Aufgabe von Membranen: Abgrenzung und Stofftransport
Einerseits dienen Membranen der Abgrenzung verschiedener Kompartimente (Reaktionsräume) innerhalb der Zelle sowie der Abgrenzung der ganzen Zelle nach außen.Andererseits ermöglichen Membranen den gezielten Transport lebenswichtiger Stoffe
a) vom Außenmedium in die Zelle
b) vom Zellinnern ins Außenmedium
c) innerhalb der Zelle von einem Kompartiment in ein anderes Kompartiment
Kompartimente sind Reaktionsräume innerhalb der Zelle.
Warum kocht man in der Küche die Gemüsesuppe nicht im gleichen Topf wie den Schokoladenpudding? Weil jedes Lebensmittel nur für sich alleine schmeckt. Ähnlich ist es in der Zelle. In verschiedenen Kompartimenten können völlig verschiedene chemische Reaktionen gleichzeitig ablaufen, die sonst miteinander wechselwirken und sich so gegenseitig stören könnten.
1 Schematische Darstellung der Kompartimentierung
Hier sehen wir die sehr schematische Darstellung einer Eukaryotenzelle mit verschiedenen Kompartimenten, in denen unterschiedliche pH-Werte herrschen, weil hier diverse chemische Reaktionen ablaufen, die halt unterschiedliche Milieus benötigen.
Ähnlich ist es doch in unserem Verdauungstrakt. Im Magen herrscht ein saures Milieu (sogar ziemlich sauer!), während die Verdauuungsenzyme im Dünndarm ein alkalisches Milieu benötigen, um zu funktionieren. Magen und Dünndarm gehen daher nicht nahtlos ineinander über, sondern sind durch den Pförtner voneinander getrennt und gleichzeitig auch verbunden.
Transport durch Membranen
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie dieser Stofftransport durch Membranen realisiert werden kann.1. Diffusion durch die Lipid-Doppelschicht selbst
Kleine bis mittelgroße ungeladene Moleküle können durch die Lipide der Lipid-Doppelschicht diffundieren. Große Moleküle und kleine und große Ionen werden dagegen zurückgehalten, sie kommen nicht an der hydrophoben Region im zentralen Bereich der Membran vorbei.
2. Diffusion durch Porenproteine
2 Original-Tafelbild vom 25.11.05: Ein Natriumionen-Kanal
Nach der Diffusion direkt durch die Membran ist die Diffusion durch Porenproteine die einfachste Möglichkeit des Stofftransportes durch die Membran. Viele Porenproteine sind auf den Transport von Ionen spezialisiert, daher spricht man auch von Ionenkanälen.
Die Abbildung 2 zeigt einen Natrium-Ionenkanal in extrem vereinfachter Darstellung. Natriumionen können in Richtung des Konzentrationsgradienten (durch den Keil rechts im Bild angedeutet) durch den Kanal diffundieren. Ionenkanäle sind integrale Membranproteine, welche die ganze Membran durchziehen und in der Mitte quasi eine Röhre haben, durch die Ionen ein- oder ausströmen können.
Ionenkanäle sind recht selektiv, so gibt es z.B. Na+-Kanäle, K+-Kanäle, Cl--Kanäle und Ca2+-Kanäle in den Membranen der Zelle.
Ionenkanäle können durch elektrische, chemische oder auch mechanische Signale gesteuert werden. Einzelheiten hierzu siehe Biologie Stufe 12, Aktionspotenzial, Vertiefungsseite 3.
3. Erleichterte Diffusion durch Carrier
3 Original-Tafelbild: Drehtürmechanismus bei Carriern
Carrier sind integrale Membranproteine, die Ionen und Moleküle mit Hilfe eines etwas raffinierteren Mechanismus durch die Membrantransportieren als einfache Porenproteine.
In der Abbildung 3 sehen wir z.B. den sogenannten Drehtürmechanismus. Das Carrierprotein hat ein aktives Zentrum, an das sich das Substrat (der zu transportierende Stoff) binden kann (hier durch ein Quadrat symbolisiert). Zunächst befindet sich diese Bindungsstelle auf der Außenseite der Membran. Das Molekül oder das Ion bindet an das aktive Zentrum. Anschließend dreht sich das Carrierprotein um 180° und befördert dadurch das Substrat auf die Membraninnenseite. Im letzten Schritt löst sich das Substrat von dem Carrier und befindet sich so im Zellinnern. Danach dreht sich der Carrier wieder in seine Ausgangsposition. Beim sogenannten Gegentransport kann der Carrier auf seinem Rückweg ein anderes Substrat aus der Zelle nach außen transportieren.
4 Original-Tafelbild: Schnappmechanismus
Die Abbildung 4 zeigt eine Art Schnappmechanismus; eine sehr effektive Methode, einen Stoff von A nach B zu transportieren.
Carrier sind im Allgemeinen sehr selektiv; selbst kleinste Unterschiede zwischen verschiedenen Molekülen werden erkannt. Es kann sein, dass bereits eine zusätzliche OH-Gruppe verhindert, dass ein Moleküle von einem bestimmten Carrier transportiert wird.
Ulrich Helmich, November 2005
