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Wächter der Zelle: Wie bestimmen Transportproteine, welche Moleküle in die Zelle gelangen dürfen?
In der Zellbiologie bezieht sich Membrantransport auf eine Gruppe von Mechanismen, die die Bewegung von gelösten Stoffen (wie Ionen und kleinen Molekülen) durch biologische Membranen regulieren. Diese biologischen Membranen bestehen hauptsächlich aus Lipiddoppelschichten mit darin eingebetteten Proteinen. Die selektive Durchlässigkeit biologischer Membranen ermöglicht es ihnen, Substanzen auf der Grundlage ihrer chemischen Eigenschaften zu trennen. Mit anderen Worten: Manche Stoffe können in die Zellen eindringen, andere nicht. Die Bewegung der meisten gelösten Stoffe erfolgt über Membrantransportproteine, die in unterschiedlichem Maße auf den Transport bestimmter Moleküle spezialisiert sind.
Für jeden Zelltyp und seine spezifische physiologische Phase kann ein spezialisierter Satz von Transportern existieren.
Da die Vielfalt der Zellen und ihre physiologischen Eigenschaften eng mit der Fähigkeit verbunden sind, externe Elemente anzuziehen, wird die Regulierung dieses Phänomens durch die differenzielle Transkription und Translation von Genen kontrolliert, die diese Transporter kodieren, und diese Prozesse können durch zelluläre Signalwege Es wird auf biochemischer Ebene aktiviert, sogar innerhalb des endoplasmatischen Retikulums der Zelle.
Hintergrund
Der Fluss der Substanzen kann Konzentrations- oder elektrochemischen Gradienten folgen oder in die entgegengesetzte Richtung fließen. Fließt die Substanz in Richtung des Konzentrationsgradienten, also in Richtung abnehmender Konzentration, ist keine externe Energiezufuhr erforderlich; erfolgt der Transport jedoch in die entgegengesetzte Richtung des Gradienten, ist eine metabolische Energiezufuhr erforderlich.
In nicht mischbaren Lösungen fließt Wasser spontan von der niedrigeren zur höheren Konzentration des gelösten Stoffes, um ein Gleichgewicht herzustellen.
Die biologische Membran ist von Natur aus amphiphil und bildet eine innere hydrophobe und eine äußere hydrophile Schicht. Diese Struktur ermöglicht es Substanzen, durch passive Diffusion in die Zelle einzudringen oder sie zu verlassen. Wenn die transportierte Substanz eine Nettoladung besitzt, wird sie nicht nur durch den Konzentrationsgradienten, sondern auch durch den elektrochemischen Gradienten beeinflusst, der durch das Membranpotential verursacht wird. Obwohl nur eine kleine Anzahl von Molekülen durch Lipidmembranen diffundieren kann, sind die meisten Transportprozesse auf die Hilfe von Membrantransportproteinen angewiesen.
Grundlagen der Thermodynamik
Physiologische Prozesse müssen grundlegenden thermodynamischen Prinzipien gehorchen. Der Membrantransport folgt physikalischen Gesetzen, die seine biologische Funktion bestimmen. Ein wichtiges thermodynamisches Prinzip für den Massentransfer über biologische Membranen ist die Änderung der freien Energie.
Wenn C2 kleiner als C1 ist, ist ΔG negativ und die Reaktion tendiert dazu, spontan abzulaufen.
Das Gleichgewicht dieses Prozesses wird erreicht, wenn C1 gleich C2 und ΔG=0 ist. Es gibt drei weitere Situationen, in denen ein Makromolekül bevorzugt an eine Komponente binden oder seine chemischen Eigenschaften auf einer Seite der Membran ändern kann, was dazu führen würde, dass ein Gradient für den Transport fehlt, obwohl die Konzentration des gelösten Stoffes auf beiden Seiten unterschiedlich bleibt . Das in der Membran vorhandene Potenzial kann die Verteilung der Ionen zusätzlich beeinflussen.
Transportarten
Passive Diffusion und aktive DiffusionPassive Diffusion ist ein spontanes Phänomen, das die Entropie eines Systems erhöht und seine freie Energie verringert. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses hängt von den Eigenschaften der transportierten Substanz und den Eigenschaften der Lipiddoppelschicht ab. Im Gegensatz dazu ist aktive Diffusion der Transport von gelösten Stoffen gegen einen Konzentrations- oder elektrochemischen Gradienten, ein Prozess, der Energie verbraucht, normalerweise ATP. Durch die Existenz dieses Transportmittels können Zellen die Stabilität ihrer inneren Umgebung kontrollieren und den normalen Ablauf der Lebensvorgänge aufrechterhalten.
Sekundäre aktive Transportproteine
Sekundär aktive Transportproteine teilen Energie mit Ionen und tun dies, indem sie zwei Substanzen gleichzeitig transportieren. Nach der Transportrichtung dieser beiden Stoffe lassen sich Transportproteine in Reverse-Transportproteine und Co-Transportproteine, die jeweils einen Stoff in die entgegengesetzte Richtung transportieren, unterteilen.
Pumpenbetrieb
Eine Pumpe ist ein Protein, das bestimmte gelöste Stoffe durch Hydrolyse von ATP transportiert. Die durch diesen Prozess erzeugten elektrochemischen Gradienten sind für die Beurteilung des Zellstatus von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise ist die Natrium-Kalium-Pumpe eine der wichtigen Pumpen in Zellen. Es funktioniert ungefähr so: Drei Natriumionen binden an die Aktivierungsstelle der Pumpe, woraufhin ATP hydrolysiert wird, wodurch sich die Struktur der Pumpe verändert und Natriumionen außerhalb der Zelle freigesetzt werden, die sich wiederum an Kaliumionen binden und in die Zelle eindringen.
Membranselektivität
Die Selektivität biologischer Membranen ist ein Hauptmerkmal des Stofftransports und dieses Phänomen wurde ausführlich untersucht. Für die Elektrolytselektivität erleichtert der Innendurchmesser des Ionenkanals den Durchgang kleiner Ionen, während die Wechselwirkung zwischen Hydratisierung und innerer Ladung der Membran ein weiterer wichtiger Faktor ist. Ob es in geeigneter Weise mit dem Inneren der Membran interagieren kann bestimmt auch die Effizienz des Materialtransports.
Nichtelektrolyte diffundieren im Allgemeinen durch die Lipiddoppelschicht, anstatt sich darin aufzulösen.
Obwohl innerhalb der Zelle viele Transportmechanismen zusammenarbeiten, reichen daher die Selektivität der Membran und die Spezifität der Transportproteine aus, um eine effektive Anpassung der Zelle an die Umgebung zu erreichen. Die Entdeckung und Klassifizierung von Transportproteinen liefert wichtige Grundlagen für unser Verständnis, wie Zellen durch diese Mechanismen die Stabilität ihrer inneren Umgebung aufrechterhalten.
Sollten wir diese intrazellulären Transportmechanismen genauer erforschen und entdecken, um die Geheimnisse des Lebens besser zu verstehen?
