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Die Zellbiologie · Die Zellmembran

Der Membrantransport

Nach dem Frühstück gelangen Zucker aus dem Darm in die Blutbahn, beim Atmen wandert Sauerstoff in die Zellen, und eine Nervenzelle hält Natrium- und Kalium-Ionen ständig ungleich verteilt. Jeder dieser Stoffe nimmt einen eigenen Weg durch die Zellmembran: Welcher Weg das ist, hängt von der Größe des Stoffes, von seiner Ladung und davon ab, ob er mit oder gegen sein Konzentrationsgefälle transportiert wird.

Einfache Diffusion: mit dem Gefälle

Gibt man einen Tropfen Tinte in ein ruhig stehendes Glas Wasser, verteilt sich der Farbstoff von selbst im ganzen Glas, ohne dass gerührt wird. Warum verteilen sich gelöste Teilchen immer im gesamten verfügbaren Raum, ohne dass dafür Energie aufgewendet wird?

Die Ursache ist die ungerichtete Eigenbewegung der Teilchen (Brown'sche Molekularbewegung). Sie stoßen ständig zusammen und ändern ihre Richtung. Dadurch wandern aus einem Bereich hoher Teilchenzahl zufällig mehr Teilchen in den Bereich niedriger Teilchenzahl als umgekehrt. Es entsteht ein Nettotransport entlang des Konzentrationsgefälles.

Einfache Diffusion: Teilchen wandern durch die Lipiddoppelschicht von der Seite hoher Konzentration zur Seite niedriger Konzentration. hohe Konzentration niedrige Konzentration Nettotransport Membran
Üben★☆☆Nicht begonnen
Unterscheiden Sie zwischen passivem und aktivem Transport durch die Membran. Geben Sie an, welcher von beiden ATP benötigt und in welche Richtung sich die Stoffe jeweils…

Unterscheiden Sie zwischen passivem und aktivem Transport durch die Membran. Geben Sie an, welcher von beiden ATP benötigt und in welche Richtung sich die Stoffe jeweils bewegen.

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Üben★☆☆Nicht begonnen
Was ist einfache Diffusion? Nennen Sie zwei Beispiele für Stoffe, die auf diese Weise in Zellen hinein- oder aus ihnen herausgelangen, und erklären Sie, welche…

Was ist einfache Diffusion? Nennen Sie zwei Beispiele für Stoffe, die auf diese Weise in Zellen hinein- oder aus ihnen herausgelangen, und erklären Sie, welche gemeinsamen Eigenschaften sie haben.

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Erleichterte Diffusion: mit Hilfe von Proteinen

Größere oder polare Teilchen wie Glucose oder Ionen kommen durch die Lipiddoppelschicht nicht hindurch. Sie benötigen spezielle Membranproteine.

Erleichterte Diffusion von Glucose: Ein Carrierprotein in der Lipiddoppelschicht ändert seine Form und transportiert Glucose von außen, wo sie höher konzentriert ist, ins Cytoplasma, ohne ATP. Außenraum Lipid-doppelschicht Formänderung des Carriers Cytoplasma Glucose hoch Glucose niedrig Passiver Transport: kein ATP
Üben★★☆Nicht begonnen
Glucose gelangt in die meisten Zellen durch erleichterte Diffusion. Erklären Sie, worin dieser Mechanismus besteht, welche Proteine beteiligt sind und wodurch er sich…

Glucose gelangt in die meisten Zellen durch erleichterte Diffusion. Erklären Sie, worin dieser Mechanismus besteht, welche Proteine beteiligt sind und wodurch er sich von der einfachen Diffusion unterscheidet.

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Aktiver Transport: die Natrium-Kalium-Pumpe

In einer Nervenzelle ist die Kalium-Konzentration innen etwa 30-mal so hoch wie außen, die Natrium-Konzentration dagegen außen etwa 10-mal so hoch wie innen. Wie hält die Zelle dieses Ungleichgewicht aufrecht, obwohl sich Konzentrationen von selbst ausgleichen würden?

Das bekannteste Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe ($\text{Na}^+/\text{K}^+$-ATPase). Die ATP-Spaltung ist dabei der energetische Kopplungsschritt des ATP-ADP-Systems: Die frei werdende Energie treibt den Transport an, das entstehende ADP und $\text{P}_\text{i}$ werden in der Zellatmung wieder zu ATP aufgebaut. Die Pumpe arbeitet in Zyklen:

Natrium-Kalium-Pumpe: Pro Zyklus werden unter ATP-Spaltung drei Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und zwei Kalium-Ionen in die Zelle hinein transportiert. außen innen 3 Na⁺ (innen) 2 K⁺ (außen) ATP → ADP + Pᵢ
  1. Die Pumpe bindet drei $\text{Na}^+$-Ionen aus dem Zellinneren und wird durch ATP-Spaltung phosphoryliert.

  2. Dadurch ändert sie ihre Raumstruktur und gibt die $\text{Na}^+$-Ionen nach außen ab.

  3. Nun bindet sie zwei $\text{K}^+$-Ionen von außen, das Phosphat löst sich, die Pumpe nimmt ihre Ausgangsform wieder an und gibt die $\text{K}^+$-Ionen nach innen ab.

Üben★★☆Nicht begonnen
Betrachten Sie das Schema der Natrium-Kalium-Pumpe. Geben Sie an, welches Ion den Teilchen A und welches den Teilchen B entspricht, erklären Sie, warum dieser…

Betrachten Sie das Schema der Natrium-Kalium-Pumpe. Geben Sie an, welches Ion den Teilchen A und welches den Teilchen B entspricht, erklären Sie, warum dieser Mechanismus als aktiver Transport gilt, und welche Folge der ungleiche Ionenaustausch für die elektrische Ladung der Membran hat.

außen innen A B ATP → ADP + P
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Üben★★★Nicht begonnen
In einem hydroponischen Medium wird die Aufnahme von $\text{K}^+$ in den Wurzeln von Gerstenkeimlingen untersucht. Wird der Kultur Dinitrophenol (DNP) zugesetzt, eine…

In einem hydroponischen Medium wird die Aufnahme von $\text{K}^+$ in den Wurzeln von Gerstenkeimlingen untersucht. Wird der Kultur Dinitrophenol (DNP) zugesetzt, eine Substanz, die die mitochondriale ATP-Synthese entkoppelt, ohne den Verbrauch von $\text{O}_2$ zu hemmen, kommt die Aufnahme von $\text{K}^+$ sofort zum Erliegen und das Ion tritt langsam aus der Wurzel aus, sodass das angereicherte $\text{K}^+$ allmählich verloren geht. Interpretieren Sie diese Daten, indem Sie den an der Aufnahme von $\text{K}^+$ beteiligten Transportmechanismus ableiten, begründen Sie, warum die Blockade der ATP-Bildung zum Abbau des aufgebauten elektrochemischen Gradienten führt, und sagen Sie voraus, was mit der Aufnahme geschähe, wenn man ohne DNP die Temperatur auf $0\ \text{°C}$ senkte.

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Sekundär aktiver Transport

Für Ionen zählt der elektrochemische Gradient, also Konzentrationsunterschied und elektrische Spannung zusammen. Eine Pumpe wie die Natrium-Kalium-Pumpe nutzt ATP direkt und baut so ein Natrium-Gefälle auf. Dieses gespeicherte Gefälle kann ein zweites Transportprotein antreiben.

Sekundär aktiver Transport: Die Natrium-Kalium-Pumpe baut mit ATP ein Natriumgefälle auf, das einen Cotransporter antreibt, der Na⁺ mit dem Gefälle und Glucose gegen ihr Gefälle in die Zelle befördert. Primär aktiv Sekundär aktiv außen: Na⁺ hoch, Glucose niedrig Na⁺/K⁺-Pumpe ATP → ADP + Pᵢ Na⁺-Glucose-Cotransporter Na⁺ Glucose innen: Na⁺ niedrig, Glucose hoch Na⁺-Gefälle (durch ATP aufgebaut) treibt die Glucoseaufnahme an
Üben★★★Nicht begonnen
Ouabain ist ein Wirkstoff, der die $\text{Na}^+/\text{K}^+$-Pumpe hemmt. Sagen Sie voraus, was mittelfristig mit dem Natriumgradienten der Zelle und mit dem gekoppelten…

Ouabain ist ein Wirkstoff, der die $\text{Na}^+/\text{K}^+$-Pumpe hemmt. Sagen Sie voraus, was mittelfristig mit dem Natriumgradienten der Zelle und mit dem gekoppelten Glucosetransport geschieht, der diesen Gradienten im Darm nutzt, und begründen Sie Ihre Antwort.

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Transport in Vesikeln: Endo- und Exocytose

Große Teilchen wie Proteine, Bakterien oder Viren passen durch kein Kanal- oder Carrierprotein. Die Zelle nimmt sie auf oder gibt sie ab, indem sie sie in Membranbläschen (Vesikel) einschließt.

Drei Formen der Endocytose: Phagocytose eines Partikels, Pinocytose von Flüssigkeit und rezeptorvermittelte Endocytose eines Liganden. außen innen Phagocytose Pinocytose rezeptorvermittelt
Üben★☆☆Nicht begonnen
Erklären Sie, was Endozytose und Exozytose sind, und nennen Sie für jeden dieser Vorgänge ein konkretes biologisches Beispiel.

Erklären Sie, was Endozytose und Exozytose sind, und nennen Sie für jeden dieser Vorgänge ein konkretes biologisches Beispiel.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Ein weißes Blutkörperchen umschließt ein Bakterium, um es zu zerstören. Welche Art der Endozytose führt es durch und wie heißt das entstehende Vesikel? Beschreiben Sie…

Ein weißes Blutkörperchen umschließt ein Bakterium, um es zu zerstören. Welche Art der Endozytose führt es durch und wie heißt das entstehende Vesikel? Beschreiben Sie den Vorgang kurz.

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Üben★★★Nicht begonnen
Ein Patient leidet an einer Form der familiären Hypercholesterinämie, die auf einer Mutation im Gen des LDL-Rezeptors beruht. Der mutierte Rezeptor wird synthetisiert…

Ein Patient leidet an einer Form der familiären Hypercholesterinämie, die auf einer Mutation im Gen des LDL-Rezeptors beruht. Der mutierte Rezeptor wird synthetisiert und in die Zellmembran eingebaut, wo er zirkulierendes LDL normal binden kann, aber ihm fehlt der cytosolische Schwanz, der mit Adaptin und Clathrin interagiert. Folglich gelangt Cholesterin nicht in die Zellen und reichert sich im Blut an, obwohl die Pinozytose extrazellulärer gelöster Stoffe intakt bleibt. Begründen Sie, welche Art des Vesikeltransports blockiert ist und warum die Zelle den Liganden nicht aufnehmen kann, und beurteilen Sie begründet, ob eine ausgleichende Steigerung der Pinozytose diesen Mangel wirksam beheben könnte.

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Zusammenfassend gilt: Ob ein Stoff passiv oder aktiv, über Proteine oder in Vesikeln transportiert wird, hängt von Größe, Ladung und Richtung des Transports relativ zum Konzentrationsgefälle ab.

Auf einen Blick

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