Aktiver Transport – Transport gegen das Konzentrationsgefälle

Zuvor wurde der Transport von Molekülen und Ionen durch Kanalproteine und Carrier betrachtet, bei denen der Transport immer entlang des Konzentrationsgefälles erfolgte. Einen solchen Transport ordnet man als passiv ein, denn die Moleküle diffundieren eigentlich von alleine und die Proteine ermöglichen lediglich den Durchtritt durch die Membran.

Das Leben einer Zelle erfordert es jedoch, dass Moleküle auch gegen ihr Konzentrationsgefälle transportiert werden. Nur so können Moleküle oder Ionen in der Zelle oder einem Kompartiment angereichert und gespeichert werden. Ein solcher Transport von der Seite mit niedrigerer Konzentration auf die Seite mit höherer Konzentration ist jedoch energetisch ungünstig und kann daher nicht spontan ablaufen: Es muss Energie aufgewendet werden. Daher ordnet man solche Transportprozesse als aktiv ein, denn die Zelle muss aktiv Energie bereitstellen, damit der Transport stattfinden kann.

Für diesen aktiven Transport gibt es spezielle Carrier-Proteine. Sie haben wie die passiven Carrier eine spezifische Bindungsstelle für Moleküle wie z.B. Glucose und funktionieren im Prinzip genau gleich, wenn sie Glucose-Moleküle entlang des Konzentrationsgefälles, also passiv transportieren. Für den Transport gegen das Konzentrationsgefälle benötigen sie jedoch zusätzlich Energie. Als universelle "Energiewährung" in Zellen dient für solche Zwecke das ATP.

Ohne hier in die Tiefe zu gehen: ATP ist ein energiereiches Molekül, das Energie auf andere Moleküle, wie z.B. Carrier, übertragen kann. Dadurch wird es selbst zum energiearmen ADP.

Überträgt nun also ATP seine Energie auf einen Carrier, der schon Glucose-Moleküle gebunden hat, so kann die notwendige Konformationsänderung erzwungen werden und der Transport gegen sein Konzentrationsgefälle erfolgt. Die folgende Simulation modelliert diesen Prozess.

Hinweis: Primär aktive Glucose-Carrier, wie die hier gezeigten, kommen in menschlichen Zellen tatsächlich nicht vor. In der Simulation dient Glucose als fortlaufende Modell-Substrat, um den Mechanismus des aktiven Transports zu veranschaulichen.

Aufgaben

1. Starte die Simulation. Beobachte den Transportzyklus: In welcher Reihenfolge binden Glucose und ATP an den Carrier? Was passiert mit dem ATP nach der Konformationsänderung?
2. Verfolge den Konzentrationsverlauf im Diagramm (Tab: Diagramm: Konzentration). Was geschieht mit dem Glucose-Gradienten im Zeitverlauf? Vergleiche mit dem passiven Carrier (vorherige Seite): Welcher Unterschied fällt auf?
3. Setze die Glucose-Startkonzentration auf 10 % (oben) und starte neu. Wird Glucose trotzdem von oben nach unten transportiert, obwohl dort kaum Glucose vorhanden ist? Erkläre, warum oder warum nicht.
4. Setze die Glucose-Startkonzentration auf 90 % (unten) und starte neu. Was ist nun anders als bei der Situation zuvor?
5. Setze die ATP-Konzentration auf 0 % und starte neu. Wie wirkt sich der ATP-Mangel, d.h. Energiemangel, auf den Transport aus? Warum?