarteErregungsehrschnellöffnenundwiederschließen.DabeiströmenNatrium-undKalium-IoneningegenläufigerRichtungdurchdieNervenfasermembranunddieErregungwirdfortgeleitet( Kap.28).

Membrantransportsetztnicht immereinenKa-nal voraus. Viele Membranproteine können ein Mo-lekül spezifisch binden und dann eine Umlagerungihrer Faltungsstruktur, eineKonformationsänderung,vollziehen.DadurchkanndasgebundeneMolekülsei-neBindestelleaufderanderenMembranseitewiederverlassen ( Abb.2).SolcheTransportproteinenen-nen wir auch Carrier. Wenn Sie einen Schokoriegelgegessen haben und Ihr Blutzuckerspiegel ansteigt,

Aquaporine sind Kanalproteine, die Wassermolekülen die Diffusion durch die Membran erleichtern. Durch den Flaschenhals des Aquaporins passen nur die kleinen Wassermoleküle. Die positiven Ladungen hindern Protonen am Durchtritt (formal: H+, tatsächlich H3O+).

dann bewirkt zum Beispiel ein Glucose-Carrier, dassGlucose aus dem Blutplasma in Blut-, Leber- oderMuskelzellenhineindiffundierenkann.DerCarrierhateineBindestelle,diefürGlucosespezifischist.AndersalseinEnzymbeieinerStoffwechselreaktion ( 4.3)verändert ein Glucose-Carrier das Glucosemolekülabernicht,sondernbewegteslediglichaufdieandereMembranseite.

Sie sollten Folgendes im Gedächtnis behalten:BeialldiesenverschiedenenMöglichkeiten,eineMem-bran zu durchqueren, strömen Substanzen entlang

Aufgabe 3.4

Bei Infusionen in das Blutsystem ist es extrem wichtig, als Infusionsflüssigkeit eine physiologische Kochsalzlösung zu nehmen, die eine ganz bestimmte Salzkonzentration aufweist. Begründen Sie.

löstsichbeimSchrumpfendieZellmembranvonderZellwand; wir sprechen dann von Plasmolyse. SiesehendasinAbb.3deutlich.DieserVorgangkommtdurchausinlebendenPflanzenvor,wennsieaufgrundlangerTrockenheitwelken.FallsdieTrockenheitnichtallzulangeanhält,überlebenPflanzendiePlasmolyse.

BeieinsetzendemRegenwirddieZellumgebungwiederhypotonisch,derosmotischeDruckbautsichaufunddieZellmembranlegtsichwiederandieZellwandan(Deplasmolyse, Abb.4).DenEffektsehenSieauchvonaußen,wennsicheinewelke,abernichtvölligvertrock-netePflanzenachdemGießenwiederaufrichtet.

Plasmolyse. Befinden sich Pflanzenzellen in einer hyperto-nischen Lösung (beispielsweise Salzwasser), strömt Wasser aus. Der schrumpfende Zellkörper löst sich von der Zellwand. Dieses Pflanzengewebe welkt.

Deplasmolyse. Tauscht man die Salzlösung in der Umge-bung plasmolysierter Zellen gegen Wasser aus (hypotoni-sche Umgebung), strömt Wasser osmotisch wieder ein. Der Zellkörper legt sich wieder an die Zellwand.

Der hydrophobe Kern von Biomembranen stellt fürfastalleBiomoleküleeinewirksameSchrankedarundhindertsiedaran,dieZelleodereinZellkompartimentzu verlassen. Selbst das kleineWassermolekül kannnurrechtlangsamhindurchdiffundieren.AndererseitserfordertderProzessderOsmoseeinesemipermeableMembran, die für Wasser gut durchlässig ist, abernichtfürgelösteSubstanzen.SehroftmusseineZelleauchkleineundgroßeBiomolekülemit ihrerUmge-bungodermitanderenZellenraschundgezieltaus-tauschenkönnen.WieerfüllenBiomembranendieseverschiedenenAufgaben?

Membranproteine ermöglichen vielen Substan-zeneineschnelleDiffusion.EinesolcheDiffusionwirddaheraucherleichterte­Diffusiongenanntwird.Mem-branproteinealsHelferfürdieDiffusionbietenzweiweitereVorteile:

SiekönnendieMoleküle, • diedieMembrandurch-queren,nachderenGrößeundchemischenEigen-schaftensortieren.Wirsprechendannvonselektiv­permeablenMembranen.S • iekönnendieDiffusionkontrollieren,indemsiedenDurchgangdurchdieMembranöffnenoderschließen.

Kanalproteine und Transportproteine erleichtern die Diffusion durch eine Membran entlang dem Konzentrations-gefälle. Sie ermöglichen den Transport prinzipiell in beide Richtungen.