Membrantransport

Grundlagen des Membrantransports

Membrantransport bezeichnet den Transport verschiedener Stoffe durch eine Biomembran. Werden dabei zugleich Membranteile verlagert, spricht man gelegentlich gesondert von Membranfluss. Biomembranen grenzen Zellen und Zellkompartimente, also abgegrenzte Zellbereiche, von ihrer Umgebung ab. Dadurch können sie ein kontrolliertes, für wichtige Zellfunktionen notwendiges Zellmilieu aufbauen und erhalten.

Die Phospholipid-Doppelschicht einer Membran ist von selbst nur für Gase sowie sehr kleine, meist ungeladene und hydrophobe Moleküle durchlässig. Hydrophobe Stoffe sind wasserabweisend. Ionen und die meisten biologisch wirksamen Stoffe sind dagegen polar und hydrophil, also wasserliebend; für sie bildet die Lipiddoppelschicht eine Barriere. Zellen benötigen deshalb selektive Transportmechanismen wie Kanäle und Carrier, um Stoffe auszutauschen und mit ihrer Umgebung zu kommunizieren.

Diffusion und passiver Transport

Beim Transmembran-Transport beeinflussen Konzentrationsgradienten und Ladungsgradienten die Bewegungsrichtung von Teilchen. Ein Konzentrationsgradient ist ein Unterschied der Stoffkonzentration zwischen zwei Bereichen; ein Ladungsgradient beruht auf unterschiedlichen elektrischen Ladungen beziehungsweise Potentialen.

Bei der einfachen Diffusion gelangen sehr kleine, unpolare und lipophile Moleküle durch die Membran. Sie bewegen sich entlang ihres Konzentrationsgefälles, bis dieses ausgeglichen ist. Sind die Konzentrationen innen und außen gleich, besteht ein Fließgleichgewicht: Teilchen bewegen sich zwar weiter in beide Richtungen, der Nettofluss ist aber null. Bei geladenen Teilchen wirkt zusätzlich das Membranpotential auf die Gleichgewichtseinstellung ein.

Passiver Transport benötigt keine Energiezufuhr von außen oder durch die Zelle. Größere Moleküle und Ionen, etwa Zucker, Aminosäuren oder Nukleotide, können die Membran jedoch nicht frei durchdringen. Sie werden deshalb durch Membrantransportproteine erleichtert transportiert, weiterhin in Richtung eines Konzentrations- oder Potentialgefälles.

Kanal- und Carrier-Proteine

Kanalproteine sind Transmembranproteine, die die Membran tunnelartig durchspannen. In ihrem Inneren liegen polare Aminosäuren. Dadurch können kleine polare oder geladene Teilchen, besonders Ionen, durch die Membran diffundieren. Kanäle sind unterschiedlich spezifisch: Sie lassen jeweils bestimmte Ionen oder Moleküle besser durch als andere.

Viele Kanäle öffnen sich nur nach einem Signal; dies heißt Gating. Ligandengesteuerte Kanäle reagieren auf die Bindung eines Botenstoffs, zum Beispiel eines Hormons. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle reagieren auf Änderungen des Membranpotentials. Mechanisch gesteuerte Kanäle werden etwa durch Veränderungen der Zellform und Wechselwirkungen mit dem Cytoskelett reguliert. Nach dem Öffnen diffundieren Teilchen entlang des Konzentrationsgradienten, bis ein Gleichgewicht erreicht ist oder der Kanal wieder schließt. Porine ermöglichen den Durchtritt größerer Moleküle; Aquaporine sind wasserleitende Kanäle.

Carrier-Proteine besitzen eine Bindungsstelle für bestimmte Moleküle. Bindet ein Substrat, verändert der Carrier seine Konformation, also seine räumliche Struktur. Dadurch wird das Molekül auf die andere Membranseite gebracht und dort freigesetzt. Beim Uniport transportiert ein Carrier ein Molekül. Beim Symport oder Antiport besitzt er Bindungsstellen für zwei verschiedene Moleküle und verändert seine Konformation erst, wenn beide gebunden sind. Beim Symport werden beide in dieselbe Richtung, beim Antiport in entgegengesetzte Richtungen transportiert. Beim passiven Carrier-Transport besteht im Unterschied zum sekundär aktiven Transport keine Abhängigkeit von einem elektrischen Gradienten.

Aktiver Transport und seine Formen

Aktiver Transport ist ein Transportvorgang, der nur abläuft, wenn Energie zugeführt wird. Damit können Moleküle gegen ein Konzentrationsgefälle oder Ionen gegen ein elektrisches Potentialgefälle transportiert werden. Energie ist sowohl zum Aufbau oder zur Verstärkung eines Konzentrationsgradienten als auch für den Transport von Ladungen gegen das elektrische Feld, etwa das Ruhemembranpotential, erforderlich.

Die Energie kann aus chemischer Bindungsenergie wie der Hydrolyse von ATP, aus dem Abbau eines Ladungsgradienten oder aus der Erhöhung der Entropie durch den Abbau eines anderen Konzentrationsgradienten stammen. Ein in der Bilanz gegen den elektrischen Gradienten ablaufender Transport heißt elektrogen; sein Gegenbegriff ist elektroneutral.

• Beim primär aktiven Transport liefern ATP-Hydrolysen direkt Energie. Transport-ATPasen pumpen Protonen oder anorganische Ionen durch die Cytoplasmamembran. Die H⁺-ATPase wirkt in Pflanzenzellen als Protonenpumpe. Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert unter ATP-Verbrauch drei positiv geladene Natrium-Ionen aus der Zelle und zwei positiv geladene Kalium-Ionen in die Zelle. Damit trägt sie zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials von Nervenzellen bei, das für Aktionspotentiale nötig ist.

• Beim sekundär aktiven Transport fließt meist ein Ion passiv entlang eines elektrochemischen Gradienten. Die dabei frei werdende potentielle Energie transportiert ein zweites Substrat gegen dessen Konzentrations- oder elektrischen Gradienten. Beispiele sind der Natrium-Glukose-Symport im Dünndarm, der Natrium-Iodid-Symporter in der Schilddrüse und der Natrium-Calcium-Antiport.

• Tertiär aktiver Transport nutzt einen Konzentrationsgradienten, der durch sekundär aktiven Transport auf Grundlage eines primär aktiven Transports entstanden ist. Im Dünndarm werden beispielsweise Di- und Tripeptide durch den Peptidtransporter 1 aufgenommen.

• Bei der Gruppentranslokation wird ein transportierter Stoff chemisch verändert, meist phosphoryliert. Dadurch entsteht kein Konzentrationsgradient. Transportiert werden oft Monosaccharide wie Glucose und Mannose oder Zuckeralkohole wie Glucitol und Mannitol. Das PEP-PTS (Phosphoenolbrenztraubensäure-Phosphotransferase-System) bei E. coli nutzt PEP statt ATP als Energiequelle. Diese Form wurde bisher nur bei Bakterien gefunden.

Membranverlagernder Transport

Bei der Endozytose nimmt eine Zelle Material aus ihrer Umgebung auf. Die Biomembran stülpt sich ein und umschließt zum Beispiel Flüssigkeit, gelöste Stoffe, Makromoleküle, Nahrungsteilchen oder kleinere Zellen. Schließlich wird ein Endosom ins Cytoplasma abgeschnürt und Teil des Endomembransystems. Formen der Endozytose sind Clathrin-vermittelte Endozytose, Endozytose über Caveolae, Phagozytose und Pinozytose.

Bei der rezeptorvermittelten Endozytose über Clathrin erkennen spezielle Rezeptoren aufzunehmende Teilchen. LDL-Partikel tragen beispielsweise Apolipoprotein B-100, das an den LDL-Rezeptor bindet und so die Aufnahme auslöst. Auf diese Weise gelangt Cholesterin in die Zelle. Die Membran bildet eine mit Clathrin ausgekleidete Vertiefung, einen coated pit. Dynamin beteiligt sich am Vesikelnacken an dessen Abschnürung. Die „Poppase“- und die „Pinchase“-Theorie beschreiben unterschiedliche mögliche Konformationsänderungen von Dynamin bei diesem Vorgang.

Exocytose gibt Stoffe aus der Zelle ab, etwa selbst gebildete Stoffe oder unverdauliche Reste der Zellverdauung. Dabei verschmilzt ein Transportvesikel, das Exosom, mit der Zellmembran. Meist ist Exocytose mit Endozytose gekoppelt. Dieses Vesicle Recycling verhindert ein unkontrolliertes Wachstum der Zellmembran und spart die Neusynthese von Transportvesikeln und Membranproteinen.

Transcytose oder Zytopempsis verbindet Endozytose und Exocytose. Extrazelluläres Material wird rezeptorabhängig durch eine Zelle transportiert, ohne dass sein Inhalt verändert wird. Sie kommt in Epithelzellen von Gefäßen und des Darms vor, weil Tight Junctions die Zwischenräume versperren. Fc-Rezeptoren in der Plazenta und auf der apikalen Seite kindlichen Darmepithels transportieren mütterliches IgG durch Transcytose in den Fötus beziehungsweise das Kleinkind.