ZELLTRANSPORT: TYPEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN - BIOLOGIE - 2025

Die Transportzelle beinhaltet den Verkehr und die Bewegung von Molekülen zwischen dem Inneren und dem Äußeren von Zellen. Der Austausch von Molekülen zwischen diesen Kompartimenten ist ein wesentliches Phänomen für das korrekte Funktionieren des Organismus und vermittelt eine Reihe von Ereignissen, wie beispielsweise das Membranpotential, um nur einige zu nennen.

Biologische Membranen sind nicht nur für die Abgrenzung der Zelle verantwortlich, sondern spielen auch eine unverzichtbare Rolle beim Handel mit Substanzen. Sie haben eine Reihe von Proteinen, die die Struktur durchqueren und sehr selektiv den Eintritt bestimmter Moleküle ermöglichen oder nicht.

Quelle: LadyofHats, über Wikimedia Commons

Der zelluläre Transport wird in zwei Haupttypen eingeteilt, je nachdem, ob das System Energie direkt verbraucht oder nicht.

Passiver Transport erfordert keine Energie und die Moleküle können die Membran durch passive Diffusion, durch wässrige Kanäle oder durch transportierte Moleküle passieren. Die Richtung des aktiven Transports wird ausschließlich durch die Konzentrationsgradienten zwischen beiden Seiten der Membran bestimmt.

Im Gegensatz dazu benötigt die zweite Transportart Energie und wird als aktiver Transport bezeichnet. Dank der in das System eingespeisten Energie können die Pumpen die Moleküle gegen ihre Konzentrationsgradienten bewegen. Das bemerkenswerteste Beispiel in der Literatur ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

Theoretische Grundlagen

-Zellmembranen

Um zu verstehen, wie der Verkehr von Substanzen und Molekülen zwischen der Zelle und den angrenzenden Kompartimenten stattfindet, ist es notwendig, die Struktur und Zusammensetzung biologischer Membranen zu analysieren.

-Lipide in den Membranen

Von Jpablo cad aus Wikimedia Commons

Die Zellen sind von einer dünnen und komplexen Membran lipider Natur umgeben. Die Grundkomponente sind Phospholipide.

Diese bestehen aus einem Polarkopf und unpolaren Schwänzen. Die Membranen bestehen aus zwei Schichten von Phospholipiden - "Lipiddoppelschichten" -, in denen die Schwänze innen gruppiert sind und die Köpfe den extra- und intrazellulären Flächen zugewandt sind.

Moleküle, die sowohl polare als auch unpolare Zonen aufweisen, werden als amphipathisch bezeichnet. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die räumliche Organisation von Lipidkomponenten innerhalb von Membranen.

Diese Struktur wird von den Membranen geteilt, die die subzellulären Kompartimente umgeben. Denken Sie daran, dass Mitochondrien, Chloroplasten, Vesikel und andere Organellen ebenfalls von einer Membran umgeben sind.

Neben Phosphoglyceriden oder Phospholipiden sind Membranen reich an Sphingolipiden, deren Skelette aus einem Molekül namens Sphingosin und Sterolen bestehen. In dieser letzten Gruppe finden wir Cholesterin, ein Lipid, das die Eigenschaften der Membran wie ihre Fließfähigkeit moduliert.

-Proteine ​​in den Membranen

Abbildung 1. Diagramm des Fluidmosaikmodells. Quelle: Von LadyofHats Mariana Ruiz, Übersetzung Pilar Saenz, über Wikimedia Commons

Die Membran ist eine dynamische Struktur, die mehrere Proteine ​​enthält. Die Proteine ​​der Membran wirken als eine Art molekularer "Gatekeeper" oder "Guards", die mit großer Selektivität definieren, wer die Zelle betritt und wer sie verlässt.

Aus diesem Grund sollen Membranen semipermeabel sein, da einige Verbindungen eintreten können und andere nicht.

Nicht alle Proteine ​​in der Membran sind für die Vermittlung des Verkehrs verantwortlich. Andere sind für die Erfassung externer Signale verantwortlich, die eine zelluläre Reaktion auf externe Reize hervorrufen.

-Selektivität der Membran

Das Lipidinnere der Membran ist stark hydrophob, wodurch die Membran für den Durchgang von Molekülen polarer oder hydrophiler Natur sehr undurchlässig wird (dieser Begriff bedeutet "in Wasser verliebt").

Dies impliziert eine zusätzliche Schwierigkeit für den Durchgang polarer Moleküle. Der Transit wasserlöslicher Moleküle ist jedoch notwendig, weshalb Zellen über eine Reihe von Transportmechanismen verfügen, die eine effiziente Bewegung dieser Substanzen zwischen der Zelle und ihrer äußeren Umgebung ermöglichen.

Ebenso müssen große Moleküle wie Proteine ​​transportiert werden und erfordern spezielle Systeme.

-Diffusion und Osmose

Die Bewegung von Partikeln durch Zellmembranen erfolgt nach den folgenden physikalischen Prinzipien.

Diese Prinzipien sind Diffusion und Osmose und gelten für die Bewegung von gelösten Stoffen und Lösungsmitteln in einer Lösung durch eine semipermeable Membran - wie beispielsweise biologische Membranen in lebenden Zellen.

Die Diffusion ist der Prozess, bei dem suspendierte Partikel zufällig aus Regionen mit hohen Konzentrationen in Regionen mit niedrigeren Konzentrationen bewegt werden. Es gibt einen mathematischen Ausdruck, der den Prozess beschreiben soll und als Fick-Diffusionsgleichung bezeichnet wird, aber wir werden uns nicht damit befassen.

Unter Berücksichtigung dieses Konzepts können wir den Begriff Permeabilität definieren, der sich auf die Geschwindigkeit bezieht, mit der eine Substanz unter einer Reihe spezifischer Bedingungen passiv in die Membran eindringt.

Andererseits bewegt sich Wasser in einem als Osmose bezeichneten Phänomen auch entlang seines Konzentrationsgradienten. Obwohl es ungenau erscheint, sich auf die Wasserkonzentration zu beziehen, müssen wir verstehen, dass sich die lebenswichtige Flüssigkeit hinsichtlich ihrer Diffusion wie jede andere Substanz verhält.

-Tonizität

Unter Berücksichtigung der beschriebenen physikalischen Phänomene bestimmen die Konzentrationen, die sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle vorhanden sind, die Transportrichtung.

Somit ist die Tonizität einer Lösung die Reaktion von Zellen, die in eine Lösung eingetaucht sind. Auf dieses Szenario wird eine Terminologie angewendet:

Isotonisch

Eine Zelle, ein Gewebe oder eine Lösung ist in Bezug auf eine andere isotonisch, wenn die Konzentration in beiden Elementen gleich ist. In einem physiologischen Kontext ändert sich eine Zelle, die in eine isotonische Umgebung eingetaucht ist, nicht.

Hypotonisch

Eine Lösung ist in Bezug auf die Zelle hypoton, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe außen niedriger ist - das heißt, die Zelle hat mehr gelöste Stoffe. In diesem Fall besteht die Tendenz des Wassers, in die Zelle einzutreten.

Wenn wir rote Blutkörperchen in destilliertes Wasser (das frei von gelösten Stoffen ist) geben, würde das Wasser eintreten, bis sie platzen. Dieses Phänomen nennt man Hämolyse.

Hypertonisch

Eine Lösung ist in Bezug auf die Zelle hypertonisch, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe außen höher ist - das heißt, die Zelle hat weniger gelöste Stoffe.

In diesem Fall besteht die Tendenz des Wassers, die Zelle zu verlassen. Wenn wir rote Blutkörperchen in eine konzentriertere Lösung geben, tritt das Wasser in den Blutkörperchen leicht aus und die Zelle nimmt ein faltiges Aussehen an.

Diese drei Konzepte haben biologische Relevanz. Zum Beispiel müssen die Eier eines Meeresorganismus in Bezug auf Meerwasser isotonisch sein, um nicht zu platzen und kein Wasser zu verlieren.

Ebenso müssen Parasiten, die im Blut von Säugetieren leben, eine Konzentration an gelösten Stoffen aufweisen, die der Umgebung ähnelt, in der sie sich entwickeln.

-Elektrischer Einfluss

Wenn wir über Ionen sprechen, die geladene Teilchen sind, wird die Bewegung durch die Membranen nicht ausschließlich durch Konzentrationsgradienten gesteuert. In diesem System müssen die Ladungen der gelösten Stoffe berücksichtigt werden.

Das Ion neigt dazu, sich von den Regionen weg zu bewegen, in denen die Konzentration hoch ist (wie im Abschnitt über Osmose und Diffusion beschrieben), und auch wenn das Ion negativ ist, bewegt es sich in Richtung der Regionen, in denen ein wachsendes negatives Potential besteht. Denken Sie daran, dass unterschiedliche Ladungen anziehen und ähnliche Ladungen abstoßen.

Um das Verhalten des Ions vorherzusagen, müssen wir die kombinierten Kräfte des Konzentrationsgradienten und des elektrischen Gradienten addieren. Dieser neue Parameter wird als elektrochemischer Nettogradient bezeichnet.

Die Arten des zellulären Transports werden in Abhängigkeit von der Verwendung oder Nichtverwendung von Energie durch das System in passiven und aktiven Bewegungen klassifiziert. Wir werden jedes im Folgenden detailliert beschreiben:

Passiver Transmembrantransport

Passive Bewegungen durch Membranen beinhalten den Durchgang von Molekülen ohne direkten Energiebedarf. Da diese Systeme keine Energie enthalten, hängt sie ausschließlich von den Konzentrationsgradienten (einschließlich der elektrischen) ab, die über die Plasmamembran existieren.

Obwohl die für die Bewegung der Partikel verantwortliche Energie in solchen Gradienten gespeichert ist, ist es angemessen und zweckmäßig, den Prozess weiterhin als passiv zu betrachten.

Es gibt drei elementare Wege, auf denen Moleküle passiv von einer Seite zur anderen gelangen können:

Einfache Diffusion

Die einfachste und intuitivste Art, einen gelösten Stoff zu transportieren, besteht darin, die Membran gemäß den oben genannten Gradienten zu überqueren.

Das Molekül diffundiert durch die Plasmamembran, lässt die wässrige Phase beiseite, löst sich im Lipidteil auf und tritt schließlich in den wässrigen Teil des Zellinneren ein. Das gleiche kann in die entgegengesetzte Richtung geschehen, von der Innenseite der Zelle nach außen.

Der effiziente Durchgang durch die Membran wird durch die Wärmeenergie des Systems bestimmt. Wenn es hoch genug ist, kann das Molekül die Membran passieren.

Genauer betrachtet muss das Molekül alle in der wässrigen Phase gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen, um in die Lipidphase übergehen zu können. Dieses Ereignis erfordert 5 kcal kinetische Energie für jede vorhandene Verbindung.

Der nächste zu berücksichtigende Faktor ist die Löslichkeit des Moleküls in der Lipidzone. Die Mobilität wird durch eine Vielzahl von Faktoren wie das Molekulargewicht und die Form des Moleküls beeinflusst.

Die Kinetik der einfachen Diffusionspassage zeigt eine Kinetik der Ungesättigtheit. Dies bedeutet, dass der Eintritt proportional zur Konzentration des zu transportierenden gelösten Stoffes in der extrazellulären Region zunimmt.

Wässrige Kanäle

Die zweite Alternative für den passiven Durchgang von Molekülen ist ein in der Membran befindlicher wässriger Kanal. Diese Kanäle sind eine Art Poren, die den Durchgang des Moleküls ermöglichen und den Kontakt mit der hydrophoben Region vermeiden.

Bestimmte geladene Moleküle gelangen in die Zelle, indem sie ihrem Konzentrationsgradienten folgen. Dank dieses Systems wassergefüllter Kanäle sind die Membranen sehr ionenundurchlässig. Unter diesen Molekülen fallen Natrium, Kalium, Calcium und Chlor auf.

Trägermolekül

Die letzte Alternative ist die Kombination des interessierenden gelösten Stoffes mit einem Trägermolekül, das seine hydrophile Natur maskiert, so dass es durch den lipidreichen Teil der Membran gelangt.

Der Transporter erhöht die Lipidlöslichkeit des zu transportierenden Moleküls und begünstigt seinen Durchgang zugunsten des Konzentrationsgradienten oder des elektrochemischen Gradienten.

Diese Trägerproteine ​​arbeiten auf unterschiedliche Weise. Im einfachsten Fall wird ein gelöster Stoff von einer Seite der Membran auf die andere übertragen. Dieser Typ wird als Uniport bezeichnet. Im Gegenteil, wenn ein anderer gelöster Stoff gleichzeitig transportiert oder gekoppelt wird, wird der Transporter als gekoppelt bezeichnet.

Wenn der gekoppelte Transporter die beiden Moleküle in die gleiche Richtung bewegt, handelt es sich um ein Symport, und wenn dies in entgegengesetzte Richtungen geschieht, ist der Transporter gegen Träger.

Osmose

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKderivative Arbeit: Ortisa, via Wikimedia Commons

Es ist die Art des zellulären Transports, bei dem ein Lösungsmittel selektiv durch die semipermeable Membran läuft.

Wasser neigt beispielsweise dazu, zur Seite der Zelle zu gelangen, wo seine Konzentration geringer ist. Die Bewegung von Wasser auf diesem Weg erzeugt einen Druck, der als osmotischer Druck bezeichnet wird.

Dieser Druck ist notwendig, um die Konzentration von Substanzen in der Zelle zu regulieren, die dann die Form der Zelle beeinflusst.

Ultrafiltration

In diesem Fall wird die Bewegung einiger gelöster Stoffe durch die Wirkung eines hydrostatischen Drucks vom Bereich des größten Drucks zum Bereich des geringeren Drucks erzeugt. Im menschlichen Körper findet dieser Prozess in den Nieren dank des vom Herzen erzeugten Blutdrucks statt.

Auf diese Weise gelangen Wasser, Harnstoff usw. von den Zellen in den Urin. und Hormone, Vitamine usw. bleiben im Blut. Dieser Mechanismus wird auch als Dialyse bezeichnet.

Erleichterte Verbreitung

Erleichterte Verbreitung

Es gibt Substanzen mit sehr großen Molekülen (wie Glucose und andere Monosaccharide), die zur Diffusion ein Trägerprotein benötigen. Diese Diffusion ist schneller als die einfache Diffusion und hängt ab von:

• Der Konzentrationsgradient der Substanz.
• Die Menge der in der Zelle vorhandenen Trägerproteine.
• Die Geschwindigkeit der vorhandenen Proteine.

Eines dieser Transporterproteine ​​ist Insulin, das die Diffusion von Glukose erleichtert und die Konzentration im Blut verringert.

Aktiver Transmembrantransport

Bisher haben wir den Durchgang verschiedener Moleküle durch Kanäle ohne Energiekosten diskutiert. In diesen Fällen bestehen die einzigen Kosten darin, die potentielle Energie in Form unterschiedlicher Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran zu erzeugen.

Auf diese Weise wird die Transportrichtung durch den vorhandenen Gradienten bestimmt. Gelöste Stoffe werden nach den oben genannten Diffusionsprinzipien transportiert, bis sie einen Punkt erreichen, an dem die Nettodiffusion endet - an diesem Punkt ist ein Gleichgewicht erreicht. Bei Ionen wird die Bewegung auch durch Ladung beeinflusst.

Der einzige Fall, in dem sich die Verteilung der Ionen auf beiden Seiten der Membran in einem echten Gleichgewicht befindet, ist jedoch, wenn die Zelle tot ist. Alle lebenden Zellen investieren viel chemische Energie, um die Konzentration gelöster Stoffe aus dem Gleichgewicht zu halten.

Die Energie, die verwendet wird, um diese Prozesse aktiv zu halten, ist im Allgemeinen das ATP-Molekül. Adenosintriphosphat, abgekürzt als ATP, ist ein grundlegendes Energiemolekül in zellulären Prozessen.

Aktive Transporteigenschaften

Aktiver Transport kann Konzentrationsgradienten entgegenwirken, egal wie steil sie sind - diese Eigenschaft wird mit der Erklärung der Natrium-Kalium-Pumpe deutlich (siehe unten).

Aktive Transportmechanismen können mehr als eine Molekülklasse gleichzeitig bewegen. Für den aktiven Transport wird dieselbe Klassifikation verwendet, die für den gleichzeitigen Transport mehrerer Moleküle beim passiven Transport erwähnt wurde: Symport und Anti-Support.

Der Transport durch diese Pumpen kann durch Aufbringen von Molekülen gehemmt werden, die spezifisch wichtige Stellen auf dem Protein blockieren.

Die Transportkinetik ist vom Typ Michaelis-Menten. Beide Verhaltensweisen - die durch bestimmte Moleküle und Kinetiken gehemmt werden - sind typische Merkmale enzymatischer Reaktionen.

Schließlich muss das System spezifische Enzyme aufweisen, die das ATP-Molekül hydrolysieren können, wie z. B. ATPasen. Dies ist der Mechanismus, durch den das System die Energie erhält, die es charakterisiert.

Transportselektivität

Die beteiligten Pumpen sind in den zu transportierenden Molekülen äußerst selektiv. Wenn die Pumpe beispielsweise ein Natriumionenträger ist, nimmt sie keine Lithiumionen auf, obwohl beide Ionen eine sehr ähnliche Größe haben.

Es wird angenommen, dass die Proteine ​​in der Lage sind, zwischen zwei diagnostischen Merkmalen zu unterscheiden: der Leichtigkeit der Dehydratisierung des Moleküls und der Wechselwirkung mit den Ladungen in der Pore des Transporters.

Es ist bekannt, dass große Ionen im Vergleich zu kleinen Ionen leicht dehydrieren. Daher werden in einer Pore mit schwachen polaren Zentren vorzugsweise große Ionen verwendet.

Im Gegensatz dazu überwiegt in Kanälen mit stark geladenen Zentren die Wechselwirkung mit dem dehydrierten Ion.

Beispiel für einen aktiven Transport: die Natrium-Kalium-Pumpe

Um die Mechanismen des aktiven Transports zu erklären, ist es am besten, dies mit dem am besten untersuchten Modell zu tun: der Natrium-Kalium-Pumpe.

Ein auffälliges Merkmal von Zellen ist die Fähigkeit, steile Gradienten von Natrium- (Na ⁺ ) und Kaliumionen (K ⁺ ) aufrechtzuerhalten .

In der physiologischen Umgebung ist die Kaliumkonzentration innerhalb der Zellen 10 bis 20 Mal höher als außerhalb der Zellen. Im Gegensatz dazu sind Natriumionen in der extrazellulären Umgebung viel stärker konzentriert.

Mit den Prinzipien, die die Bewegung von Ionen auf passive Weise steuern, wäre es unmöglich, diese Konzentrationen aufrechtzuerhalten, daher benötigen Zellen ein aktives Transportsystem und dies ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

Die Pumpe besteht aus einem Proteinkomplex vom Typ ATPase, der an der Plasmamembran aller tierischen Zellen verankert ist. Dieser hat Bindungsstellen für beide Ionen und ist für den Transport mit Energieinjektion verantwortlich.

Wie funktioniert die Pumpe?

In diesem System gibt es zwei Faktoren, die die Bewegung von Ionen zwischen den zellulären und extrazellulären Kompartimenten bestimmen. Der erste ist die Geschwindigkeit, mit der die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet, und der zweite Faktor ist die Geschwindigkeit, mit der das Ion aufgrund passiver Diffusionsereignisse wieder in die Zelle gelangen kann (im Fall von Natrium).

Auf diese Weise bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Ionen in die Zelle eintreten, die Geschwindigkeit, mit der die Pumpe arbeiten muss, um eine geeignete Ionenkonzentration aufrechtzuerhalten.

Der Betrieb der Pumpe hängt von einer Reihe von Konformationsänderungen im Protein ab, die für den Transport der Ionen verantwortlich sind. Jedes ATP-Molekül wird direkt hydrolysiert, wobei drei Natriumionen die Zelle verlassen und gleichzeitig zwei Kaliumionen in die zelluläre Umgebung gelangen.

Massentransport

Es ist eine andere Art des aktiven Transports, der bei der Bewegung von Makromolekülen wie Polysacchariden und Proteinen hilft. Es kann gegeben werden durch:

-Endozytose

Es gibt drei Prozesse der Endozytose: Phagozytose, Pinozytose und ligandenvermittelte Endozytose:

Phagozytose

Phagozytose

Phagozytose Die Art des Transports, bei der ein festes Partikel von einem Vesikel oder Phagosom bedeckt ist, das aus fusionierten Pseudopoden besteht. Das feste Partikel, das im Vesikel verbleibt, wird von Enzymen verdaut und gelangt so in das Innere der Zelle.

So arbeiten die weißen Blutkörperchen im Körper; Sie verschlingen Bakterien und Fremdkörper als Abwehrmechanismus.

Pinozytose

Ernährung von Protozoen. Pinozytose. Bild von: Jacek FH (abgeleitet von Mariana Ruiz Villarreal). Entnommen und bearbeitet von https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

Eine Pinozytose tritt auf, wenn die zu transportierende Substanz ein Tröpfchen oder ein Vesikel extrazellulärer Flüssigkeit ist und die Membran ein pinozytisches Vesikel erzeugt, in dem der Inhalt des Vesikels oder Tröpfchens verarbeitet wird, so dass er zur Oberfläche der Zelle zurückkehrt.

Endozytose über einen Rezeptor

Es ist ein Prozess ähnlich der Pinozytose, aber in diesem Fall tritt eine Invagination der Membran auf, wenn ein bestimmtes Molekül (Ligand) an den Membranrezeptor bindet.

Mehrere endozytische Vesikel verbinden sich und bilden eine größere Struktur, die als Endosom bezeichnet wird. Hier wird der Ligand vom Rezeptor getrennt. Der Rezeptor kehrt dann zur Membran zurück und der Ligand bindet an ein Liposom, wo er von Enzymen verdaut wird.

-Exozytose

Es ist eine Art von Zelltransport, bei dem die Substanz außerhalb der Zelle transportiert werden muss. Während dieses Prozesses bindet die sekretorische Vesikelmembran an die Zellmembran und setzt den Inhalt des Vesikels frei.

Auf diese Weise eliminieren Zellen synthetisierte Substanzen oder Abfallstoffe. Auf diese Weise setzen sie auch Hormone, Enzyme oder Neurotransmitter frei.

Verweise

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