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Stofftransport

Abstract

Alle Prozesse im Körper bedürfen des Zusammenspiels verschiedener Zellen. Dafür müssen diese miteinander kommunizieren können: Zellkommunikation findet sowohl elektrochemisch (also über Ladungen) statt als auch chemisch über Signalmoleküle (letzteres bezeichnet man als Signaltransduktion). Für beide Prozesse ist ein Stofftransport notwendig. Neben den ungerichteten und energieunabhängigen Transportformen Diffusion und Osmose gibt es auch gezielte Transportprozesse, für die Energie aufgewendet werden muss. In der Regel bedeutet Transport in Zellen, dass eine biologische Membran (entweder die Außenhülle der Zelle oder die Hülle der Zellkompartimente) überwunden werden muss.

Da biologische Membranen aus Lipiddoppelschichten bestehen, können sich nur kleine lipophile Stoffe ungehindert durch sie hindurch bewegen. Alle anderen Stoffe (große Moleküle, hydrophile oder geladenen Teilchen) benötigen Hilfestellung durch Transmembranproteine. Zu den Transmembranproteinen gehören die Kanalproteine, die röhrenförmig durch die Membran hindurch ragen, und die sog. „Carrier“ – Transporter, die sich in der Membran hin und her bewegen können.

Stofftransport - Grundlagen

Fast alle Prozesse in biologischen Systemen finden in wässriger Lösung statt. In einer Lösung ist jedes einzelne Molekül oder Ion von Lösungsmittel umhüllt . Die Menge eines gelösten Stoffes kann auf mehrere Weisen angegeben werden.

  • Molarität (Stoffmengenkonzentration): c = ngelöster Stoff/VLösungsmittel
    • Einheit: mol/L
    • c = Stoffmengenkonzentration, n = Anzahl der Teilchen in Mol, V = Volumen
  • Molalität: b = ngelöster Stoff/mLösungsmittel
    • Einheit: mol/kg
    • b = Molalität, n = Anzahl der Teilchen in Mol, m = Masse
  • Aktivität
    • Hat gleiche Eigenschaften wie die Stoffmengenkonzentration
    • Wird für reale Mischungen verwendet

Die Molarität ist die normale Stoffmengenkonzentration in Teilchen pro Volumen Lösungsmittel, die Molalität ist eine Konzentration in Teilchen pro Masse Lösungsmittel!

Lösungsverhalten von Molekülen in mehrphasigen Systemen

  • Mehrphasiges System: Besteht aus mehreren nicht-vermischten Schichten (= Phasen) mit unterschiedlicher Polarität, z.B. Wasser (polar) / Öl (unpolar)
  • Konzentration gelöster Moleküle: Größer in der Phase, deren Polarität mit der Polarität des Moleküls besser übereinstimmt
    • Polare Moleküle und Ionen: Lösen sich in polaren Lösungsmitteln, z.B. Wasser
    • Unpolare Moleküle: Lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln, z.B. Öl
    • Amphiphile Moleküle: Ordnen sich an der Trennschicht zwischen zwei Phasen an, sodass der polare Teil des Moleküls in die polare Phase ragt und der unpolare Teil in die unpolare Phase
    • Kann mittels des Nernst'schen Verteilungskoeffizienten beschrieben werden

Similia similibus solvuntur – Gleiches löst sich in Gleichem!

Diffusion

Diffusion ist die Selbstdurchmischung einer Lösung, also die Verteilung eines gelösten Stoffs im Lösungsmittel. Damit ist es ein Phänomen des Stofftransports.

  • Ursache: Ungerichtete, zufällige thermische Teilchenbewegung
  • 1. Fick'sches Gesetz: Der Teilchenfluss ist proportional zur Größe des Konzentrationsgefälles und diesem entgegengerichtet. Die Moleküle diffundieren entlang des Konzentrationsgradienten, wobei der Teilchenfluss proportional zur Größe des Konzentrationsgradienten ist
  • Wirkung
    • Teilchen diffundieren vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration
    • Je größer das Konzentrationsgefälle, desto stärker der Teilchenstrom
  • Nernst'scher Verteilungskoeffizient: Beschreibt die Lösung eines Stoffes in zwei nicht miteinander vermischbaren Phasen (z.B. Wasser und Öl, oder Wasser und Ether)

In einem abgeschlossenen System bewirkt Diffusion langfristig einen kompletten Abbau von Konzentrationsunterschieden!

Diffusion durch Membranen

Diffusion tritt nicht nur ungehindert in Lösungen auf, sondern kann auch durch Membranen hindurch ablaufen, wenn diese durchlässig, also "permeabel" sind.

  • Diffusion durch eine Membran: D = P × A × (Δc / d)
    • Einheit: mol/s
    • D = Diffusiongeschwindigkeit, P = Permeabilitätskoeffizient, A = Fläche der Membran, Δc = Konzentrationsänderung, d = Schichtdicke, Δc/d = Konzentrationsgradient
    • Beispielrechnung
      • Eine Zellmembran hat die Permeabilität von 1×10−7cm/s für das Molekül Tryptophan
      • Wie groß ist die Diffusionsrate, wenn der Konzentrationsunterschied auf beiden Seiten der Membran 500 μmol/cm3 beträgt, die Membran eine Größe von 2 cm2 hat und ihre Dicke vernachlässigbar klein ist?
        • Gesucht: Diffusionsrate D
        • Gegeben: Permeabilität P, Membranfläche A, Konzentrationsunterschied Δc
          • Durch Einsetzen in die Formel für die Diffusionsrate ergibt sich D = P × A × Δc = 1 × 10−7cm/s × 2 cm2 × 500 μmol/cm3 = 1 × 10−4 μmol/s
          • Tryptophan wird also mit einer Diffusionsrate von 1 × 10−4 μmol/s durch die Membran hindurch transportiert.

Auch einige Stoffe, für die eine Membran nicht permeabel ist, können durch sie hindurch „diffundieren“, wenn Transporter wie Carrier oder Kanäle dabei helfen. Man spricht in diesem Fall von erleichterter Diffusion. Bei dieser Art der Diffusion ist die Zahl der Transporter ausschlaggebend für die Stärke des Teilchenstroms und die Diffusionsgleichung gilt nicht mehr!

Osmose

  • Osmose: Diffusionsphänomen an semipermeablen (d.h. teilweise durchlässigen) Membranen, bei dem ein Konzentrationsausgleich durch Diffusion nur erreicht werden kann, wenn Wassermoleküle vom Ort niedrigerer Konzentration zum Ort höherer Konzentration eines gelösten Stoffes fließen
  • Osmolarität/osmotische Konzentration: Osmotische Konzentration bezogen auf das Volumen einer Lösung
    • Formel: cosmotisch = nosmotisch/VLösungsmittel
      • Einheit: osmol/L
      • cosmotisch = osmotische Konzentration; nosmotisch = Anzahl der osmotisch aktiven Teilchen in Mol (d.h. Anzahl der gelösten Teilchen, die selber nicht durch die Membran diffundieren können); V = Volumen der Lösung
  • Osmolalität: Osmotische Konzentration bezogen auf die Masse einer Lösung
    • Formel: bosmotisch = nosmotisch/mLösungsmittel
      • Einheit: osmol/kg
      • bosmotisch = Osmolalität; nosmotisch = Anzahl der osmotisch aktiven Teilchen in Mol (d.h. Anzahl der gelösten Teilchen, die selber nicht durch die Membran diffundieren können); m = Masse
  • Osmotischer Druck: Druck zweier Lösungen unterschiedlicher Konzentration, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind
    • Formel: posmotisch = σ × c × R × T (Diese Gleichung wird auch Van't-Hoffsches Gesetz genannt.)
    • Reflexionskoeffizient σ: Beschreibt die Selektivität einer Membran für einen gelösten Stoff
      • σ = 0: Membran ist völlig durchlässig
      • σ = 1: Membran ist völlig undurchlässig
        • Semipermeable Membran: Ist für das Lösungsmittel Wasser durchlässig, aber für alle gelösten Stoffe nicht (σ=1)

Osmose und Zellen

Biologische Membranen sind semipermeabel, daher ist die Osmose ein wichtiges und immer wieder auftretendes Phänomen in der Medizin. Der Strom von Wassermolekülen zu Orten mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen hat Konsequenzen für Zellen und ganze Gewebe.

Ödeme
Ödeme sind Wasseransammlungen im Gewebe, die dadurch zustande kommen, dass Flüssigkeit aus den Kapillargefäßen ins Interstitium austritt. Der Flüssigkeitsstrom wird eigentlich kontrolliert über ein Gleichgewicht zwischen hydrostatischem Druck in den Kapillargefäßen und onkotischem Druck zwischen Gefäß und Interstitium: Während der hydrostatische Druck die Flüssigkeitsabgabe ins Interstitium fördert, bindet der onkotische Druck die Flüssigkeit in den Gefäßen. Ursachen für die Ödembildung sind demnach entweder ein zu hoher hydrostatischer Druck, ein zu niedriger onkotischer Druck in den Kapillaren , oder ein zu hoher onkotischer Druck im Gewebe . Siehe auch: Ödeme und Aufbau und Funktion der Blutgefäße.

Osmotische Diurese
Auch bei der Flüssigkeitsausscheidung aus dem Körper spielen Prinzipien der Osmose eine Rolle. Wenn zu viele osmotisch wirksame Stoffe gelöst im Harn vorliegen (z.B. Zucker), dann kommt es zu einer Verdünnung durch vermehrte Ausschwemmung von Wasser. Dieses Phänomen ist als Symptom des Diabetes mellitus bekannt und wird auch im Rahmen der Therapie mit Diuretika genutzt.

Transport in Zellen hinein oder aus Zellen hinaus

Biologische Membranen sind Lipiddoppelschichten, stellen chemisch also eine sehr unpolare Umgebung dar. Nach den Gesetzmäßigkeiten der Löslichkeit (s.o.) sind sie daher zwar durchlässig für unpolare Moleküle wie bspw. Kohlendioxid oder Steroidhormone, aber nicht für geladene Ionen, polare Moleküle wie Zucker oder besonders große Moleküle. Für solche Stoffe ist die Zelle auf gesteuerte Transportprozesse angewiesen. Hierbei unterscheidet man die membranverlagernden Transporte, bei denen Teile der Zellmembran mittransportiert werden, von den Membranprotein-vermittelten Transporten, bei denen die Transporte durch spezialisierte Membranproteine (z.B. Kanäle) durchgeführt werden.

Membranverlagernder Transport

Bei den membranverlagernden Transporten werden Teile der Zellmembran oder der Membran von Zellorganellen als Vesikel abgeschnürt, in dem sich der zu transportierende Stoff befindet. Man spricht auch von vesikulärem Transport. Dabei bezeichnet man den Transport in Zellen hinein als Endozytose, den Transport aus Zellen hinaus als Exozytose. Bei der Transzytose werden Stoffe zunächst per Endozytose aufgenommen, durch die Zelle hindurchgeschleust und dann per Exozytose wieder abgegeben.

Endozytose

Als Endozytose wird die Einverleibung von Molekülen in Zellen bezeichnet. Man unterscheidet Pinozytose, Phagozytose und rezeptorvermittelte Endozytose. Allen dreien ist gemeinsam, dass die aufzunehmenden Partikel schließlich in Vesikeln im Zellinneren ankommen. Die Mechanismen sind aber jeweils sehr unterschiedlich.

Phagozytose

Phagozytose kann nur von spezialisierten sog. phagozytierenden Zellen ausgeführt werden, wie bspw. von Makrophagen oder dendritischen Zellen. Diese haben spezielle Opsoninrezeptoren, die sog. Opsonine binden können . Bei der Phagozytose können große Moleküle und sogar kleine Zellen aufgenommen werden.

Pinozytose

Pinozytose bezeichnet die Aufnahme mittelgroßer gelöster Moleküle. Im Gegensatz zur Phagozytose und zur rezeptorvermittelten Endozytose ist bei der Pinozytose kein Rezeptor beteiligt: Sie läuft spontan ab und kann von allen Zellen ausgeführt werden.

  • Ablauf
    1. „Spontanes“ Einstülpen der Zellmembran um das aufzunehmende Molekül
    2. Im Zellinneren ist Aktin an der Einstülpung der Membran und der Bildung der Vesikel beteiligt (sog. Aktin-Remodeling)
    3. Abschnüren des Vesikels nach innen

Rezeptorvermittelte Endozytose

Bei der rezeptorvermittelten Endozytose werden kleine bis mittelgroße Teile mithilfe eines membranständigen Rezeptors in die Zelle aufgenommen. Sie spielt bspw. im Cholesterinstoffwechsel, bei der Aufnahme von LDL oder auch bei der Aufnahme von Transferrin-gebundenem Eisen eine wichtige Rolle.

  • Ablauf
    1. Bindung des Liganden an einen spezifischen Rezeptor
    2. Einsenken der Membran, intrazelluläre Anlagerung von Clathrinmolekülen
    3. Einstülpen der Membran um den zu transportierenden Ligand und seinen Rezeptor
    4. Abschnürung eines Vesikels ins Innere der Zelle durch das Protein Dynamin
    5. Verschmelzung des Vesikels mit dem frühen Endosom
    6. Saures Milieu bewirkt eine Loslösung des Liganden vom Rezeptor
    7. Freigabe des Rezeptors Richtung Zellmembran („Recycling“)
    8. Freigabe des Liganden an Lysosom oder Golgi-Apparat durch Verschmelzung mit dem Endosom

Exozytose

Bei der Exozytose werden mittelgroße bis sehr große Moleküle an die Zellumgebung abgegeben .

  • Ablauf
    1. Einbau des abzugebenden Moleküls in ein Vesikel im Golgi-Apparat
      • Die Vesikel sind von einer einfachen Lipiddoppelschicht umgeben und enthalten zusätzlich je nach Abschnitt im sekretorischen bzw. Exozytoseweg spezifische Mantelproteine
    2. Verschmelzen dieses Vesikels mit der Zellmembran
    3. Freigabe des Moleküls an der Außenseite der Membran
  • Regulation: Häufig über Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration oder rezeptorvermittelt
  • Sonderform Apozytose (apokrine Sekretion): Zellinhalte werden zusammen mit einem Teil der Zellmembran abgeschnürt und als Vesikel an die Umwelt abgegeben (ähnlich wie bei der Endozytose)

Transzytose

Die Transzytose ist ein rezeptorabhängiger Transport eines extrazellulären Moleküls durch eine Zelle hindurch (Kombination aus Endo- und Exozytose). Sie spielt vor allem in Zellverbänden eine Rolle, deren Zwischenräume durch Tight Junctions versperrt werden, wie z.B. bei den Enterozyten des Darms.

Membranprotein-vermittelter Transport

Transport durch Membranproteine

Membranverlagernde Transportprozesse werden v.a. dann genutzt, wenn die zu transportierenden Stoffe sehr groß sind. Der Transport von kleinen Molekülen oder Ionen, die schnell verlagert werden müssen, erfolgt i.d.R. durch Membranproteine. Man unterscheidet zwei unterschiedliche Arten von Membranproteinen: die Kanalproteine und die Carrierproteine.

  • Passiver Transport: Erfolgt ohne Energieaufwand
  • Aktiver Transport: Erfolgt nur unter Energieaufwand
    • Primär: Transport gekoppelt an Energieträger wie ATP
    • Sekundär: Transport gekoppelt an einen Konzentrationsgradienten

Kanalproteine

Kanäle sind stationäre Transmembranproteine, die eine wassergefüllte Pore bilden und für den Transport sehr kleiner Teilchen zuständig sind.

  • Funktionsmechanismus
    • Liegen entweder permanent offen vor oder werden durch einen spezifischen Reiz geöffnet
    • Selektionsfilter: Engstellen im Kanal, die gewährleisten, dass der Kanal spezifisch für bestimmte Teilchen ist
  • Beispiel Aquaporine: Transmembranproteine

Carrierproteine

Carrierproteine (auch: Transporter) sind sehr flexible Membranproteine, die die zu transportierenden Stoffe aufnehmen und sich mit diesen in der Membran wie ein Shuttle hin und her bewegen.

  • Einteilung
    • Nach Anzahl der zu transportierenden Stoffe und Richtung des Transports
      • Uniport: Es wird nur ein Stoff in eine bestimmte Richtung transportiert
      • Symport: Es werden zwei Stoffe gleichzeitig in eine Richtung transportiert
      • Antiport: Zwei Stoffe werden in die entgegengesetzte Richtung transportiert
    • Nach Transportmechanismus

Primär aktiver Transport

Beim primär aktiven Transport wird Energie aus Energieträgermolekülen wie ATP genutzt, um die für den Transport notwendige Konformationsänderung der Transmembranproteine zu bewirken.

NAzis raus, Kumpels rein – Natrium wird von der Natrium-Kalium-ATPase nach außen, Kalium ins Zellinnere transportiert!

Magengeschwüre (Ulzera)
Magengeschwüre sind Defekte der Magenwand, die je nach Schweregrad alle Wandschichten betreffen können. Sie entstehen bspw. durch eine chronische Entzündung oder durch übermäßige Magensäureproduktion. Therapeutisch setzt man u.a. bei der H+/K+-ATPase der Belegzellen an, die für den niedrigen pH der Magensäure verantwortlich ist. Wirkstoffe wie bspw. Omeprazol hemmen die H+/K+-ATPase irreversibel und unterbinden so eine weitere Produktion von Magensäure. Deshalb werden diese Medikamente auch als Protonenpumpenhemmer bezeichnet.

Sekundär aktiver Transport

Beim sekundär aktiven Transport wird Energie aus Konzentrationsgradienten, die mittels primär aktiver Transportprozesse u.a. von der Na+/K+-ATPase aufgebaut werden, in Transportarbeit umgewandelt.

  • Konzentrationsgradient: Konzentrationsgefälle eines gelösten Stoffs, der an Membranen zwischen verschiedenen Zellkompartimenten oder zwischen Intra- und Extrazellulärraum entsteht.
    • Ein Konzentrationsgradient stellt ein „geordnetes“ System dar, in dem Energie gespeichert ist, die in Arbeit umgewandelt werden kann (siehe: Entropie).
      • Aufbau des Gradienten
        • Prozess „benötigt“ Energie; diese wird geliefert durch ATP (primär aktive Transportprozesse)
      • Abbau des Gradienten
        • Prozess „liefert“ Energie d.h. er kann z.B. genutzt werden zur Synthese von ATP aus ADP und Pi
  • Beispiele sekundär aktiver Transporter
    • Glucosetransporter (SGLT1): Symport
      • Transportprozess: GlucoseLumen + 2Na+LumenGlucoseintrazellulär + 2Na+intrazellulär
        • Energie für den Transport stammt aus dem Abbau des Na+-Gradienten
      • Lokalisation: Darmepithelzellen (Membran an der luminalen Seite)
      • Funktion: Aufnahme von Glucose und Galactose aus dem Darm
    • ATP-Synthase
      • Transportprozess: ADP + Pi + H+(außen)ATP + H2O + H+(innen)
        • Energie für die Kondensationsreaktion stammt aus dem Abbau des H+-Gradienten
      • Lokalisation: Innere Mitochondrienmembran
      • Funktion: Enzym, das den Aufbau von ATP katalysiert

Primär aktive Transporte benötigen direkt Energie in Form von ATP. Sekundär aktive Transporte nutzen Konzentrationsgradienten, die durch primär aktive Transporter aufgebaut wurden, sodass sie einen indirekten ATP-Verbrauch haben!

Mukoviszidose
Es gibt eine Vielzahl von Erkrankungen, die durch Fehlfunktionen von Kanälen verursacht werden. Bekanntestes Beispiel ist wohl die Mukoviszidose, bei der eine Fehlfunktion der Chloridkanäle vorliegt. In der Folge können Chlorid-Ionen nicht mehr nach extrazellulär transportiert werden, wodurch auch die Wasserausscheidung aus den Zellen osmotisch reduziert wird. Hiervon ist insbesondere die Funktion der exkretorischen Zellen beeinträchtigt – es resultiert eine erhöhte Sekretviskosität. Das produzierte Sekret der Drüsen ist also viel zu trocken, zäh und schleimig. Dies macht sich zum Beispiel in den Bronchien bemerkbar, wo das schleimige Sekret nicht abgehustet werden kann und ständig schwere Infektionen der Bronchien und Lungen verursacht.

Tertiär aktiver Transport

  • Definition: Transport mithilfe eines Konzentrationsgradienten, der von einem sekundär aktiven Transporter erzeugt wurde
    • Beispiele
      • ECaC
      • Peptidtransporter 1

Transport in Zellverbänden

In Geweben existiert ein kontinuierlicher Stofftransport zwischen benachbarten Zellen. Dieser kann entweder durch die Zwischenräume der Zellen erfolgen (parazellulär), durch Gap Junctions (interzellulär) oder durch Transzytose.

Stofftransport im Körper

Der Stofftransport zwischen verschiedenen Organen im Körper bedient sich der Systeme Blutkreislauf, Lymphsystem und Lunge (für Gase). Dort wird auf die Transportfunktionen eingegangen, siehe: Aufbau und Funktion der Blutgefäße (Funktion: Stoffaustausch), Lymphatisches System (Das Lymphgefäßsystem) und Lunge (Funktion der Lunge).

Wiederholungsfragen zum Kapitel Stofftransport

Stofftransport – Grundlagen

Von welchen drei physikalischen Größen ist die Diffusionsgeschwindigkeit eines Moleküls durch eine Membran abhängig?

Wie funktioniert Osmose?

Was ist der sog. „osmotische Druck“ und wie kann er berechnet werden?

Beschreibe die biochemische Bedeutung des K+/Cl-Symporters.

Membranverlagernder Transport

Wie läuft die rezeptorvermittelte Endozytose ab?

Nenne zwei Beispiele für Partikel, die über rezeptorvermittelte Endozytose aufgenommen werden.

Was ist Transzytose und in welchen Zellen kann man sie bspw. finden?

Membranprotein-vermittelter Transport

Welche physiologischen Funktionen übernimmt die Natrium-Kalium-ATPase?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.