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Tutorial MenueStoff- und WärmetransportLerneinheit 11 von 11

Passiver Membrantransport - Prinzip und Mechanismen

Thermodynamik des passiven Transports

Der spontane Fluss einer Substanz von einer Seite der Membran auf die andere findet nur dann statt, wenn die Freie Enthalpie ΔG negativ ist. Für den Transport eines Substrates z.B. aus dem extrazellulären Raum in das Cytoplasma muss folgende Bedingung erfüllt sein:

Δ G = R T ln c i n n e n c a u ß e n < 0

Für die energetische Betrachtung des Membrandurchtritts sind die Teilprozesse des Transports von entscheidender Bedeutung, da sich die Freie Enthalpie des Gesamtprozesses aus den enthalpischen Teilbeträgen für die einzelnen Teilreaktionen zusammensetzt. Den größten energetischen Beitrag liefert hier die Wechselwirkung des Substrats mit der Lipiddoppelschicht, da für diese Interaktion das Substrat die Hydrathülle mit hohem energetischen Aufwand abstreifen muss. Diese endergonische Teilreaktion (Dehydratisierung) kann nur ablaufen, wenn der Gesamtvorgang (Transport durch die Membran) exergonisch ist.

Tab.1
Energetische Betrachtungen
Freie Diffusion Der Durchtritt von polaren Verbindungen oder Ionen durch Membranen wird durch das Abstreifen der Hydrathülle eingeleitet. Für diesen Dehydratisierungsprozess ist die Zufuhr der Freien Dehydratationsenthalpie notwendig. Daher muss beim Eintauchen des Substrats in die Lippiddoppelschicht eine Aktivierungsenergie aufgewendet werden, die um so größer ist, je mehr Energie zum Entfernen der Hydrathülle notwendig ist. Besonders hoch ist die Aktivierungsenergie Δ G # bei geladenen Ionen. Aufgrund der Ionen-Dipol-Wechselwirkungen wird die Hydrathülle um so stärker gebunden, je kleiner das Ion und höher die Ionenladung. Aus diesem Grund ist die Lipiddoppelschicht für kleine Ionen impermeabel. Größere Ionen oder polare Moleküle mit einer schwach gebundenen Hydrathülle passieren biologische Membranen nur teilweise. Unpolare Moleküle hingegen können die Lipiddoppelschicht mittels einfacher Diffusion durchqueren.
Erleichterte Diffusion Carrier oder Kanäle vermitteln den Transport von polaren Stoffen oder Ionen, indem sie an das Substrat mit vielen nichtkovalenten Wechselwirkungen binden. Sie bieten so dem Substrat nach dem Abstreifen der Hydrathülle einen alternativen Weg durch die Lipiddoppelschicht. Bei diesem Prozess kompensiert die negative Freie Enthalpie der Wechselwirkung, die bei der Bildung der nichtkovalenten Wechselwirkungen frei wird, die positive Freie Dehydratationsenthalpie, die für das Entfernen der Hydrathülle aufgewendet werden muss. Die erleichterte Diffusion hat daher gegenüber der freien Diffusion für polare Moleküle und Ionen eine geringere Aktivierungsenergie. Δ G # und ist damit energetisch günstiger.
Abb.1
Thermodynamische Veränderungen während des Durchgangs eines Natrium-Ions durch die Membran
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