Membrantransport

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 27. Januar 2017
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Beim Membrantransport treten Stoffe durch eine biologische Membran hindurch oder werden aktiv durch Membranen hindurchtransportiert. Anders als aktiver Transport ist Diffusion der einfachste Membrantransportweg und erfordert keine zusätzliche Bereitstellung von Energie. Störungen des Membrantransports sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Krankheiten assoziiert.

Inhaltsverzeichnis

Was ist der Membrantransport?

Biomembranen umschließen Bereich wie das Cytoplasma von Zellen und generieren damit eine kontrollierte Region mit relativ unabhängigem Milieu zur Außenwelt. Das spezifische Zellmilieu im Inneren von Zellen lässt sich nur aufgrund der Abschirmung gegenüber der Außenwelt aufbauen und aufrechterhalten.

Die Doppelschicht einer Biomembran besteht aus Phospholipiden und ist aus sich heraus ausschließlich für Gase und kleine, in den meisten Fällen ungeladene Moleküle durchlässig. Für hydrophil polare Ionen und andere biowirksame Substanzen entspricht die Lipiddoppelschicht einer Barriere, zu deren Überwindung zusätzliche Mechanismen des Transports erforderlich werden.

Der Membrantransport entspricht dem Durchtritt von Stoffen durch eine Biomembran. Zwei unterschiedliche Prinzipien spielen hierfür eine Rolle. Das erste Prinzip ist die Diffusion oder freie Permeation, das zweite ist der selektive Stofftransport. Neben der einfachen Diffusion zählen Funktionsprinzipien wie der passive Transport durch Kanalproteine oder Carrier-Proteine sowie der aktive Transport zum Transmembrantransport.

Zum membranverlagernden Transport zählen wiederum die Endozytose, Exocytose und Transcytose. Da beim membranverlagernden Transport Membranteile selbst verlagert werden, ist hierbei gelegentlich auch von einem Membranfluss die Rede.

Der Membrantransport unterstützt die Zellfunktionen und die Zellkommunikation mit der Umgebung. Selektiver Stoffaustausch wird durch die Transportmechanismen ermöglicht.

Funktion & Aufgabe

Die Lipiddoppelschicht oder bimolekulare Lipidschicht einer Biomembran entspricht einer Barriere zwischen wässrigen Kompartimenten in Form des extraplasmatischen und cytoplasmatischen Raums. Zwischen den Kompartimenten können nur kleine Moleküle durch eine Biomembran diffundieren, so neben Wasser zum Beispiel auch Essigsäure. Für größere Moleküle ist die Diffusionsrate relativ gering.

Die Permeabilität von Membranen für kleine Moleküle wird auch als Semipermeabilität bezeichnet und bildet die Basis der Osmose. Aktuellen Annahmen zufolge, ist jede Biomembran eine fluide Struktur mit vorübergehenden Unregelmäßigkeiten innerhalb der Lipiddoppelschicht. Moleküle mit hydrophober Eigenschaft lösen sich aufgrund ihres Verteilungskoeffizienten durch den hydrophoben Membranbereich hindurch. Sogar größere Teilchen wie Steroidhormone können durch Diffusion Membranen passieren.

Vom spezifischen Membrantransport machen dagegen spezifische Moleküle Gebrauch. Der Transportweg ist an integrale Membrantransportproteine gebunden, die als Translokatoren bekannt sind. Der spezifische Transport ist substratspezifisch und saturierbar. Zu den Translokatoren dieses Transportwegs zählen Carrier, die mit dem Substrat beladen werden und die eine Konformationsveränderung der Membran zur Einschleusung ihrer Ladung herbeiführen können.

Beim Membrantransport treten Stoffe durch eine biologische Membran hindurch oder werden aktiv durch Membranen hindurchtransportiert.

Aufgrund der relativ hohen Transportraten existiert in jeder Membran ein permanent bestehender Transportkanal. Die integralen Membranproteine mit Aufgaben im Membrantransport entsprechen für gewöhnlich oligomeren Strukturen. Beim spezifischen Transport liegt katalysierte Diffusion ohne zusätzlichen Energieverbrauch oder aktiver Transport unter Energieverbrauch vor.

Katalysierte Diffusion und aktiver Transport bieten die Möglichkeit, nur ein einziges Teilchen unidirektional, zwei Teilchen gemeinsam in gleicher Richtung oder in entgegengesetzte Richtung zu transportieren. Katalysierte Diffusion durch Membrantransportproteine folgt nur dem Konzentrationsausgleich entlang des vorliegenden Konzentrationsgradienten von Stoffen zwischen den beiden Kompartimenten der Zelle. Aktiver Transport erfolgt immer gegen den Konzentrationsgradienten.

Poren der äußeren Biomembran dienen dem unspezifischen Durchtritt von hydrophilen Teilchen. Der eigentliche Transportkanal einer Biomembran besteht aus β-Faltblättern. Membrantransport ist für alle Körperfunktionen und Gewebe des Körpers unersetzlich, so zum Beispiel für das Nervensystem und seine spannungsabhängigen Ionenkanäle.

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Krankheiten & Beschwerden

Störungen der Membrantransportsysteme können schwere Zellschädigungen und sogar Organausfälle verursachen. Innerhalb des Darms oder der Nieren entstehen aus Störungen des Membrantransports zum Beispiel Resorptions- und Sekretionsstörungen.

Mitochondriopathien führen zum Beispiel zu Membrantransportstörungen. Betroffen ist in diesem Fall das Enzymsystem, das Energiegewinnung mittels oxidativer Phosphorylierung ermöglicht. Störungen der ATP-Synthase sind in diesem Zusammenhang besonders hervorzuheben. Bei diesem Enzym handelt es sich um das mitunter wichtigste Transmembranprotein, das zum Beispiel innerhalb der Protonenpumpe die Funktion eines Transportenzyms übernimmt. Das Enzym katalysiert im gesunden Körper die Bereitstellung von ATP und ermöglicht unter ATP-Bildung energiebegünstigten Protonentransport entlang des Protonengefälles. ATP-Synthase zählt daher zu den wichtigsten Energiewandlern im menschlichen Organismus und verformt eine Energieform in eine andere. Bei den Mitochondriopathien handelt es sich nun um Fehlfunktionen der Mitochondrien-Stoffwechselvorgänge, die eine reduzierte Bereitstellung von ATP-Synthese bedingen und so die Leistungsfähigkeit des Körpers vermindern.

Darüber hinaus können letztlich alle Transporter-Proteine und -enzyme von Mutationen oder Transkriptionsdefekten betroffen sein. Mutationen im genetischen Material von Transporter-Proteinen lassen die betroffenen Proteine in einer abgewandelten Form vorliegen, sodass der aktive Stofftransport erschwert ist. Dieses Phänomen ist zum Beispiel für einige Erkrankungen des Dünndarms relevant.

Störungen im Membranfluss können wiederum mit unterschiedlichsten Erkrankungen in Zusammenhang stehen. So ist etwa bei Tumoren oft die Endozytose erschwert. Auch Infektionen oder neurogenerative Erkrankungen können diesbezüglich für Störungen sorgen. Neuropathien mit beeinträchtigter Gehfähigkeit und verminderter Nervenleitgeschwindigkeit sowie Gefühlsstörungen sind ein Beispiel für neurodegenerative Beschwerden aufgrund von gestörtem Membranfluss.

Auch stört die mutationsbedingte Huntington-Krankheit den Membranfluss neurogen. Darüber hinaus kann die Exozytose der Neurotransmitter aufgrund von Toxinen behindert sein. Gestörte Exozytose liegt außerdem Stoffwechselerkrankungen wie der Mukoviszidose zugrunde. Störungen der Pinozytose werden heute zudem mit Krankheiten wie Alzheimer in Zusammenhang gebracht.

Störungen des Membrantransports können nicht nur viele verschiedene Gründe haben, sondern führen letztlich ebenso zu vielen verschiedenen Symptomen und unterschiedlichsten Erkrankungen.

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