Ohne die Versorgung der Zellorganellen innerhalb der Zellen mit Nährstoffen würde kein Organismus lange überleben. Wie in den bisherigen Kapiteln erläutert, schützt eine Membran das Zellinnere. Diese (Bio)membranen umgeben die Zelle und schließen diese von der Aussenwelt ab. (Nähr)stoffe, die in das Zellinnere gelangen sollen, müssen also diese Schutzvorrichtung überwinden bzw. “durchqueren”. Der Transport von Stoffen durch die Membran erfolgt durch aktiven oder passiven Transport. Kleinere Moleküle können ohne weitere Hilfe durch die Membranen durchdringen, während größere Moleküle (oder Ionen) durch Kanäle, sogenannte Carrier oder durch Pumpsysteme durch die Membran transportiert werden.
Wie eingangs erwähnt, ermöglichen die Biomembranen den Stoffaustausch der Zellen und Zellumgebung. So ist die Biomembran für bestimmte Moleküle durchlässig während große Moleküle und Ionen die Membran nicht überwinden können. Daher bezeichnet man Biomembranen deshalb als semipermeabel.
Zu Unterscheidung des aktiven und passiven Stofftransportes durch die Membran muss kurz die Diffusion abgegrenzt werden (das Phänomen der Diffusion wurde bereits anderen Kapiteln erläutert, daher nur in Kürze). Der Vorgang der Diffusion beruht darauf, dass in Flüssigkeiten alle Teilchen sich ständig in regelloser Bewegung befinden (Bewegungsenergie = thermische Energie). Daher breitet sich eine Flüssigkeit auch im gesamten Raum aus, der der Flüssigkeit zur Verfügung steht. Das gleichmäßige Ausbreiten von Teilchen wird als Diffusion bezeichnet. Teilchen diffundieren dabei immer aus dem “Raum”, in dem sie in hoher Konzentration vorliegen, dorthin, wo die Konzentration gering ist. Eine Diffusion führt immer zu einem Konzentrationsausgleich.
Daher ist ein Stofftransport von Stoffen (durch Diffusion) in Richtung des Konzentrationsgefälles immer Energieunabhängig, während man zum Stofftransport entgegen dem Konzentrationsgefälle immer Energie aufwenden muss.
Im Gegensatz zu einem aktiven Transport, bei dem entweder Energie aufgewendet werden muss oder ein Transportcarrier benötigt wird, spricht man bei einem passiven Transportvorgang von einer erleichterten Diffusion. Bei einem passiven Transport werden Kanäle in der Membran (in Form sogenannter Tunnelproteine) durch körpereigene Signale geöffnet bzw. geschlossen.
Für diese Art der Diffusion muss keine Energie aufgewendet werden. Deshalb gehört die Diffusion zu den sogenannten passiven Transportprozessen. Prinzipiell können nur kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid die Membran durch Diffusion (ohne weitere Hilfsmittel) überwinden. Polare Moleküle werden mithilfe der oben erwähnten integraler Membranproteine durch die Membran transportiert.
Beim aktiven Transport unterscheidet man zwei unterschiedliche Transportvorgänge. Zum einen den primären aktiven Transport. Dieser Stofftransport ist immer mit einer Energieumsetzung verbunden. Beim sekundären aktiven Transport wird der zu transportierende Stoff mit einem anderen Stoff transportiert. Dabei unterscheidet man zwei Arten von sekundären aktiven Transportvorgängen:Wird der zu transportierende Stoff mit dem anderen Stoff in die gleiche Richtung transportiert, spricht man von Symport, wird der Stoff in die entgegengesetzte Richtung transportiert, spricht man von Antiport. Hinweis: der Stoff, der den anderen Stoff transportiert, “diffundiert” immer in die Richtung des Konzentrationsgefälles. Der zu transportierende Stoff wird meist gegen sein Konzentrationsgefälle transportiert.
Hinweis. Größere Moleküle werden auch durch Endocytose und Exocytose transportiert. Dabei wird das Molekül durch ein sogenanntes Vesikel aufgenommen und eingeschlossen (= Endecytose), durch die Zelle transportiert und wieder vom Vesikel abgegeben (= Exocytose).
Unter dem Begriff “Stofftransport” versteht man den Vorgang des Transports von Molekülen und Ionen durch eine biologische Membran. Dies kann entweder passiv (ohne Energieverbrauch) oder aktiv (mit Energieverbrauch) erfolgen.
Der passive Stofftransport erfolgt ohne Energieverbrauch und folgt dem Konzentrationsgradienten, das heißt Stoffe bewegen sich von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. Der aktive Stofftransport hingegen verbraucht Energie und kann gegen den Konzentrationsgradienten erfolgen.
Beispiele für passiven Stofftransport sind die Diffusion und die Osmose. Bei der Diffusion bewegen sich Moleküle oder Ionen von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. Osmose ist ein spezieller Fall der Diffusion, bei dem Wasser durch eine semipermeable Membran diffundiert.
Ein Konzentrationsgradient ist ein Unterschied in der Konzentration eines Stoffes in unterschiedlichen Bereichen. Beim passiven Stofftransport bewegen sich Stoffe entlang dieses Gradienten, vom Bereich hoher Konzentration zum Bereich niedriger Konzentration.
Osmose ist ein besonderer Fall von Diffusion, bei dem Wasser durch eine semipermeable Membran von einer Region niedrigerer Stoffkonzentration zu einer Region höherer Stoffkonzentration fließt.
Eine semipermeable Membran lässt bestimmte Stoffe durch, während sie andere zurückhält. Dies ist wichtig für die Kontrolle des Stofftransports in und aus der Zelle.
Aktiver Transport ist der Prozess, bei dem Zellen Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) nutzen, um Moleküle oder Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen.
Beispiele für aktiven Transport sind die Natrium-Kalium-Pumpe und der Protonenpumpen-Komplex. Beide verbrauchen Energie, um Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen.
Ja, Stoffe können auch gegen ihren Konzentrationsgradienten transportiert werden. Dies geschieht im Rahmen des aktiven Transports, bei dem Zellen Energie aufwenden, um Moleküle oder Ionen zu bewegen.
Endozytose ist ein Prozess, bei dem Zellen Material von außerhalb der Zelle durch Einstülpen der Plasmamembran aufnehmen. Dieses Material wird dann innerhalb der Zelle in Vesikeln transportiert.