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Toxikokinetik - Aufnahme, Verteilung und Speicherung von Fremdstoffen

Mechanismen der Membranpassage

Es existieren verschiedene Mechanismen, wie Stoffe Membranen passieren können:

  1. Filtration
  2. Diffusion
  3. aktiver Transport
  4. erleichterte Diffusion
  5. Phagocytose/Endocytose
Definition
Unter Filtration wird die Diffusion von Substanzen durch Poren in Proteinmolekülen in einer Membran in Richtung eines Konzentrationsgradienten verstanden. Diese Transportoption haben nur kleine hydrophile Moleküle mit einer Molmasse kleiner als 200 Da, die bei dem Durchtritt von Wasser durch die Poren aufgrund hydrostatischer oder osmotischer Druckunterschiede mit transportiert werden. Die Porengröße liegt in einer Größenordnung von 2 bis 4 nm. Ionen können aufgrund ihrer Hydrathülle solche Poren nicht passieren. Besonders große Poren sind in den Nierenglomeruli und Lebersinusoiden zu finden (bis 70 nm). In diesen Organen können Moleküle bis ca. 60.000 Da die Membran passieren.
Definition
Die Diffusion ist der bei weitem wichtigste Transportmechanismus. Er beruht auf der Diffusion von lipophilen, ungeladenen Molekülen entlang eines Konzentrationgradienten. Die Geschwindigkeit der Diffusion hängt ab vom Konzentrationsgradienten zwischen den beiden Seiten der Membran, von der Fläche der Membran, von der Dicke der Membran und einem substanzspezifischen Diffusionskoeffizienten. Der Vorgang wird durch das 1. Fick'sche Gesetz beschrieben:
Q = D ΔC A d
Legende
Q-Stoffstrom pro Zeiteinheit
ΔC-Konzentrationsgradient
A-Membranfläche
d-Membrandicke
D-Diffusionkoeffizient, von Moleküform und -größe sowie von der Temperatur abhängig
Die pro Zeiteinheit transportierte Stoffmenge Q ist proportional zur Konzentrationsdifferenz C und zur Membranfläche und umgekehrt proportional zur Diffusionsstrecke.

Die Diffusion ist ein Geschwindigkeitsprozess erster Ordnung, da er direkt proportional zum Konzentrationsgradienten ist. Sie ist nicht sättigbar im Gegensatz zum aktiven Transport.

Viele Verbindungen können Membranen passieren, obwohl sie polar und zu groß für die Poren sind. Es muss also neben den genannten Transportmechanismen noch weitere geben.

Der aktive Transport ist gekennzeichnet durch:

  1. den Transport gegen einen Konzentrationsgradienten,
  2. der Prozess bedarf der Energiezufuhr aus dem Zellstoffwechsel (ATP),
  3. ein spezifisches Membrantransportprotein (Carrier) ist erforderlich,
  4. der Transport ist selektiv für bestimmte strukturelle Merkmale der transportierten Moleküle und strukturell ähnliche, aber nicht transportable, Moleküle können den Carrier hemmen,
  5. das System ist bei hohen Stoffkonzentrationen sättigbar, es gibt ein Transportmaximum (Stoffstrom nicht steigerbar).

Carrier gibt es für zahlreiche Biomoleküle wie Aminosäuren, Zucker, Intermediärprodukte des Stoffwechsels und Metallionen. Aktive Transportmechanismen dienen in Leber und Niere zur Ausschleusung von organischen Säuren und Basen oder zur Ausscheidung von Fremdstoffmetaboliten aus der Leber in die Galle.

Die erleichterte Diffusion weist Ähnlichkeiten mit dem aktiven Transport auf. Dieser Prozess beruht auch auf spezifischen Carriern und ist auch sättigbar. Der Unterschied ist jedoch, dass der Transport nicht gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgt und auch keine Zufuhr von Stoffwechselenergie notwendig ist. Eine hohe Strukturspezifität und die Hemmbarkeit durch Inhibitoren sind charakteristisch. Der Transport von Glucose aus dem Darmlumen in die Dünndarmzellen oder aus dem Blut in die Erythrocyten erfolgt durch erleichterte Diffusion.

Lebende Zellen sind in der Lage, feste Partikel oder kleine Flüssigkeitströpfchen aufzunehmen, indem sich die Plasmamembranen unter Verbrauch von Stoffwechselenergie einstülpen und nach intrazellulärer Aufnahme des Partikels in bläschenförmige Membranabschnürungen (Vesikel) wieder schließen (Endocytose). Die Endocytose von festen Partikeln nennt man Phagocytose, die von gelösten Substanzen (in Tröpfchenform aufgenommen) Pinocytose. Die Phagocytose spielt bei der Beseitigung von Fremdpartikeln durch Zellen der unspezifischen Abwehr des Organismus, die Makrophagen (große Fresszellen), eine wichtige Rolle. So können z.B. unlösliche Partikel in den Alveolen der Lunge (Staub, Quarz) auf diesem Wege beseitigt werden.

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