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Wir haben uns also mit den drei Mechanismen des passiven
Transportes beschäftigt, zu denen die normale Diffusion und
die erleichterte Diffusion zählen, die auftritt, wenn die Moleküle
nicht von selbst durch die Membran gelangen können.
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Sie brauchen einen Kanal oder einen Träger. Und wir haben auch die
Osmose behandelt, die spezifisch für die Bewegung
von Wasser ist. Jetzt wollen wir herausfinden, was aktiver Transport
wirklich ist. Aktiver Transport ist das Gegenteil von
passivem Transport, da er Energie benötigt. Wir bewegen
Dinge gegen ihren Konzentrationsgradienten.
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Was passiert also in dieser Situation? Nun, es gibt
drei Möglichkeiten, wie es wirklich ablaufen kann.
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Man könnte ein Molekül haben, das sich selbst
entlang seines Konzentrationsgradienten nach oben bewegt. Also von
einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration. Wir könnten
Symporter haben, in denen Dinge in die
gleiche Richtung gehen. Wir werden uns ein Beispiel dafür
kurz anschauen. Glukose wird mit Natrium in einem Symport-Protein
transportiert, was wir gleich sehen werden.
Antiport ist, wenn wir Moleküle haben, die
in entgegengesetzte Richtungen transportiert werden.
Also all das sind mögliche sekundäre, also ich meine,
all dies sind mögliche aktive Transportmechanismen.
Wir werden also den Blick auf einen primär
aktiven Transportmechanismus werfen. Das ist einer,
der in den Biowissenschaften und
die ganze Zeit über in der Physiologie auftaucht. Sie haben vielleicht schon
davon gehört. Es ist die Natrium-Kalium-Pumpe.
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Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium
gegen seinen Konzentrationsgradienten. Zur gleichen Zeit
bewegt sie das Kalium gegen dessen Konzentrationsgradienten in
die entgegengesetzte Richtung. Wie nennen wir das also,
basierend auf unseren Transportertypen? Eins geht in die Richtung,
eins in die andere Richtung, also Antiport, richtig? Sie gehen also
in entgegengesetzte Richtungen. Also ist die Natrium-Kalium-Pumpe ein Antiporter.
Natrium, der natürliche Zustand von
der Natrium-Kalium-ATPase, wie dieses
Transmembranprotein genannt wird, ist nach innen offen.
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Sie hat drei Bindungsstellen für Natrium.
Natrium bindet an diese drei Bindungsstellen
und dann kommt ATP dazu. Das ist der Punkt, an dem die
Energie investiert wird. Wir treiben Natrium
entgegen seines Konzentrationsgradienten. ATP kommt
hinzu und liefert ein wenig Energie,
verliert ein Phosphat und wird zu einem Molekül mit
weniger Energie. Aber diese Investition von Energie
verursacht die Konformationsänderung. Sie bewirkt, dass sich die
ATPase auf der anderen Seite öffnet und
Natrium ausschüttet. Der nächste Schritt im Spiel ist
die Bindung des Kaliums an seine
Bindungsstellen. Sobald das Kalium
an die Bindungsstellen bindet, werden wir sehen,
dass dieser Antiporter zuschnappt und sie
auf der anderen Seite der Membran abgibt.
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Wir haben also wieder eine Investition von ATP, um
all dies zu ermöglichen. Fassen wir
dies nochmal zusammen. Zunächst einmal haben wir das
Bild oben, wo wir unser Natrium haben,
das gegen seinen Konzentrationsgradienten gehen will.
Es kann nicht diffundieren und es kann nicht mittels
erleichterter Diffusion wandern, weil wir mit dem Konzentrationsgradienten
von niedrig nach hoch gehen.
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Das Natrium springt auf seinen Platz im Inneren des
Transporters. Das ATP kommt hinzu und phosphoryliert
das Protein. Es kommt zu einer Konformationsänderung und
wir machen weiter mit dem Zyklus. Die Konformationsänderung
bewirkt eine Veränderung. Die Natriumpumpe öffnet sich, nimmt
sich ihr Kalium, schnappt zu und wirft es nach innen ab.
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In jedem Zyklus gehen also 3 Natrium raus und
2 Kalium rein. 3 Natrium raus, 2 Kalium rein.
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Und es wird so weitergehen. Dies ist
einer der wichtigsten Mechanismen zur Bildung von
elektrochemischen Gradienten über Zellmembranen
oder zu deren Korrektur.
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Wir haben Natrium. Jedes Mal haben wir ein Natrium mehr, das herausgeht,
als Kalium, das hereinkommt.
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Es kommen also zwei positive Ladungen herein. Drei
positive Ladungen gehen raus. Das ist der elektrische
Teil. Und dann geht das Natrium gegen seinen
Gradienten, so dass wir im Wesentlichen einen
Energieunterschied über der Membran,
aufgrund des aktiven Transports, aufbauen. Aktiv bedeutet, dass
wir ATP verwenden. Also ist der sekundär aktive Transport
vollständig abhängig vom primär
aktiven Transport. Wir haben also bereits festgestellt, dass
die Natrium-Kalium-Pumpe
Natrium aus der Zelle herauspumpt und Kalium hineinpumpt. Und
wir haben festgestellt, dass dies zu einem
Gradienten für das Natrium führt, insbesondere dort, wo
Natrium eine höhere Konzentration
außerhalb der Zelle und eine geringere Konzentration im
Inneren der Zelle hat. Es ist also in der perfekten Position,
um einem Konzentrationsgradienten zu folgen.
Das einzige Problem ist, dass es zu polar ist,
um durch die Zellmembran selbst zu passen.
Wir brauchen also eines dieser Kanal- oder
Transportproteine. Und das ist genau das, was wir
haben. Wir werden uns jetzt die Glukose ansehen
und das Natrium-Cotransport-Protein. In dieser Situation
haben wir wieder Natrium und es will entlang
seines Konzentrationsgefälles wandern. Die Glukose ist eigentlich
vollständig vom Transport von Natrium abhängig.
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Glukose kann sich also gegen ihren Konzentrationsgradienten
bewegen, weil Natrium es
"an die Hand nimmt" und in das Cotransportprotein "springt".
Das Protein, das wir hier sehen können, hat also eine Stelle
für Natrium und eine Stelle für Glukose. Und
weil das Natrium bindet, kann die Glukose binden,
was dazu führt, dass die Gluose gegen den
Konzentrationsgradienten in die Zelle verschoben wird.
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Wir nennen dies sekundär aktiven Transport,
weil der Transport gegen die Konzentrationgradienten
völlig abhängig von den Vorgängen
des primär aktiven Transports ist. Der Natriumgradient
wird von der primär aktiven Natrium-Kalium-Transportpumpe aufgebaut.
Das Natrium will sich also passiv
entlang seines Gradienten bewegen, wobei es die
Glukose mitnimmt, um zusammen durch den Transporter zu laufen.
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Die Glukose bewegt sich jedoch gegen ihren
Konzentrationsgradienten und nutzt die Kraft,
die durch ATP im primär aktiven
Transport der Natrium-Kalium-Pumpe investiert wurde.
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Wir haben hier also wieder zwei verschiedene Dinge vor uns.
Wir haben den primär aktiven Transport,
der den Cotransport von Natrium und Glukose antreibt.
Eine interessante Sache, die man sich bei dem Natrium- und Glukose-Cotransporter merken sollte, ist,
dass die Glukose immer Natrium benötigt, um
in die Zellen zu gelangen. Und dies ist einer der Gründe,
warum viele der Sportgetränke, die wir konsumieren,
Natrium und Glukose enthalten. Wir müssen Natrium haben,
um die Glukose zu nutzen,
wenn wir uns während des Trainings etwas erholen wollen.