Stofftransport PDF

# 1.4 Stofftransport Durch den Blutstrom werden die Körperzellen täglich mit lebenswichtigen Substanzen wie Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, gleichzeitig geben die Zellen Stoffwechselendprodukte wie Kohlendioxid ab. Die gesamten Austauschprozesse finden an den kleinsten Blutgefäßen, den Kapilla...

# 1.4 Stofftransport Durch den Blutstrom werden die Körperzellen täglich mit lebenswichtigen Substanzen wie Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, gleichzeitig geben die Zellen Stoffwechselendprodukte wie Kohlendioxid ab. Die gesamten Austauschprozesse finden an den kleinsten Blutgefäßen, den Kapillaren, statt. Sowohl die Stoffe aus dem Blutplasma als auch freigesetzte zelluläre Stoffe müssen den Zwischenzellraum (Interstitium) überwinden (vgl. 5.2.2). Die Aufnahme der Stoffe an der Zelle erfolgt auf unterschiedliche Weise. Man unterscheidet: - passive Transportprozesse - aktive Transportprozesse - Bläschentransport ## 1.4.1 Passive Transportprozesse Diffusion, erleichterte Diffusion, Osmose und Filtration werden zu den passiven Transportvorgängen gezählt, ihnen gemeinsam ist, dass sie ohne Energieverbrauch stattfinden. ### Diffusion Unter Diffusion versteht man einen Konzentrationsausgleich, bei dem die Teilchen vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration wandern. Fügt man einer Tasse Kaffee einen Teelöffel Zucker hinzu und rührt diesen nicht um, wird sich der Zucker im Kaffee nach einiger Zeit allein auf Grund der Diffusion gleichmäßig verteilt haben. Die treibende Kraft hinter diesem Prozess ist die Brownsche Molekularbewegung. Sie beschreibt, wie sich jedes Teilchen innerhalb von Flüssigkeiten ständig bewegt, mit anderen Teilchen kollidiert und aufgrund dieser ungeordneten Bewegung allmählich entlang des Konzentrationsgefälles zum Ort niedriger Konzentration wandert. Im Körper gibt es zahlreiche Beispiele für Diffusion, etwa den Gasaustausch in den Lungenbläschen. Die Sauerstoffmoleküle diffundieren aus den Lungenbläschen in die Blutkapillaren und führen zur Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff. Im Gegenzug diffundiert Kohlendioxid aus den Blutkapillaren in die Lungenbläschen und wird bei der Ausatmung abgeatmet (vgl. 6.5). Die Stoffmenge, die pro Zeiteinheit transportiert wird, ist proportional zur Diffusionsfläche sowie zur Konzentrationsdifferenz und umgekehrt proportional zur Diffusionsstrecke. Das bedeutet: je größer die Fläche und je höher der Konzentrationsunterschied, desto mehr Teilchen können pro Zeiteinheit diffundieren, aber je länger die Diffusionsstrecke ist, desto weniger Teilchen können pro Zeiteinheit diffundieren. ### Erleichterte Diffusion Bei der erleichterten Diffusion liegt ebenfalls ein Konzentrationsausgleich vor, auch hier wandern die Teilchen entlang des Konzentrationsgefälles vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration. Allerdings findet dieser Konzentrationsausgleich mit Hilfe von Ionenkanal- oder Transportproteinen statt, da die diffundierenden Stoffe geladen oder zu groß sind, um die Zellmembran selbstständig passieren zu können. Häufig werden Elektrolyte, also geladene Ionen wie Na+,Ca2+ oder K+-Ionen, und polare Moleküle wie Glucose oder Aminosäuren auf diesem Weg transportiert. Die erleichterte Diffusion ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ohne Energieverbrauch verläuft und dass eine Sättigung beobachtet werden kann. Sättigung bedeutet, dass der Teilchenkonzentration eine begrenzte Anzahl an Transportsystemen gegenübersteht, deshalb können nur so viele Teilchen transportiert werden, wie Transportsysteme vorhanden sind. Sollten mehr Teilchen vorliegen, dann ist ein Transport in die Zelle auf diesem Weg nicht mehr möglich. #### Ionenkanäle Ionenkanäle ermöglichen die Diffusion von Ionen. Sie nutzen dabei nicht nur den Konzentrationsunterschied (chemischer Gradient), sondern auch elektrochemische Potenzialdifferenzen (elektrische Triebkraft, elektrischer Gradient). Ist die Membran beispielsweise durch einen Teilchenüberschuss außen positiv geladen, veranlasst dies negativ geladene Ionen nach außen zu wandern. Ionenkanäle sind spezifisch für die jeweiligen Ionen angelegt, es lassen sich z. B. Natrium-, Kalium- und Calciumkanäle unterscheiden, die aktiv geöffnet bzw. geschlossen werden können. An der postsynaptischen Membran von Nervenzellen beispielsweise erfolgt die Öffnung des Ionenkanals durch die Bindung eines Neurotransmitters. Das Öffnen der Ionenkanäle kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Man unterscheidet: - Ligandengesteuerte Ionenkanäle - Spannungsgesteuerte Ionenkanäle #### Transport- oder Carrierproteine Mit Hilfe von Carrierproteinen können auch Moleküle wie Glucose in die Zelle aufgenommen werden. Carrierproteine sind spezifisch für die Substanz, die sie transportieren. Da sie im Gegensatz zu den Ionenkanälen während des Transports ihre Konformation (räumliche Struktur) verändern, läuft der Molekültransport gegenüber Ionenkanälen langsamer. Transportiert werden die meist ungeladenen Moleküle über den Konzentrationsunterschied, also den chemischen Gradienten. Carrier lassen sich hinsichtlich der Anzahl der transportierten Substanzen in unterschiedliche Typen einteilen: - Uniporter - Symporter - Antiporter ### Osmose Im Gegensatz zur Diffusion, bei der eine Wanderung der gelösten Teilchen stattfindet, beobachtet man bei der Osmose eine Wanderungsbewegung der Lösungsmittelteilchen. Im menschlichen Körper sind diese Lösungsmittelteilchen immer Wassermoleküle. Die Ursache für den Lösungsmitteltransport ist die Trennung zweier Substanzen durch eine semipermeable Membran, die durchlässig für Wasser ist, aber undurchlässig für Ionen oder geladene und ungeladene Moleküle. Liegt auf beiden Seiten einer solchen Membran eine unterschiedliche Konzentration an osmotisch wirksamen Teilchen (z. B. Ionen) vor, fließt das Wasser immer zu der Seite mit der höheren osmotisch aktiven Teilchenkonzentration. Das Volumen auf dieser Seite steigt, und damit auch der der Druck der Wassersäule (hydrostatischer Druck), der der Wanderungsbewegung der Lösungsmittelteilchen entgegenwirkt. Die osmotisch wirksamen Teilchen selbst ändern ihren Ort nicht. Nach einer gewissen Zeit ist ein Gleichgewichtszustand erreicht, das bedeutet, dass pro Zeiteinheit genauso viele Wassermoleküle ein- wie ausströmen. In diesem Gleichgewicht entspricht der hydrostatische Druck dem sogenannten osmotischen Druck. Dieser hängt nur von der Anzahl der osmotisch wirksamen Teilchen (z. B. Ionen) ab, nicht von ihrer Gestalt. Eine hohe Anzahl an osmotisch wirksamen Teilchen erzeugt einen hohen osmotischen Druck und umgekehrt. #### Osmolarität Möchte man die Konzentration eines Stoffes angeben, verwendet man die Größe der Stoffmenge mit der Einheit mol/l, wobei ein Mol 6 x 1023 Teilchen entspricht. Die Osmolarität gibt die Konzentration der osmotisch aktiven Teilchen in osmol/l an. Enthalten Flüssigkeiten wie das Blutplasma mehrere osmotisch unterschiedlich aktive Teilchen, so wird bei Angabe der Osmolarität die Gesamtkonzentration aller osmotisch wirksamen Teilchen angegeben. Blutplasma besitzt eine Osmolarität von 0,3 osmol/l, das entspricht einer 0,9%igen NaCl-Lösung. Alle Lösungen, die die gleiche Osmolarität wie das Blutplasma aufweisen, werden als isotone Lösungen definiert. Lösungen, deren Osmolarität höher ist als die des Blutplasmas, werden als hypertone Lösungen bezeichnet, während bei einer niedrigeren Osmolarität eine hypotone Lösung vorliegt. #### Plasmaosmolarität Um Flüssigkeitsverschiebungen innerhalb des Extra- und Intrazellularraumes zu vermeiden, muss die Plasmaosmolarität konstant gehalten werden. Die dramatischen Auswirkungen einer falsch regulierten Plasmaosmolarität lassen sich gut an der Form der roten Blutkörperchen (Erythrozyten) beobachten. In isotoner Lösung gleichen rote Blutkörperchen eingedellten Scheiben. Erhöht sich die Osmolarität des Blutplasmas, tritt Wasser aus den roten Blutkörperchen ins Blutplasma über und gibt den schrumpfenden Erythrozyten ein stechapfelförmiges Aussehen. In hypotonen Blutplasma-konzentrationen dagegen nehmen rote Blutkörperchen eine Kugelform an, weil es zum Einstrom von Wasser aus dem Blut kommt - im schlimmsten Fall kann dies das Platzen der Erythrozyten bewirken. Die Funktionsfähigkeit der Erythrozyten wird jedoch in beiden Fällen stark beeinträchtigt und ihr Abbau gefördert. #### Kolloidosmotischer Druck Neben Ionen und kleinen Molekülen befinden sich im Blutplasma auch Proteine, die in früheren Zeiten als Kolloide bezeichnet wurden. Proteine können aufgrund ihrer Ladung und Größe die Kapillare nicht verlassen und wirken selbst wie osmotisch aktive Teilchen. Der von ihnen erzeugte Lösungsmitteleinstrom wird als kolloidosmotischer Druck bezeichnet (vgl. 5.2.2). ### Filtration Beim Vorgang der Filtration wird Flüssigkeit aufgrund einer hydrostatischen Druckdifferenz durch Poren von Zellen oder Zwischenzellräumen gepresst. Meist kommt es nicht nur zur Filtration von Wasser, sondern auch von im Wasser gelösten kleineren Stoffen. Wie hoch die Filtrationsmenge ist und welche Stoffe filtriert werden, hängt von der hydrostatischen Druckdifferenz und der Porengröße ab. Filtration findet täglich an vielen Stellen im Körper statt, so z. B. in den Kapillaren und im Nierenkörperchen des Nephrons (vgl. 8.1.2). # 1.4.2 Aktiver Transport Stoffe, die gegen ein Konzentrationsgefälle oder einen elektrischen Gradienten über die Zellmembran transportiert werden sollen, sind auf spezifische Transportsysteme angewiesen. Nur energieverbrauchende Pumpen können einen Stofftransport gegen das Konzentrationsgefälle bzw. den elektrischen Gradienten gewährleisten. Diese „Pumpen" sind durch folgende Eigenschaften charakterisiert: - Stoffspezifität - Sättigung - Hemmbarkeit - Energieverbrauch #### Na+/K+-Pumpe Die Verteilung der verschiedenen Ionen ist zwischen Intra- und Extrazellularraum unterschiedlich. So liegt die intrazelluläre Konzentration von K+-lonen deutlicher über der im Extrazellularraum. Für das Na+-lon verhält es sich umgekehrt, hier ist die intrazelluläre Konzentration niedriger als die extrazelluläre Konzentration. Aufgrund von Diffusionsprozessen würde es so schnell zu einem Ausgleich der Konzentrationen kommen. Die Konzentrationsdifferenz von Na+- und K+-lonen ist aber beispielsweise eine Voraussetzung für die Entstehung eines Aktionspotenzials in den Nervenzellen und auch für viele andere Funktionen in der Zelle unverzichtbar. Die Na+/K+-Pumpe verhindert den Konzentrationsausgleich durch den stetigen Transport von 3 Na-lonen aus dem Intrazellularraum nach außen und den Transport von 2 K+-lonen aus dem Extrazellularraum in die Zelle (vgl. 9.1.2). ## 1.4.3 Bläschentransport ### Endozytose Neben Ionen, kleineren ungeladenen und geladenen Molekülen muss die Zelle auch in der Lage sein, größere Moleküle wie Proteine oder Zellbruchstücke aufzunehmen. Aufgrund der Größe dieser Partikel ist ein Transport durch die Membran ausgeschlossen. Die Aufnahme erfolgt daher durch Endozytose, indem sich die Zellmembran nach innen einstülpt und ein Bläschen (Vesikel), in dem der aufzunehmende Stoff enthalten ist, abschnürt. Das Vesikel wird in der Zelle weitergeleitet und verschmilzt häufig mit den Lysosomen, in denen die aufgenommen Stoffe abgebaut werden. ### Exozytose Im umgekehrten Prozess der Exozytose werden zelluläre Stoffe wie Hormone, Enzyme oder Proteine nach außen abgegeben (sezerniert). Dazu werden im Inneren der Zelle (meist am Golgi-Apparat) intrazelluläre Vesikel gebildet, die mit der Zellmembran verschmelzen und ihren Inhalt nach außen abgeben. Auf diesem Weg erfolgt die Neurotransmitterfreisetzung an den Synapsen oder auch die Freisetzung von Hormonen durch die Hormondrüsen. # 1.5 Zell-Zell-Kommunikation durch Signaltransduktion Für ein gut funktionierendes Zusammenspiel der Organsysteme ist es wichtig, dass Informationen zwischen den Zellen unterschiedlicher Organsysteme ausgetauscht werden können. Prinzipiell unterscheidet man drei Kommunikationswege: - Gap junctions - Neurotransmitter - Hormone Den Kommunikationssystemen von Nerven und Hormonen ist gemeinsam, dass sie zur Freisetzung von Substanzen führen, die durch Bindung an Rezeptoren spezifische Prozesse in der Zelle induzieren. Die Signalweitergabe ins Zellinnere wird als Signaltransduktion bezeichnet. ## 1.5.1 Bindung an einen intrazellulären Rezeptor Lipophile Stoffe binden an intrazelluläre Rezeptoren. Ein von außen kommendes lipophiles Hormon kann die Zellmembran passieren und an einen intrazellulären Rezeptor binden, der entweder im Zytoplasma oder im Zellkern lokalisiert ist. Nach Bindung des Hormons erfolgt eine Verlagerung des Hormon-Rezeptor-Komplexes an die Chromosomen im Zellkern, um dort die Transkriptionsrate (Ablesung der DNA in RNA) zu beeinflussen. Zu den lipophilen Hormonen zählt die Gruppe der Steroidhormone, zu denen die Sexualhormone Testosteron, Östrogen und Progesteron gehören (vgl. 7.1.1). ## 1.5.2 Bindung an einen zellmembranständigen Rezeptor Zellmembranständige Rezeptoren dienen der Bindung von hydrophilen Hormonen. Nach Bindung des Hormons, das man hier als first messenger bezeichnet, vermitteln die Rezeptoren das Signal über eine Signalkaskade von biochemischen Reaktionen in die Zelle. Dabei wird die Wirkung des Hormons über die Bildung eines Botenstoffes, eines sogenannten second messengers, vermittelt. Peptidhormone zählen zu den hydrophilen Hormonen. Man unterscheidet bei ihrer Hormonbindung zwei verschiedene Systeme: das cAMP-System (cAMP = zyklisches Adenosinmonophosphat) und das IP3-System (IP3 = Inositoltriphosphat). ### CAMP-System: Das cAMP-System durchläuft mehrere Schritte: - Die Hormonbindung an den Rezeptor löst eine Änderung der Konformation (räumliche Struktur) im Rezeptor aus. - Daraus folgt die Aktivierung eines G-Proteins, das sich an der Innenseite der Zellmembran befindet. Es kommt zum Tausch eines Guanosindiphospat (GDP)-Moleküls mit Guanosintriphosphat (GTP). - Das aktivierte GTP-G-Protein aktiviert ein Enzym, die Adenylatcyclase. Diese bildet zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) aus ATP. Es kommt zum Anstieg des cAMP-Spiegels in der Zelle. - Das cAMP ist second messenger und bindet an die Proteinkinase A, die sich im Zytoplasma befindet. Der CAMP-Proteinkinase-A-Komplex phosphoryliert (hängt Phosphatgruppen an) andere Enzyme und Proteine, die die spezifische Hormonwirkung in der Zelle hervorrufen. Die Inaktivierung von cAMP erfolgt durch das Enzym Phosphodiesterase, das wiederum durch Theophyllin und Koffein gehemmt werden kann. ### IP3-System: Neben dem CAMP-System gibt es noch eine weitere Signalkaskade für die Hormonbindung an zellmembranständige Rezeptoren, das IP3-System. Dieses System wird z. B. von Adrenalin am a₁-Rezeptor, von ADH und Oxytocin angesteuert (vgl. 7.2.1). Das IP3-System läuft wie folgt ab: - Die Hormonbindung an den Rezeptor löst dort eine Konformationsänderung aus. - Es folgt die Aktivierung eines G-Proteins, das sich an der Innenseite der Zellmembran befindet. Es kommt zum Tausch eines GDP-Moleküls mit GTP. - Das aktivierte GTP-G-Protein aktiviert ein Enzym, die Phospholipase C. Dieses Enzym spaltet ein Phospholipid der Zellmembran zu IP3 und Diacylglycerin (DAG). - IP3 bewirkt die Freisetzung von Ca2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum und aktiviert eine Proteinkinase. - Diacylglycerin aktiviert eine Proteinkinase C, die sich in der Plasmamembran befindet. - Die beiden aktivierten Proteinkinasen phosphorylieren spezifische Proteine und Enzyme, die für die intrazelluläre Hormonwirkung verantwortlich sind. ### Stickstoffmonoxid/cGMP Neben den klassischen Wegen über das cAMP- und das IP3-System kann eine Signaltransduktion auch über die Bildung von NO (Stickstoffmonoxid) und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) als second messenger übermittelt werden. Die Bildung von NO kann in den Endothelzellen der Blutgefäße und in Neuronen durch bestimmte Reize ausgelöst werden, z. B. durch eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit im Blutgefäß. Die Signaltransduktion von cGMP läuft am Beispiel der Blutgefäße folgendermaßen ab: - Eine Erhöhung der Flussgeschwindigkeit im Blutgefäß führt zur Bildung von NO in den Endothelzellen (Blutgefäßzellen). - NO diffundiert sowohl in das Innere des Gefäßes (= Lumen) als auch in die Gefäßmuskelzellen. - In den Blutgefäßen führt es zur Hemmung der Blutplättchenverklumpung. - In den Gefäßmuskelzellen aktiviert es eine Guanylatcyclase, die GTP in GDP und cGMP spaltet. Es kommt zum Anstieg von cGMP, das zur Aktivierung einer Proteinkinase A führt. - Die Proteinkinase A führt zum Abfall der Ca2+-lonenkonzentration in der Zelle und das bewirkt eine Weitstellung der Blutgefäße (Vasodilatation).