Kanalproteine – erleichterter Transport durch die Membran
Wie auf der Seite zur Membranpermeabilität deutlich wird, können größere polare Moleküle wie Glucose (C₆H₁₂O₆) und geladene Ionen wie Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺) oder Chlorid (Cl⁻) die hydrophobe Barriere der Phospholipid-Doppelschicht kaum überwinden. Dennoch sind Zellen auf den kontrollierten Austausch dieser Stoffe dringend angewiesen:
- Glucose ist z.B.. der zentrale Energieträger für die Zellatmung und muss von außen in die Zelle aufgenommen werden.
- Ionen wie Na⁺ und K⁺ sind unentbehrlich für die Erzeugung elektrischer Signale von Nervenzellen und für Regulation des Wasserhaushaltes.
- Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen und müssen ebenfalls in die Zelle gelangen.
Die Lösung bieten Membranproteine. Von ihnen gibt es verschiedene Kategorien. Als erstes sollten Kanalproteine betrachtet werden: Dieses sind integrale Membranproteine, die die Phospholipid-Doppelschicht vollständig durchspannen und einen hydrophilen Kanal (eine „Pore“) durch die hydrophobe Bereiche der Membran bilden. Polare Moleküle und Ionen können diesen Tunnel durchdringen, ohne jemals mit den hydrophoben Membranbereichen in Kontakt zu kommen.
Selektivität der Kanäle
Kanalproteine sind keine offenen Poren für beliebige Moleküle oder Ionen. Jeder Kanal ist hochspezifisch für bestimmte Molekül-Typen – man spricht von selektiver Permeabilität. Die Selektivität entsteht durch:
- Den Porendurchmesser (Engstelle im Kanal): Nur Teilchen, die geometrisch passen, kommen durch.
- Polare und geladene Aminosäuren als Bausteine der Kanalinnenwand, die zum Innenbereich der Pore führen und bestimmte Ionen oder Moleküle anziehen oder abstoßen.
Aufgaben
- Starte die Simulation. Beobachte das Verhalten der beiden Molekültypen: Glucose-Moleküle (graue Sechsecke) und Na⁺-Ionen (orange). An welchen Stellen treten sie besonders häufig durch die Membran? Warum gerade dort?
- Untersuche die Selektivität der Kanäle: Welche Moleküle können durch die Kanäle hindurchtreten, welche nicht? Wie erklärt sich diese Selektivität hier?
- Vergleiche den Membrandurchtritt mit und ohne Kanalproteine: Deaktiviere die Kanalproteine über die Checkbox ‘Kanalproteine aktiv’ und beobachte den Unterschied. Was lässt sich darüber schlussfolgern, welche Funktion die Kanalproteine übernehmen?
- Vergleiche die Balken für das Konzentrationsgefälle rechts neben der Simulation: Welche Unterschiede ergeben sich über längere Zeit?
- Verändere die Startkonzentration über die Schieberegler. In welche Richtung bewegen sich die Teilchen durch den Kanal? Gibt es eine bevorzugte Richtung, und wie lässt sich diese erklären?