Stofftransport an der Biomembran – Endozytose, Exozytose, Membranfluss

Stofftransport an der Biomembran

Wie du bestimmt schon weißt, werden an der Zellmembran (oder Biomembran) Stoffe und Moleküle zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren ausgetauscht. Betrachtest du eine Zelle unter einem Elektronenmikroskop, so wirst du erkennen können, dass sie von einer doppelschichtigen Membran umschlossen ist. Das bedeutet, dass die Biomembran nicht nur aus einer, sondern aus gleich zwei Schichten besteht. Deswegen wird sie auch Doppellipidschicht (Lipide = Fette) genannt. Die Biomembran ist aufgrund ihrer Struktur semipermeabel (halbdurchlässig) und stellt für die meisten Stoffe eine Barriere dar. Die Zelle reguliert, welche Stoffe an der Biomembran transportiert werden. Ob ein Stoff durch die Membran transportiert wird, hängt außerdem von den Eigenschaften des Stoffs ab.

Im Folgenden wirst du die verschiedenen Transportmechanismen einer Zelle kennenlernen. Im Fokus stehen dabei die Diffusion, der aktive Stofftransport und der Membranfluss.

Passiver Stofftransport – einfache Diffusion

Unter der einfachen Diffusion versteht man den Transport von kleinen Molekülen (z. B. Wasser, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid) durch die Zellmembran hindurch. Die Teilchen sind so klein, dass die Zelle keine Energie für den Stofftransport aufwenden muss und sie passiv durch die Biomembran diffundieren. Dabei können sich Stoffe nur entlang des Konzentrationsgefälles (auch Konzentrationsgradient genannt) bewegen. Die einfache Diffusion findet so lange statt, bis das Konzentrationsgefälle ausgeglichen ist. Solange das Konzentrationsgefälle nicht ausgeglichen ist, bewegen sich Teilchen in Richtung der geringeren Konzentration.

Passiver Stofftransport – erleichterte Diffusion

Ionen und andere hydrophile (wasserliebende) kleine Moleküle können die Biomembran nicht ohne Weiteres passieren. Stattdessen werden sie mithilfe von Ionenkanälen oder Carriern transportiert (Carrier sind Trägerproteine, die, genauso wie Ionenkanäle, zu den Transmembranproteinen gehören). Ionenkanäle öffnen sich nur auf ein bestimmtes Signal hin. Es gibt viele verschiedene Ionenkanäle, die durch verschiedene Signale geöffnet werden. Das kann beispielsweise ein verändertes Membranpotenzial, also eine Spannungsänderung an der Biomembran, sein. Einen so entstehenden elektrochemischen Gradienten findet man zum Beispiel in Muskelzellen: Damit wir unsere Muskeln bewegen können, benötigen Muskelzellen viele elektronisch geladene Calciumionen. Diese werden vermehrt in die Muskelzelle transportiert, wenn ein Aktionspotenzial auf die Biomembran trifft, sich so das Membranpotenzial ändert und der Ionenkanal schließlich aktiviert wird. Carrier hingegen können nur ein für sie spezifisches Molekül oder molekülähnliche Teilchen aufnehmen und auf der anderen Seite der Biomembran abgeben.

Ionenkanäle und Carrier erleichtern wortwörtlich den Stofftransport und benötigen für diesen ebenfalls keine Energie. Wie bei der einfachen Diffusion können Stoffe bei der erleichterten Diffusion nur entlang des Konzentrationsgefälles transportiert werden.

Mehr Informationen zu Diffusionsvorgängen findest du in diesem Video: Diffusion und Osmose (Basiswissen).

Aktiver Stofftransport

Eine Zelle sorgt ständig dafür, die richtige Konzentration von Ionen und Molekülen in der Zelle aufrechtzuerhalten. Das ist enorm wichtig, um alle lebensnotwendigen Prozesse der lebenden Zelle und des Organismus sicherzustellen. Dabei müssen Ionen und Moleküle auch gegen das Konzentrationsgefälle transportiert werden können.

Ein klassisches Beispiel für diese Art des Transports ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie ist ein Membranprotein, das Natriumionen gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle hinaus- und gleichzeitig Kaliumionen in die Zelle hineintransportiert. Damit reguliert sie die Natrium- und Kaliumkonzentration einer Zelle und hält damit das Ruhepotenzial einer Zelle aufrecht. Dafür wird von der Zelle direkt Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) verbraucht. Ionen werden also aktiv mithilfe von ATP und einem Transportprotein durch die Membran transportiert, weswegen dieser Stofftransport auch primär aktiver Stofftransport genannt wird.

Durch den Verbrauch von Energie (ATP) der Natrium-Kalium-Pumpe wird ein energiereicher Konzentrationsgradient aufgebaut. Nutzt die Zelle die Energie des Konzentrationsgradienten nicht für den Wiederaufbau von ATP, wird die Energie indirekt von einem anderen Carrier für den Transport eines weiteren Ions genutzt. Hier spricht man dann von dem sekundär aktiven Stofftransport.
Wie genau der sekundär aktive Stofftransport abläuft, wird dir an diesem Beispiel näher erklärt: Natriumionen wollen natürlicherweise entlang ihres Gradienten in die Zelle zurückwandern. Werden nun Natriumionen auf ihrem Weg zurück ins Zellinnere von einem Carrier aufgenommen, kann der Carrier die ungenutzte Energie des zuvor aufgebauten Konzentrationsgefälles verwenden, um beispielsweise ein Glucosemolekül mitzutransportieren. Das Glucosemolekül wird jetzt aktiv gegen das eigene Konzentrationsgefälle in die Zelle hineintransportiert, wobei die Zelle nur indirekt Energie verbraucht. Die Energie wurde ja bereits vom primär aktiven Stofftransport der Natrium-Kalium-Pumpe und dem dadurch entstandenen energiereichen Konzentrationsgradienten bereitgestellt.

Membranfluss

Bestimmte Makromoleküle (makro = groß) sind zu groß, um sie mithilfe von Transmembranproteinen durch die Biomembran zu transportieren. Damit große Partikel oder Stoffmengen trotzdem in die Zelle hinein- und herausgelangen, werden sie in sogenannte Membranbläschen (endozytotisches Vesikel) „verpackt“ und transportiert. Vesikel besitzen eine Doppelmembran, die die Stoffe umschließt und so vom Zellinneren abgrenzt. Sie entstehen durch Abschnürungen der Biomembran und werden vom Golgi-Apparat und dem endoplasmatischen Retikulum (ER) gebildet. Diese Art von Stofftransport, also der vesikelvermittelte Transport zwischen Zellen und Zellorganellen, wird deswegen auch Membranfluss genannt.

Endozytose

Die Endozytose (endon ist griechisch und bedeutet „innen“) beschreibt den Transport von Makromolekülen in eine Zelle hinein. Wenn große Moleküle in die Zelle aufgenommen werden sollen, kommt es im ersten Schritt zu einer Einstülpung der Doppelmembran ins Zellinnere. Dabei werden die aufzunehmenden Partikel in die Ausstülpung getrieben. In einem zweiten Schritt werden die Partikel vollständig von der Zellmembran eingeschlossen und es entsteht ein Membranbläschen (Vesikel). Das Vesikel trennt sich im letzten Schritt von der Zellmembran und wird in das Zellinnere abgegeben. Werden auf diese Weise feste Stoffe in die Zelle transportiert, spricht man von Phagozytose. Beim Transport von Flüssigkeiten handelt es sich um die Pinozytose.

Exozytose

Die Exozytose (exo ist griechisch und bedeutet „außen“) ist sozusagen das Gegenstück zur Endozytose und läuft genau andersherum ab. Anders als bei der Endozytose werden bei der Exozytose Stoffe (meistens sind das Enzyme oder Abfallstoffe) mithilfe des sekretorischen Vesikels aus der Zelle hinaustransportiert.