Ionenfalle (Biologie)

Grundprinzip der Ionenfalle

Eine Ionenfalle ist in der Biologie die Anreicherung von Stoffen in Zellen oder Zellkompartimenten. Sie beruht darauf, dass sich ungeladene Moleküle und elektrisch geladene Teilchen, also Ionen, unterschiedlich gut in Membranen lösen. Säure-Base-Reaktionen können dabei aus einem ungeladenen Molekül ein geladenes Ion machen.

Meist werden schwache Basen in einem saurer reagierenden Bereich angereichert. Ungeladene Moleküle können eine Membran zunächst passieren. Im sauren Milieu werden sie protoniert, das heißt, sie nehmen ein Proton auf und werden positiv geladen. Als Ionen sind sie stärker polar und können eine lipophile, also fettlösliche Membran kaum noch durchdringen. Sie bleiben deshalb im betreffenden Kompartiment zurück.

Auch eine umgekehrte, manchmal als „inverse“ Ionenfalle bezeichnete Anreicherung ist möglich: Stoffe können sich in einem basischen Milieu wie der Muttermilch konzentrieren.

Ionenfalle in Pflanzenzellen

Die zentrale Vakuole einer Pflanzenzelle ist saurer als das sie umgebende Zytoplasma; ihr pH-Wert liegt etwa bei 5 bis 6. Ihre Membran heißt Tonoplast. Lösliche und ungeladene Stoffe können diesen Tonoplasten vergleichsweise leicht durchqueren.

Gelangen solche Moleküle in die saure Vakuole, können sie protoniert werden. Dadurch entstehen positiv geladene Ionen, die wegen ihrer höheren Polarität die Membran nicht mehr passieren können. Die Vakuole wirkt dadurch wie eine Falle: Ungeladene Moleküle strömen hinein, geladene Moleküle können nicht wieder hinaus. Eine Anreicherung um den Faktor 1000 ist möglich. Sie endet, wenn die wenigen im sauren Milieu weiterhin ungeladenen Moleküle ein Diffusionsgleichgewicht mit der Umgebung bilden.

Der Mechanismus wirkt unspezifisch und benötigt keinen besonderen ATP-bedürftigen Ionenkanal; die Anreicherung erfolgt passiv. Früher wurde ihm eine große Bedeutung bei der Speicherung giftiger Alkaloide in Vakuolen zugeschrieben. Inzwischen ist jedoch klar, dass die meisten Anreicherungsvorgänge in Pflanzenvakuolen nicht allein durch diesen passiven Mechanismus erklärt werden können.

Ein wichtiges Beispiel ist der Farbstoff Neutralrot. Im neutralen oder basischen Bereich ist er ungeladen und gelblich. Im Sauren wird er als positiv geladenes, protoniertes Kation rot. Er reichert sich in der Vakuole an und färbt sie intensiv. Neutralrot kann als Lebendfarbstoff verwendet werden, weil es in der Vakuole abgeschirmt ist und auch in hohen Konzentrationen nicht zum Absterben der Zelle führt.

Die Färbung kann lebende Zellen nachweisen: Das saure Milieu der Zentralvakuole wird nur durch aktive Transportvorgänge erhalten und gleicht sich in toten Zellen rasch aus. Außerdem lässt sich prüfen, ob Tonoplasten nach einer künstlichen Fragmentierung von Zellen noch intakt sind. Neutralrot und das ähnlich einsetzbare Acridinorange fluoreszieren außerdem. Dadurch sind Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie pH-Tests in Kompartimenten lebender Zellen möglich.

Ionenfallen in tierischen Zellen und Geweben

In tierischen Zellen kann Neutralrot sich passiv in Lysosomen anreichern. Lysosomen sind Organellen mit sauer reagierenden Verdauungsenzymen. Der Neutralrot-Test kann deshalb zeigen, ob tierische Zellen intakt und lebendig sind.

Auch ganze Gewebe können als Ionenfallen wirken. Übersäuertes Gewebe, eine Azidose etwa infolge einer Entzündungsreaktion, kann Lokalanästhetika anreichern. Die protonierten Moleküle des Anästhetikums können Membranen nicht mehr durchdringen und sammeln sich in der extrazellulären Matrix. Dort können lokal gesundheitlich hohe Konzentrationen entstehen.

Eine lokale Erhöhung des sauer wirkenden Kohlenstoffdioxid-Gehalts heißt Hyperkapnie. Sie kann besonders gut durchblutetes Gewebe ansäuern, sodass sich dort Lokalanästhetika anreichern. Im Zentralnervensystem können dadurch Nervenzellen geschädigt werden. Da das Innere von Nervenzellen aufgrund der Natrium-Ionenkanäle saurer als das umgebende Milieu wirkt, können sich die Stoffe auch selektiv in Nervenzellen konzentrieren.

Bei der umgekehrten Ionenfalle können sich einige Stoffe in schwach basischer Muttermilch anreichern. Im Blutplasma als Ionen vorliegende polare Moleküle werden im basischeren Milieu der Muttermilch fixiert. Säuglinge können dadurch einer höheren Dosierung ausgesetzt sein als der mütterliche Organismus.