Die Hauptfunktion einer Biomembran ist es, verschiedene Stoffe zu transportieren. Wie der Stofftransport durch die Biomembran genau funktioniert und welche Transportvorgänge du unterscheidest, erklären wir dir hier!
Eine wichtige Aufgabe der Biomembran ist der Stofftransport in den Zellen. Die Membran lässt dabei nur bestimmte Stoffe durch, sie ist also semipermeabel . Grundsätzlich kannst du zwischen einem aktiven Stofftransport mit Energiebeteiligung und einem passiven Stofftransport ohne Energiezufuhr unterscheiden.
Mithilfe unterschiedlicher Transportvorgänge können Zellen und ihre Organellen mit ihrer Umgebung sozusagen ‚kommunizieren‘. Das gelingt ihnen mit einem gezielten Stoff- und Teilchenaustausch durch die Biomembran. Dabei spielen vor allem die Diffusion und ihre Sonderform, die Osmose, eine große Rolle.
Du unterscheidest verschiedene Transportmechanismen, mit denen Stoffe von einer Membranseite auf die andere Seite gelangen. Hier geben wir dir zunächst einen Überblick:
Alle Transportmechanismen haben gemeinsam, dass die Biomembran nicht alle Stoffe gleich gut durchlässt. Es handelt sich also um eine semipermeable Membran. Mehr dazu erfährst du hier .
Nicht bei jedem Stoff klappt jeder Transportvorgang. Deswegen kannst du Stoffe folgendermaßen unterteilen:
Beim passiven Stofftransport ist keine von außen zugeführte Energie notwendig. Die Triebkraft für den Transportvorgang stammt aus einem Konzentrationsunterschied zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb der Membran. Die Stoffe können nun die Biomembran passieren, und zwar immer vom Ort ihrer höheren Konzentration zum Ort ihrer niedrigeren Konzentration. Du kannst auch sagen, dass sie mit ihrem Konzentrationsgradienten (Konzentrationsgefälle) wandern.
Den Vorgang bezeichnest du grundsätzlich als Diffusion . Hier gibt es zwei Möglichkeiten:
Bei der einfachen Diffusion können kleine, meist ungeladene Moleküle die Phospholipiddoppelschicht der Membran ungehindert passieren. Dabei handelt es sich meist um hydrophobe Moleküle, wie Sauerstoff (O2) oder Kohlenstoffdioxid (CO2).
Hier gilt: Je besser fettlöslich ein Molekül ist, desto leichter kann es durch die Membran diffundieren.
Die erleichterte Diffusion ermöglicht es auch geladenen oder polaren Substanzen die Membran mit ihrem Konzentrationsgradienten zu durchqueren. Der Transportvorgang wird hier allerdings durch Kanalproteine oder Transportproteine (Carrier) erleichtert. So können beispielsweise Aminosäuren, Ionen oder Zuckermoleküle durch die Biomembran transportiert werden.
Carrier-Proteine
Transportproteine oder Carrier verändern ihre äußere Form, nachdem ein bestimmtes Molekül daran gebunden hat. Dadurch setzen sie das Molekül auf der anderen Membranseite wieder frei. Ein wichtiges Beispiel ist der Glucose Transport in die Zelle. Durch so ein Carrier-Protein verläuft er nämlich viel schneller als durch eine einfache Diffusion.
Kanalproteine
Kanalproteine sind eine Art Tunnel. Mit ihrer Hilfe können die zu transportierenden Moleküle durch die Membran gelangen.
Für den Transport von Wasser besitzt die Zellmembran besondere Kanalproteine, die sogenannten Aquaporine. Dadurch kann die Zelle gezielt steuern, wie viel Wasser sie aufnimmt oder abgibt. Wasser wird über die sogenannte Osmose , einem Spezialfall der Diffusion, transportiert. Hier diffundiert das Lösungsmittel in Form von Wasser nämlich selbst durch die Membran.
Bei einem aktiven Transport wird eine Substanz entgegen ihres Konzentrationsgefälles durch eine Membran transportiert. Dafür muss Stoffwechselenergie aufgewendet werden.
Hier gibt es drei Transportproteine, mit denen Stoffe durch die Membran befördert werden können:
Grundsätzlich unterscheidest du außerdem zwischen zwei verschiedenen Grundformen des aktiven Transports:
Merke: Der aktive Transport erfolgt immer in eine bestimmte Richtung, er ist also gerichtet.
Bei einem primär aktiven Transport stammt die benötigte Energie direkt von ATP (Adenosintriphosphat). Sie wird durch die Spaltung des Energieträgers frei und steht dem Transportprotein zu Verfügung. So gelangen zum Beispiel bestimmte Ionen entgegen ihres Konzentrationsgefälles durch die Membran.
Beispiel: Natrium-Kalium-Pumpe
Der Transportvorgang spielt vor allem eine wichtige Rolle, um das Ruhepotential in Nervenzellen konstant zu halten.
Ein sekundär aktiver Transport verbraucht ATP nicht direkt. Stattdessen nutzt der Transportvorgang einen bereits bestehenden Konzentrationsgradienten, der zuvor von einem primär aktiven Transport aufgebaut wurde. Dabei wird eine Substanz gegen ihren Konzentrationsgradienten transportiert, indem bestimmte Ionen mit ihrem Konzentrationsgefälle durch die Membran wandern und die Substanz sozusagen ‚mitschleppen‘.
Beispiel: Aufnahme von Glucose aus dem Darm in die Zelle
In unserer Tabelle findest du eine Übersicht zum aktiven und passiven (einfache und erleichterte Diffusion) Transport mit Gemeinsamkeiten und Unterschieden:
einfache Diffusion | erleichterte Diffusion | aktiver Transport | |
Energie von außen notwendig? | nein | nein | ja |
Membranproteine benötigt? | nein | ja | ja |
Treibende Kraft | Konzentrationsgefälle | Konzentrationsgefälle | Spaltung von ATP |
Richtung | mit dem Konzentrationsgefälle | mit dem Konzentrationsgefälle | entgegen des Konzentrationsgefälles |
Spezifität (Können alle Stoffe befördert werden oder nur bestimmte?) | unspezifisch | spezifisch | spezifisch |
Beispiel | kleine, hydrophobe Moleküle wie O2 oder CO2 | größere, polare Moleküle wie Aminosäuren oder Glucose |
primär aktiv: Natrium-Kalium-Pumpe sekundär aktiv: Glucoseaufnahme in die Zelle |
Merke: Der passive Transport folgt immer dem momentanen Konzentrationsgefälle. Er kann also prinzipiell in beide Richtungen durch die Membran erfolgen. Der aktive Transport hingegen ist immer gerichtet, findet also nur in eine Richtung statt (rein oder raus).
Sind Partikel zu groß, um durch die Membranproteine zu passen, gibt es einen weiteren Transportmechanismus: die Zytose. Hier werden die großen Stoffe in kleinen membranumhüllten Bläschen, den Vesikeln , in die Zelle hinein oder aus ihr heraus befördert. Dieser Stofftransport findet oft bei Makromolekülen, wie Proteinen oder Mehrfachzuckern, statt.
Du unterscheidest zwischen zwei Transportprozessen:
Bei der Exozytose werden die zu transportierenden Stoffe über Vesikel aus dem Zellinneren ins Zelläußere befördert. Das funktioniert, indem die Membran das Vesikel mit der Plasmamembran verschmilzt. Dadurch entsteht eine Öffnung zur Zellaußenseite und das Vesikel kann seinen Inhalt nach außen abgeben.
Das können zum Beispiel Abfall- und Nebenprodukte von Stoffwechselvorgängen oder bestimmte Enzyme wie Verdauungsenzyme sowie Neutransmitter sein.
Schon gewusst? Vor allem der Golgi-Apparat ist für die Bildung von Transportvesikeln in den Zellen verantwortlich.
Bei der Endozytose handelt es sich um einen Transportvorgang, bei dem eine Zelle Stoffe aus dem Zelläußeren ins Zellinnere aufnehmen kann. Das gelingt ihr, indem sie ihre Plasmamembran einstülpt, die aufzunehmenden Partikel umschließt und sich nach innen als Vesikel abschnürt.
Hier unterscheidest du vor allem zwei Formen:
Wie die Phagozytose Schritt für Schritt abläuft und warum sie vor allem für dein Immunsystem wichtig ist, erklären wir dir hier !
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