Stofftransport: Aktive und passive Vorgänge

Stofftransport: Aktive und passive Vorgänge

 

Damit die Zellen des Körpers ihre Funktion wahrnehmen können, sind sie darauf angewiesen, dass ihnen Stoffe von außen (hauptsächlich Nährstoffe und Sauerstoff) zugeführt werden. Gleichzeitig müssen Abfallprodukte der Zellen (z. B. Kohlendioxid) wieder abgegeben werden. Dazu bedarf es eines ständigen Austauschs zwischen den Zellen und den sie umgebenden Flüssigkeiten (Blutplasma, Lymphe, interstitielle Flüssigkeit).

 

 Stoffaustausch zwischen Systemen

 

Damit Nährstoffe und Sauerstoff an die Zellen herangeführt werden können, müssen diese Stoffe aus dem Blut zunächst in die interstitielle Flüssigkeit gelangen. Den Stoffaustausch zwischen Blutgefäßen und Interstitium besorgen die Kapillargefäße. Ihre Wände sind durchlässig für Flüssigkeit und kleine Moleküle. So gelangen Nährstoffe und Sauerstoff durch die Kapillarwände in die interstitielle Flüssigkeit und zurück in die Kapillargefäße. Blutzellen und Plasmaeiweiße sind dagegen zu groß, um die Kapillarwände zu passieren. Auch kleinste Lymphgefäße, die Lymphkapillaren, sind am Stoffaustausch beteiligt. Im Gegensatz zu den Blutkapillaren geben sie keine Stoffe ans Interstitium ab, sie nehmen nur Stoffe auf.

 

Damit die »richtigen« Stoffe in die Zelle gelangen, besitzen die Zellen eine halb durchlässige (semipermeable) Membran, die nur Moleküle bestimmter Größe ins Zellinnere lässt. Diese Stoffe gelangen über die interstitielle Flüssigkeit zu den Zellen. Unterschieden werden beim Stoffaustausch zwischen Zellen und Interstitium passive und aktive Transportvorgänge. Bei den passiven Transportvorgängen gelangen Stoffe ins Zellinnere oder hinaus, ohne dass die Zelle für den Stoffaustausch Energie aufwenden muss. Für die Durchführung aktiver Transportvorgänge hingegen ist die Zufuhr von Energie notwendig. Aktive Transportvorgänge werden vor allem für Stoffe eingesetzt, die zu groß sind, um die Zellmembran zu passieren.

 

 Passive Transportvorgänge

 

Viele Stoffe gelangen über Diffusion in die Zellen. Unter Diffusion versteht man die Verteilung von Molekülen oder Ionen in einem Medium (z. B. Wasser, Luft) entlang eines Konzentrationsgefälles, das heißt, die Teilchen wandern vom Ort der höchsten Konzentration hin zu den Orten der geringsten Konzentration, bis eine gleichmäßige Konzentration vorliegt. Sauerstoff gelangt z. B. durch Diffusion von den Kapillargefäßen ins Interstitium und schließlich in die Zellen. Bei der erleichterten Diffusion stehen für größere Moleküle (z. B. bestimmte Nährstoffmoleküle) Carrierproteine in der Zellmembran zur Verfügung, die mit ihnen eine Verbindung eingehen und sie - entlang des Konzentrationsgefälles - in die Zelle transportieren.

 

Bei der Osmose können nur die Flüssigkeitsmoleküle, nicht aber die darin gelösten Teilchen eine semipermeable Membran wie die Zellwand überwinden. Die Osmose findet jedoch nur statt, wenn zwischen den beiden Flüssigkeiten, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind, ein Konzentrationsunterschied besteht, der durch den jeweiligen Gehalt an Teilchen hervorgerufen wird, die die Membran nicht passieren können. Entlang des Konzentrationsgefälles wandern nun allein die Flüssigkeitsmoleküle durch die Membran, bis infolge des Flüssigkeitszustroms auf der Seite mit der bislang geringeren Konzentration der gleiche Druck erreicht wird wie auf der Seite mit der bislang höheren Teilchenkonzentration. Die zu Anfang bestehende Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten wird osmotischer Druck genannt.

 

Bei der Filtration passieren Flüssigkeiten eine semipermeable Membran infolge von Druckunterschieden zwischen den beiden Seiten der Membran.

 

 Aktive Transportvorgänge

 

Zu den aktiven Transportvorgängen gehört der Mechanismus der Natrium-Kalium-Pumpe. Damit eine Zelle ihre Funktion ausüben kann, muss die Kaliumkonzentration in der Zelle höher und die Natriumkonzentration niedriger sein als außerhalb. Um diese Ionenkonzentration aufrechtzuerhalten, werden unter Verbrauch von Energie (Umwandlung von ATP in ADP) durch die Tunnelproteine in der Zellmembran Kaliumionen in die Zelle hinein- und Natriumionen aus der Zelle herausgebracht.

 

Auch größere Substanzen, z. B. Krankheitserreger oder Moleküle, die die Zellmembran nicht passieren können, werden von den Zellen aufgenommen oder ausgestoßen. Ein Teil der Zellmembran umschließt die aufzunehmende Substanz und verschmilzt mit ihr, sodass ein Bläschen entsteht, in dem die Substanz eingeschlossen in die Zelle gelangt. Daraufhin werden die Lysosomen aktiv, die den Stoff mithilfe von Enzymen abbauen. Dieses Einschleusen in die Zelle wird Endozytose genannt. Werden Krankheitserreger oder Fremdkörper von Abwehrzellen durch Endozytose aufgenommen und anschließend abgebaut, heißt der Vorgang Phagozytose. Schleust eine Zelle durch Bläschenbildung Stoffe durch die Zellmembran hinaus, nennt man dies Exozytose.