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5.12: Sekundärer aktiver Transport
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Secondary Active Transport
 
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5.12: Secondary Active Transport

5.12: Sekundärer aktiver Transport

One example of how cells use the energy contained in electrochemical gradients is demonstrated by glucose transport into cells. The ion vital to this process is sodium (Na+), which is typically present in higher concentrations extracellularly than in the cytosol. Such a concentration difference is due, in part, to the action of an enzyme “pump” embedded in the cellular membrane that actively expels Na+ from a cell. Importantly, as this pump contributes to the high concentration of positively-charged Na+ outside a cell, it also helps to make this environment “more positive” than the intracellular region. As a result, both the chemical and electrical gradients of Na+ point towards the inside of a cell, and the electrochemical gradient is similarly directed inwards.

Sodium-glucose Cotransporters

Sodium-glucose cotransporters (SGLTs) exploit the energy stored in this electrochemical gradient. These proteins, primarily located in the membranes of intestinal or kidney cells, help in the absorption of glucose from the lumen of these organs into the bloodstream. In order to function, both an extracellular glucose molecule and two Na+ must bind to the SGLT. As Na+ migrates into a cell through the transporter, it travels with its electrochemical gradient, expelling energy that the protein uses to move glucose inside a cell—against its chemical gradient, since this sugar tends to be at a higher concentration within a cell. As a result, glucose travels uphill against its concentration gradient simultaneously with Na+ that travels down its electrochemical gradient. This is an example of secondary active transport, so-named because the energy source used is electrochemical in nature, rather than the primary form of ATP.

Therapies Targeting SGLTs

Given the role of glucose in certain diseases, scientists have begun to look at ways of interfering with glucose transport into cells. For example, diabetes is characterized by excess glucose in the bloodstream, which can lead to nerve damage and other complications. As a result, some researchers are assessing how SGLT expression differs between diabetics and non-diabetics, and whether inhibiting different SGLTs can help treat the disease. Alternatively, since cancer cells have been demonstrated to require more glucose compared to their normal counterparts, other investigators are examining whether glucose transporters can be a new target of anti-cancer therapies.

Ein Beispiel dafür, wie Zellen die in elektrochemischen Gradienten enthaltene Energie nutzen, ist der Transport von Glucose in die Zelle. Das für diesen Prozess essenzielle Ion ist Natrium (Na+). Natriumionen kommen typischerweise in höheren Konzentrationen außerhalb einer Zelle vor. Das zellinnere Cytosol 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 zeigen sowohl die chemischen als auch die elektrischen Gradienten von Na+ ins Innere der Zelle. Der elektrochemische Gradient ist also nach innen gerichtet.

Natrium-Glucose-Cotransporter

So genannte Natrium-Glucose-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 Glucose aus dem Lumen dieser Organe in die Blutbahn. Um zu funktionieren, müssen sowohl ein extrazelluläres Glucosemolekül als auch zwei Na+ an ein SGLT binden. Da Na+ durch den Transporteur in eine Zelle wandert, reist es mit seinem elektrochemischen Gradienten und stößt Energie aus, die das Protein nutzt, um Glucose in eine Zelle zu bewegen. Diese Glucose wandert also gegen ihren chemischen Gradienten, da dieser Zucker innerhalb einer Zelle tendenziell in einer höheren Konzentration vorliegt. Infolgedessen bewegt sich die Glucosekonzentration gegen ihren eigentlichen Konzentrationsgradienten gleichzeitig mit Na+, das seinen elektrochemischen Gradienten nach unten wandert, nach oben. 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 Glucose bei bestimmten Krankheiten haben Wissenschaftler begonnen, nach Möglichkeiten zu suchen, den Glucosetransport in die Zellen zu stören. Zum Beispiel ist Diabetes durch einen Glucoseüberschuss 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 Glucose benötigen als ihre normalen Gegenstücke, untersuchen andere Forscher, ob Glucose-Transporter ein neues Ziel für Krebstherapien sein können.

Aufgrund der Aktivität des primären aktiven Transports der Pumpe kommt es zu einem Ungleichgewicht bei der Verteilung der Ionen über die Membran. Es gibt mehr Kalium-Ionen innerhalb der Zelle und mehr Natrium-Ionen außerhalb der Zelle. Daher ist das Innere der Zellen am Ende relativ betrachtet negativer geladen als das Zelläußere. Als Folge dieses Ungleichgewichts entsteht ein elektrochemischer Gradient. Die Kraft aus dem elektrochemischen Gradienten treibt dann die Reaktionen des sekundären aktiven Transports an. Der sekundäre aktive Transport, der auch als Co-Transport bezeichnet wird, tritt auf, wenn eine Substanz aufgrund des elektrochemischen Gradienten, der durch den primären aktiven Transport erzeugt wird, über eine Membran transportiert wird. Für diesen Prozess wird kein zusätzliches ATP benötigt.


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