Probeseiten Schülerbuch · 2017. 6. 13. · die Membran semipermeabel machen. Die wichtigs-ten...
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Zellen 60 Biomembranen und Transportvorgänge 61 hydrophiler Innenbereich hydrophober Außenbereich Wassermoleküle 1 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. 2 3 4 Kanal- und Transportproteine erleichtern die Diffusion durch Membranen 3.5 Online-Link Übersicht Membranproteine 150010-0610 Kompartimen- tierung Für die Osmose sind Membranporen wichtig, die die Membran semipermeabel machen. Die wichtigs- ten Vertreter solcher Kanalproteine, die Aquaporine, sind erstaunlich effiziente Diffusionshelfer. • Durch ein Aquaporin ( Abb. 1) können pro Sekunde 3 Milliarden Wassermoleküle passieren! Und durch 100 cm 2 (das entspricht ca. einem Viertel dieser Buchseite) einer Membran mit Aquaporinen kann in wenigen Sekun- den ein ganzer Liter Wasser diffundieren. Daher findet man besonders viele Aquaporine in Zellmembranen von Zellen, für die eine so schnelle Wasserdiffusion wichtig ist, etwa Nierenzellen oder schnell wachsende Zellen. Andere Kanalproteine ermöglichen es größeren Molekülen, die Membran zu durchqueren ( Abb. 2). In vielen Fällen sind solche Kanäle gesteuert, das heißt, auf ein elektrisches oder chemisches Signal hin kön- nen sie geöffnet oder geschlossen werden. Ein wichti- ges Beispiel sind Ionenkanäle, die häufig verschieden große Ionen wie Natrium- und Kalium-Ionen selektiv durchlassen. Im Zusammenhang mit dem Nervensys- tem werden Sie Natrium- und Kaliumkanäle kennen- lernen, die sich durch eine benachbarte Erregung sehr schnell öffnen und wieder schließen. Dabei strömen Natrium- und Kalium-Ionen in gegenläufiger Richtung durch die Nervenfasermembran und die Erregung wird fortgeleitet ( Kap. 28). Membrantransport setzt nicht immer einen Ka- nal voraus. Viele Membranproteine können ein Mo- lekül spezifisch binden und dann eine Umlagerung ihrer Faltungsstruktur, eine Konformationsänderung, vollziehen. Dadurch kann das gebundene Molekül sei- ne Bindestelle auf der anderen Membranseite wieder verlassen ( Abb. 2). Solche Transportproteine nen- nen wir auch Carrier. Wenn Sie einen Schokoriegel gegessen 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 H 3 O + ). dann bewirkt zum Beispiel ein Glucose-Carrier, dass Glucose aus dem Blutplasma in Blut-, Leber- oder Muskelzellen hinein diffundieren kann. Der Carrier hat eine Bindestelle, die für Glucose spezifisch ist. Anders als ein Enzym bei einer Stoffwechselreaktion ( 4.3) verändert ein Glucose-Carrier das Glucosemolekül aber nicht, sondern bewegt es lediglich auf die andere Membranseite. Sie sollten Folgendes im Gedächtnis behalten: Bei all diesen verschiedenen Möglichkeiten, eine Mem- 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. löst sich beim Schrumpfen die Zellmembran von der Zellwand; wir sprechen dann von Plasmolyse. Sie sehen das in Abb. 3 deutlich. Dieser Vorgang kommt durchaus in lebenden Pflanzen vor, wenn sie aufgrund langer Trockenheit welken. Falls die Trockenheit nicht allzu lange anhält, überleben Pflanzen die Plasmolyse. Bei einsetzendem Regen wird die Zellumgebung wieder hypotonisch, der osmotische Druck baut sich auf und die Zellmembran legt sich wieder an die Zellwand an (Deplasmolyse, Abb. 4). Den Effekt sehen Sie auch von außen, wenn sich eine welke, aber nicht völlig vertrock- nete Pflanze nach dem Gießen wieder aufrichtet. 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 für fast alle Biomoleküle eine wirksame Schranke dar und hindert sie daran, die Zelle oder ein Zellkompartiment zu verlassen. Selbst das kleine Wassermolekül kann nur recht langsam hindurch diffundieren. Andererseits erfordert der Prozess der Osmose eine semipermeable Membran, die für Wasser gut durchlässig ist, aber nicht für gelöste Substanzen. Sehr oft muss eine Zelle auch kleine und große Biomoleküle mit ihrer Umge- bung oder mit anderen Zellen rasch und gezielt aus- tauschen können. Wie erfüllen Biomembranen diese verschiedenen Aufgaben? Membranproteine ermöglichen vielen Substan- zen eine schnelle Diffusion. Eine solche Diffusion wird daher auch erleichterte-Diffusion genannt wird. Mem- branproteine als Helfer für die Diffusion bieten zwei weitere Vorteile: Sie können die Moleküle, • die die Membran durch- queren, nach deren Größe und chemischen Eigen- schaften sortieren. Wir sprechen dann von selektiv- permeablen Membranen. S • ie können die Diffusion kontrollieren, indem sie den Durchgang durch die Membran öffnen oder schließen. Kanalproteine und Transportproteine erleichtern die Diffusion durch eine Membran entlang dem Konzentrations- gefälle. Sie ermöglichen den Transport prinzipiell in beide Richtungen.
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Zellen
60
Biomembranen und Transportvorgänge
61
hydrophiler Innenbereich
hydrophober Außenbereich
Wassermoleküle
1
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.
