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Passiver Membrantransport - Prinzip und Mechanismen

Permeabilität

Permeabilität
Unter Permeabilität versteht man die Durchlässigkeit einer porösen Barriere für Stoffe.

Von entscheidender Bedeutung für biologische Systeme ist der Durchtritt von Stoffen durch Zellwände und Membranen. Die Permeabilität einer Membran ist durch den Permeabilitätskoeffizienten P in cm s charakterisiert und ist umgekehrt proportional zu ihrer Schichtdicke dx sowie direkt abhängig vom Diffusionskoeffizienten D:

P = D d x

Das Erste Fick'sche Gesetz J = D d c d x gilt zunächst nur für Einphasensysteme. Bei der Diffusion durch eine Membran liegt ein Zweiphasensystem vor. Beim Durchtritt einer Substanz durch die Membran kommt es zum Übergang zwischen einer wässrigen und einer lipophilen Phase. Daher ist die Permeabilität ebenfalls von dem Membran-Wasser-Verteilungskoeffizienten k abhängig :

P = k D d x

Der Verteilungskoeffizient stellt ein Maß für die Lipophilie eines Stoffes dar. Er gibt an, zu welchen Anteilen sich ein bestimmter Stoff in der Membran und in der wässrigen Phase verteilt. Der Verteilungskoeffizient wird durch den Nernst'schen Verteilungssatz angegeben: k = c 1 c 2 mit c 1 = Stoffkonzentration in der lipophilen Phase (Membran) und c 2 =Stoffkonzentration in der hydrophilen Phase.

Bedeutung der Permeabiltät für biologische Membranen

Eine Membran hat nicht nur die Funktion einer Barriere, sondern auch die eines Filters. Daher sind biologische Membranen semipermeabel .

Tab.1
Größenordnung von Permeabilitätskoeffizienten
Substanz Permeabilitätskoeffizienten P in cm s
Natrium-Ionen 10 12
Chlorid-Ionen 10 10
Glucose 10 8
Tryptophan 10 7
Glycerol 10 6
Wasser 10 3

Entlang des Konzentrationsgradienten gibt es durch eine Zellmembran drei verschiedene Diffusionsmechanismen:

  1. Durch einfache Diffusion können nur wenige Stoffe wie Gase oder lipophile Moleküle die Lipiddoppelschicht durchqueren.
  2. Wasser, bestimmte Ionen und einige meist biologisch relevante Moleküle können aber durch Poren oder Kanäle selektiv in Richtung des Konzentrationsgradienten hindurchdiffundieren.
  3. Auch größere und/oder polare Moleküle wie Zucker und Aminosäuren, kurze Lipidketten oder kleine Proteine können mit Hilfe spezieller Proteine (Carrier) durch die Membran transportiert werden.
Abb.1
Diffusion durch eine Phospholipiddoppelschicht

Die beiden letzten Transportarten bezeichnet man als erleichterte Diffusion. Für sehr große Eiweißmoleküle oder polymere Substanzen sind biologische Membranen in der Regel impermeabel.

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