5.12: Sekundärer aktiver Transport

Ein Beispiel dafür, wie Zellen die in elektrochemischen Gradienten enthaltene Energie nutzen, ist der Transport von Glukose in die Zelle. Das für diesen Prozess notwendige Ion ist Natrium (Na⁺). Natrium-Ionen kommen typischerweise in höheren Konzentrationen außerhalb einer Zelle vor. Das zellinnere Zytosol enthält nur eine geringe Konzentration. Ein solcher Konzentrationsunterschied ist zum Teil auf die Wirkung einer „Enzympumpe” zurückzuführen, die in die Zellmembran eingebettet ist und aktiv Na⁺ aus der Zelle ausstößt. Wichtig ist, dass diese Pumpe zu der hohen Konzentration von positiv geladenem Na⁺ außerhalb einer Zelle beiträgt. Außerdem trägt sie dazu bei, dass die Umgebung außerhalb der Zelle „positiver“ geladen ist als das Zellinnere. Als Folge davon sind sowohl die chemischen als auch die elektrischen Gradienten von Na⁺ ins Innere der Zelle gerichtet, genauso wie der elektrochemische Gradient.

Natrium-Glukose-Cotransporter

So genannte Natrium-Glukose-Cotransporter (SGLTs) nutzen die in diesem elektrochemischen Gradienten gespeicherte Energie. Diese Proteine, die sich vor allem in den Membranen von Darm-oder Nierenzellen befinden, helfen bei der Aufnahme von Glukose aus dem Lumen dieser Organe in die Blutbahn. Um den Cotransporter zu aktivieren, müssen sowohl ein extrazelluläres Glukosemolekül als auch zwei Na⁺ an ein SGLT binden. Da Na⁺ durch den Transporter in eine Zelle wandert, bewegt es sich entlang seines elektrochemischen Gradienten und gibt Energie ab, die das Protein nutzt, um Glukose in die Zelle zu transportieren. Die Glukose wandert also gegen ihren chemischen Gradienten, da der Zucker innerhalb einer Zelle normalerweise in einer höheren Konzentration vorliegt. Infolgedessen bewegt sich die Glukose entgegen ihres Konzentrationsgradienten gleichzeitig mit Na⁺, das entlang seines elektrochemischen Gradienten wandert. Dies ist ein Beispiel für einen sekundären aktiven Transport. Dieser wird so genannt, weil die verwendete Energiequelle elektrochemischer Natur ist und nicht in Form von ATP bezogen wird.

Therapien, die auf SGLTs abzielen

Aufgrund der Rolle von Glukose bei bestimmten Krankheiten haben Wissenschaftler begonnen, nach Möglichkeiten zu suchen, den Glukosetransport in die Zellen zu stören. Zum Beispiel ist Diabetes durch einen Glukoseüberschuss im Blutkreislauf gekennzeichnet, der zu Nervenschäden und anderen Komplikationen führen kann. Daher untersuchen einige Forscher, wie sich die SGLT-Expression bei Diabetikern und Nicht-Diabetikern unterscheidet und ob die Hemmung verschiedener SGLTs zur Behandlung der Krankheit beitragen kann. Da Krebszellen nachweislich mehr Glukose benötigen als ihre normalen Gegenstücke, untersuchen andere Forscher, ob Glukose-Transporter ein neues Ziel für Krebstherapien sein können.

Obwohl primärer und sekundärer aktiver Transport beide auf Zellmembranproteinen beruhen, nutzt letzterer die in ionischen elektrochemischen Gradienten gespeicherte Energie, nicht ATP, um diese Proteine mit Energie zu versorgen und Moleküle wie Glukose gegen Gradienten in Zellen zu verlagern.  Ein Protein, das den sekundären aktiven Transport veranschaulicht, ist der Natrium-Glukose-Cotransporter 1.  Zunächst wird dieser Transporter so positioniert, dass die dem Zytoplasma zugewandte Seite geschlossen, das extrazelluläre Ende jedoch offen ist.

Dies setzt zwei negativ geladene Natriumbindungsseiten der Umgebung aus, die dann durch positiv geladene Natriumionen gebunden werden.  Da mehr Natriumionen den extrazellulären Raum als das Zytoplasma bevölkern und das Zellinnere im Vergleich zu seiner Umgebung negativer ist, bewegen sich die transportergebundenen Natriumionen entlang ihres elektrochemischen Gradienten.  Dadurch wird Energie freigesetzt, wodurch das Protein die Konformation ändert und seine Affinität für Glukose erhöht.

Außerhalb in geringer Konzentration, innerhalb der Zelle jedoch in hoher Konzentration vorhanden.  Ein Glukosemolekül bindet sich dann an den Transporter und diese gleichzeitige Bindung von Natrium und Zucker bewirkt, dass das Protein seine extrazelluläre Region schließt und die dem Zytoplasma zugewandte Seite öffnet.  Die Natriumionen lösen sich dann ab und treten in das Zytoplasma ein.

Dies verringert die Affinität des Proteins zu Glucose und der Zucker wird anschließend freigesetzt.  Es wird zusammen mit den Ionen in die Zelle transportiert, jedoch gegen den Konzentrationsgradienten.  Sobald der Transporter leer ist, kehrt er in seine ursprüngliche Ausrichtung zurück.