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5.10: Erleichterter Transport
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Facilitated Transport
 
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5.10: Facilitated Transport

5.10: Erleichterter Transport

The chemical and physical properties of plasma membranes cause them to be selectively permeable. Since plasma membranes have both hydrophobic and hydrophilic regions, substances need to be able to transverse both regions. The hydrophobic area of membranes repel substances such as charged ions. Therefore, such substances need special membrane proteins to cross a membrane successfully. In the process of facilitated transport, also known as facilitated diffusion, molecules and ions travel across a membrane via two types of membrane transport proteins: channels and carrier proteins. These membrane transport proteins enable diffusion without requiring additional energy.

Channel Proteins

Channel proteins form a hydrophilic pore through which charged molecules can pass through, thus avoiding the hydrophobic layer of the membrane. Channel proteins are specific for a given substance. For example, aquaporins are channel proteins that specifically facilitate the transport of water through the plasma membrane.

Channel proteins are either always open or gated by some mechanism to control flow. Gated channels remain closed until a particular ion or substance binds to the channel, or some other mechanism occurs. Gated channels are found in the membranes of cells such as muscle cells and nerve cells. Muscle contractions occur when the relative concentrations of ions on the interior and exterior sides of a membrane change due to the controlled closing or opening of channel gates. Without a regulated barrier, muscle contraction would not occur efficiently.

Carrier Proteins

Carrier proteins bind to a specific substance causing a conformational change in the protein. The conformational change enables movement down the substance’s concentration gradient. For this reason, the rate of transport is not dependent on the concentration gradient, but rather on the number of carrier proteins available. Although it is known that proteins change shape when their hydrogen bonds are destabilized, the complete mechanism by which carrier proteins change their conformation is not well understood.

Diffusion Rates

Even though more involved than simple diffusion, facilitated transport enables diffusion to occur at incredible rates. Channel proteins move tens of millions of molecules a second, and carrier proteins move a thousand to a million molecules a second.

Plasmamembranen sind aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften selektiv permeabel. Da Plasmamembranen sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche haben, müssen Substanzen in der Lage sein, beide Bereiche zu durchqueren. Der hydrophobe Bereich der Membranen stößt Substanzen wie z.B. geladene Ionen ab. Daher benötigen solche Substanzen spezielle Membranproteine, um die Membran erfolgreich durchqueren zu können. Bei dem Prozess des erleichterten Transports, der auch als erleichterte Diffusion bezeichnet wird, passieren Moleküle und Ionen eine Membran über zwei Arten von Membrantransportproteinen: Kanäle und Trägerproteine. Diese Membrantransportproteine ermöglichen eine Diffusion ohne zusätzlichen Energiebedarf.

Kanalproteine

Bei Kanalproteinen handelt es sich um hydrophile Poren, durch die geladene Moleküle hindurchtreten können. So meiden sie die hydrophobe Schicht der Membran und können diffundieren. Kanalproteine sind für eine bestimmte Substanz spezifisch. So sind beispielsweise Aquaporine (AQP) Kanalproteine, die gezielt den Transport von Wasser durch die Plasmamembran ermöglichen.

Kanalproteine sind entweder immer offen oder werden durch einen Mechanismus zur Kontrolle des Durchflusses gesteuert. Geschlossene Kanäle bleiben so lange geschlossen, bis ein bestimmtes Ion oder eine bestimmte Substanz an den Kanal bindet oder ein anderer Mechanismus aktiviert wird. Geschlossene Kanäle befinden sich beispielsweise in Zellmembranen von Muskel- oder Nervenzellen. Muskelkontraktionen treten auf, wenn sich die relativen Konzentrationen von Ionen auf der Innen-und Außenseite einer Membran durch das kontrollierte Schließen oder Öffnen von Kanälen verändern. Ohne eine geregelte Barriere könnte eine Muskelkontraktion nicht effizient ablaufen.

Trägerproteine

Die Trägerproteine binden an eine bestimmte Substanz und bewirken eine Strukturänderung des Proteins. Die Änderung der Form ermöglicht eine Bewegung nach unten durch den Konzentrationsgradienten der Substanz. Aus diesem Grund ist die Transportgeschwindigkeit nicht vom Konzentrationsgradienten, sondern von der Anzahl der verfügbaren Trägerproteine abhängig. Wenn die Wasserstoffbrückenbindungen von Proteinen destabilisiert werden, verändern diese zum Beispiel ihre Form. Der komplette Mechanismus durch den Trägerproteine ihre Form verändern ist allerdings noch nicht vollständig verstanden.

Diffusionsraten

Selbst bei einer einfachen Diffusion ermöglicht der erleichterte Transport eine Diffusion mit unglaublichen Geschwindigkeiten. Kanalproteine bewegen zehn Millionen Moleküle pro Sekunde und Trägerproteine bewegen tausend bis eine Million Moleküle pro Sekunde.


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