Stofftransport über Biomembranen - Diffusion & Osmose

Wie Du vielleicht schon weisst, produziert Dein Körper unzählige verschiedene Stoffe, die Du zum Überleben brauchst. Mit dem Herstellen und Umwandeln der richtigen Moleküle ist es aber noch nicht getan! Ebenso wichtig ist es, die Stoffe jetzt an die passenden Orte im Körper zu bringen. Grundlagen für diesen Stofftransport sind die Diffusion und die Osmose.

Diffusion

Gibst Du einen Löffel Salz in Wasser, löst es sich auf und verteilt sich gleichmässig auf die gesamte Flüssigkeit. Das Wasser schmeckt dann überall gleich salzig, egal an welcher Stelle Du etwas entnimmst. Doch warum ist das so? Moleküle befinden sich ständig in einer zufälligen, ungerichteten Bewegung, wodurch sich Konzentrationsunterschiede mit der Zeit ausgleichen. Dieser Prozess wird als Diffusion bezeichnet. Dabei gibt es immer einen Teilchenfluss von einem Gebiet hoher Konzentration in ein Gebiet niedriger Konzentration. 

Osmose

Stelle Dir jetzt zwei Kammern vor, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. In der einen Kammer befindet sich Wasser, in der anderen Salzwasser. Die Membran ist für Wasser durchlässig, für Salz allerdings nicht (semipermeabel). Da das Salz jetzt nicht in die andere Kammer diffundieren kann, passiert stattdessen das Gegenteil: Das System versucht durch Einströmen von Wasser in die salzhaltige Kammer die Konzentration auszugleichen. Dadurch erhöht sich der Druck in der salzhaltigen Kammer, bis das System deshalb in einem Gleichgewicht ist. Dieser Druckunterschied wird auch als osmotischer Druck bezeichnet.

Auswirkungen von Osmose auf Zellen

Osmose ist auch der Grund, warum Du Meerwasser nicht trinken kannst. Das Meerwasser ist wesentlich salzhaltiger als das in Deinem Körper, weshalb es Dir Flüssigkeit entziehen würde. Haben zwei Flüssigkeiten dieselbe Salzkonzentration, wird auch von isotonischen Lösungen gesprochen, ein Zustand, der für tierische Zellen lebensnotwendig ist. Pflanzenzellen sind hingegen in der Regel hypertonisch. Sie haben also eine höhere Salzkonzentration, als ihre Umgebung und nehmen daher Wasser auf. Wenn Du eine Pflanzenzelle in eine stark konzentrierte Salzlösung gibst, wird das Zellinnere hypotonisch. Dadurch löst sich die Zellmembran von der Zellwand und die Vakuole schrumpft, ein Vorgang, der als Plasmolyse bezeichnet wird. Den Umkehrvorgang ist die Deplasmolyse.

Transport durch Biomembranen

Durch die Evolution sind komplexe Systeme entstanden, um den Transport durch Biomembranen zu regulieren. Dabei wird grundsätzlich zwischen aktivem und passivem Transport unterschieden.

Passiver Transport 

Die einfachste Form des Transports durch eine Biomembran ist der passive Transport. Dabei strömen Stoffe durch Diffusion in die Zelle ein und es wird keine Energie benötigt. Kleinere Moleküle können dabei ungestört durch die Zellmembran diffundieren, grössere Moleküle brauchen dafür einen Kanal in der Form eines Membranproteins, was auch kanalvermittelte Diffusion heisst. Der Kanal lässt dabei selektiv die gewünschte Spezies durch. Er kann entweder dauerhaft geöffnet sein, oder durch elektrische Impulse reguliert werden. Neben den Kanalproteinen können auch sogenannte Carrier für den spezifischen Transport von Molekülen verantwortlich sein. Bindet ein zu transportierender Stoff an ein Carrierprotein, ändert es seine Konformation so, dass das Molekül auf die andere Seite der Membran gebracht wird (carriervermittelte Diffusion).

Aktiver Transport

Oft ist es notwendig, Stoffe auch gegen einen bestehenden Konzentrationsgradienten zu transportieren. Für diesen Prozess wird allerdings immer Energie benötigt. Im Gegensatz zum passiven Transport werden hier Proteine verwendet, die den Transport strukturell nur in eine Richtung zulassen. Dabei werden drei Gruppen von Transportproteinen unterschieden.

Endocytose und Exocytose

Ist ein Stoff zu gross für den Transport mit einem Membranprotein, kann er mit in einem Vesikel transportiert werden. Bei der Endocytose bildet sich eine Einstülpung in der Zellmembran, die sich dann um den Stoff schliesst und sich nach innen von der Zellmembran absondert. Bei der Exocytose verbindet sich ein Vesikel aus dem Inneren mit der Zellmembran und lässt so einen Inhalt nach aussen frei. Spezifische Aufnahme und Abgabe von Molekülen wird hier durch Rezeptoren gesteuert.