Cytologie
Membran
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Stofftransport durch Biomembran einfach erklärt 

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. 

Transportmechanismen Biomembran 

Du unterscheidest verschiedene Transportmechanismen, mit denen Stoffe von einer Membranseite auf die andere Seite gelangen. Hier geben wir dir zunächst einen Überblick:

  • Passiver Transport: Bei diesem Stofftransport muss die Zelle keine Energie aufwenden. Die Stoffe bewegen sich so vom Bereich höherer Konzentration zum Bereich niedrigerer Konzentration durch die Membran. Die Bewegung nennst du Diffusion
    • Einfache Diffusion: Kleine Moleküle können die Membran ungehindert passieren. Sie bewegen sich entlang ihres Konzentrationsgradienten (Konzentrationsgefälles). 
    • Erleichterte Diffusion: Auch größere oder geladene Moleküle können die Membran durch Diffusion durchqueren. Hierbei ‚helfen‘ ihnen bestimmte Membranproteine. 
  • Aktiver Transport: Hier werden Stoffe entgegen ihres Konzentrationsgefälles durch die Biomembran transportiert. Bei dem Transportvorgang ist Energie notwendig.
    • Primär aktiver Transport: Bei dem Stofftransport wird Energie in Form von ATP (universeller Energieträger ) verbraucht. 
    • Sekundär aktiver Transport: Hier wird der Konzentrationsgradient eines Stoffes ausgenutzt, um einen anderen Stoff durch die Membran entgegen seines Gradienten zu befördern. 
  • Zytose: Bei dem Transportvorgang werden große Stoffe in Zellen hinein oder aus ihnen heraus transportiert, indem Membranen verschmelzen oder sich membranumhüllte Bläschen (Vesikel ) bilden. 
    • Endozytose : Große Partikel werden in die Zelle aufgenommen, indem sich die Plasmamembran einstülpt. Die Stoffe werden dadurch in Vesikeln in die Zelle befördert. 
    • Exozytose : In Vesikeln eingeschlossenes Material wird aus der Zelle ausgeschleust, indem die Vesikel mit der Plasmamembran verschmilzt. 
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Stofftransport durch die Biomembran

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

Hydrophobe und Hydrophile Stoffe 

Nicht bei jedem Stoff klappt jeder Transportvorgang. Deswegen kannst du Stoffe folgendermaßen unterteilen: 

  • Hydrophobe Stoffe: sind wasserabweisend beziehungsweise fettliebend. Sie können die Phospholipid-Doppelschicht der Biomembran meist ohne Probleme durchqueren. Das funktioniert, indem sie von der Seite hoher Konzentration zur Seite niedriger Konzentration diffundieren. Beispiele sind Sauerstoff (O2) oder Kohlenstoffdioxid (CO2).
  • Hydrophilie Stoffe: sind wasserliebend beziehungsweise fettliebend. Sie können die Membran in der Regel nur mithilfe von eingelagerten Proteinen durchqueren. Das kann über passiven oder aktiven Transport erfolgen. Beispiele sind Glucose oder Aminosäuren

Passiver Transport 

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:

  • eine einfache Diffusion durch die Phospholipiddoppelschicht der Membran
  • eine erleichterte Diffusion durch Kanal- oder Transportproteine (Carrier)
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Passiver Transport

Einfache Diffusion 

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.

Erleichterte Diffusion

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.

Osmose

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.

Aktiver Transport 

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:

  • Uniporter: Sie transportieren eine gelöste Substanz in nur eine Richtung. 
  • Symporter: Sie befördern zwei gelöste Substanzen in dieselbe Richtung. Es findet also ein Cotransport statt.
  • Antiporter: Sie transportieren zwei gelöste Substanzen in entgegengesetzte Richtungen — nämlich eine in die Zelle (oder das Organell) hinein, die andere hinaus. 

Grundsätzlich unterscheidest du außerdem zwischen zwei verschiedenen Grundformen des aktiven Transports:

  • primär aktiver Transport
  • sekundär aktiver Transport

Merke: Der aktive Transport erfolgt immer in eine bestimmte Richtung, er ist also gerichtet. 

Primär aktiver Transport 

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

  • Die Konzentration an Kaliumionen (K+) ist im Zellinneren höher als auf der Zellaußenseite.
  • Die Konzentration an Natriumionen (Na+) ist hingehen auf der Zellaußenseite höher als im Zellinneren.
  • Die sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe  pumpt trotzdem weiter Na+-Ionen nach außen und K+-Ionen nach innen.
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Natrium-Kalium-Pumpe

Der Transportvorgang spielt vor allem eine wichtige Rolle, um das Ruhepotential in Nervenzellen konstant zu halten. 

Sekundär aktiver Transport 

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‘.

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Sekundär aktiver Transport

Beispiel: Aufnahme von Glucose aus dem Darm in die Zelle

  • Die Natrium-Kalium-Pumpe baut einen Konzentrationsgradienten von Na+-Ionen im Zelläußeren auf. Hierbei handelt es sich um einen primär aktiven Transport, bei dem Energie in Form von ATP nötig ist.
  • Die Glucose-Konzentration ist im Zellinnenraum höher als im Außenraum.
  • Die Na+-Ionen wandern nun mit ihrem Gradienten in den Zellinnenraum. Dabei treiben sie den sekundär aktiven Transport von Glucose an. Glucose bewegt sich dabei nämlich in die Zelle, also gegen ihr eigenes Konzentrationsgefälle. 

Transportvorgänge im Vergleich – Übersicht 

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). 

Zytose 

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: 

  • Exozytose (exo = ‚außen‘)
  • Endozytose (endo = ‚innen‘)
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Endo- und Exozytose

Exozytose 

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. 

Endozytose 

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

  • Pinozytose (‚zelluläres Trinken‘): Hier werden Flüssigkeiten in kleinen Vesikeln eingeschleust.
  • Phagozytose (‚zelluläres Fressen‘): Bei dem Stofftransport sind es größere feste Nahrungspartikel oder ganze Zellen in großen Vesikeln. 

Wie die Phagozytose Schritt für Schritt abläuft und warum sie vor allem für dein Immunsystem wichtig ist, erklären wir dir hier !

Zum Video: Phagozytose
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