Thema : Primär aktiver Transport
I
Wenn Transportvorgänge zu einem chemischen bzw. elektrochemischen Gradienten führen, so spricht man von eienem aktiven Transport, da dieser grundsätzlich thermodynamisch ungünstig und somit an eine Energiequelle gebunden ist , Bsp: Redoxenergie, ATP- Hydrolyse, Strahlungsenergie.
Der Gradient kommt entweder
a) durch unterschiedliche Bildungs-u.Dissoziationskonstanten des Träger-Substrat - Komplexes auf den beiden
Membranseiten oder
b) durch unterschiedliche Geschwindigkeitskonstanten der Permeation in beiden Transportrichtungen zustande.
Wird nur eine Molekülspezies transportiert, spricht man von einem Uniport, werden mehrere transportiert von einem Cotransport: bei Transport in die gleiche Richtung : Symport, in die entgegengesetzte Richtung : Antiport.
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C : Träger ; S : Substrat , CS : Träger-Substrat-Komplex
k1 , k2 : Geschwindigkeitskonstanten für die Bildung von CS auf beiden Membranseiten
k-1 , k-2 : Geschwindigkeitskonstanten für den Zerfall von CS auf beiden Membranseiten
_1 , _-1 : Geschwindigkeitskonstanten für die Permeation von CS in beiden Transportrichtungen
_1 , _-1 : Geschwindigkeitskonstanten für die Permeation von C in beiden Transportrichtungen
i , e : Intra - bzw. Extrazellulärer Raum
Formale Gleichung des Fluxes
Jp = Qpp_pp + + QprJr
Jp : aktiver flux der Partikel p
_pp : elektrochemischer Gradient der Partikel p
Qp : Proportionalitätskoeffizient (Permeabilitätskoeffizient der einfachen physikalischen Diffusion)
Jq : Flux einer anderen Partikelspezies q
Qpq : Proportionalitätskoeffizient - abhängig von den Eigenschaften der Transportsysteme p und q
Jr : Wirkung einer chemischen Reaktion r
Qpr : Proportionalitätskoeffizient der Wechselwirkungen zwischen Jp und Jr
I Qpq und Qpr = 0 · passiver Vorgang
II einer dieser Koeffizienten _ 0 · Jp wird aktiver Flux
a Qpr _ 0 · primär aktiver Transport,d.h. direkte
Wechselwirkung zwischen chemischer Reaktion r und Transportsystem für p
b mindestens einer der Terme Qpq _ 0 · sekundär aktiver Transport,
d.h. Flux Jp gekoppelt an einen aktiven Transport o. schon bestehenden Gradienten einer anderen Partikelspezies q.
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II PEP-Phosphotransferase-System
Dieses System der Bakterien (untersucht an E.Coli) ist ein Beispiel für eine Substratmodifikation. Es funktioniert ähnlich wie die cytoplasmatische Hexokinase-Reaktion, es handelt sich hierbei jedoch um eine vektorielle Phosphorylierung.
Dabei dient PEP als Energielieferant und kann nicht durch ein anderes energiereiches Intermediat ersetzt werden. Der Vorteil dieses Transportsystem ist, dass die Substrate nach dem Transport schon phosphoryliert vorliegen. Jedoch liegen bei Bakterien neben diesem Transportsystem noch zahlreiche weitere vor.
Reaktionsschritte
1. PEP + HPr P~ HPr + Pyruvat
2. P~ HPr + Zucker Zucker - P + HPr
Mechanismus
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PEP : Phosphoenolpyruvat ; Pyr : Pyruvat ; HK : Hexokinase
HPr : Hitzestabiles Protein des Systems ; HPr~P : Phosphorylierte Form des Proteins
EI,EII : Enzymkomplexe I,II (nur EII substratspezifisch)
[ ]i, [ ]e: intra - bzw. extrazellulär
Aufbau des Enzymkomplexes II:
EIIA, EIIB: Protein EIIA (für Substraterkennung verantwortlich), Protein EIIB
PG : Phosphatidylglycerin
III Na+ - Pumpe
Die Na+ - Pumpe ist das bei höheren Tieren am meisten verbreitetste Transportsystem und es erfüllt ein Fülle von Funktionen. Dieses Transportsystem transportiert im Antiport Na+ aus der Zelle und K+ in die Zelle und sorgt so außerhalb der Zell für eine 10 -20 * höherer Konz.
von Na+ als innerhalb(umgekehrt bei K+ ). Die Na+ - Pumpe sorgt durch Bildung des Membranpotentials für die Erregbarkeit der Neurone, durch die osmotische Wirkung des Na+ - Gradienten wird das Zellvolumen bestimmt und der Gradient liefert die Energie für eine Fülle von sekundär aktiven Transportprozessen, wie z.B die Versorgung der Zellen mit Zuckern und Aminosäuren. Normale Zellen benötigen bis zu 1/3 ihrer Gesamtenergie für die Na+- Pumpe, die Neurone sogar bis zu 2/3. Die Energie liefert das ATP, das durch die NA+ /K+ -ATPase hydrolytisch
gespalten wird. Pro Molekül ATP werden 3 Na+ und 2 K+ transportiert und die ATPase spaltet pro sec. bis zu 100 Moleküle ATP.
Die ATPase kann auch umgekehrt werden: Erhöht man den Na+ /K+ -Gradienten so weit, dass die Energie dieses elektrochemischen Gradienten höher ist als die Energie der ATP- Hydrolyse, so folgen die Ionen dem Gefälle ihres Gradienten und die ATPpase bildet ATP aus ADP und P. Durch das Digitalis-Gift Ouabain wird die NA+/K+-ATPase gehemmt, da es mit K+ um die Bindungsstelle konkurriert.
Die ATPase besteht aus einem grossen Multi-Pass Transmembranprotein, das die Bindungsstellen für Na+ und K+ trägt und die katalytische Untereinheit darstellt und einem kleinen damit assoziierten Glykoprotein.
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IV H+ - Pumpen in Tonoplast und Plasmalemma
Ein erster Hinweis auf das Vorhandensein von H+ -Pumpen in pflanzlichen Membranen (außer Thylakoid - u. Mitochondrienmembran) war der Befund,dass verschieden Pilze (Hefen, Neurospora), ihr Außenmedium ansäuern, indem sie Protonen aus - u. K+ einschleusen, was eine Hyperpolarisierung des Membranpotentials zur Folge hat. Der Zusammenhang zwischen H+ -Transport und Hyperpolarisation wurde gezeigt mit Versuchen mit protonophoren Entkopplern ( Bsp. DNP):Dies sind lipidlösliche ,schwache Säuren, die als H+-Carrier wirken und eine alternative Bahn durch die Membran bilden, wodurch die Protonen wieder durch passive Diffusion in die Zellen gelangen und der Gradient verloren geht.
In der inneren Mitochondrienmembran hat dies die Vergeudung der protonen-motorischen Kraft zur Folge, so dass kein ATP mehr gebildet werden kann.
Dies, sowie Versuche mit ATPase-Inhibitoren zeigte zudem, dass die Energie für den Transport durch das ATP bereitgestellt wird und eine ATPase erforderlich ist. Die ATPase wurde untersucht und zeigte bestimmte Eigenschaften:
- Spezifität für ATP*Mg2+ (Co2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+ als Ersatz für Mg2+ )
- Optimale Aktivität bei pH 5.5 - 6.5
- Aktivierung durch einwertige Kationen, bevorzugt K+, Rb+
- Hemmung durch Vanadiumoxid, DES, DCCD,
- Unempfindlich gegen Azide, Oligomycin, Nitrat
- Stöchiometrie: 1 H+ / 1 ATP - 2 H+ / ATP bei ATP-Knappheit
Es handelt sich bei dem Austausch von H+ und K+ ume eine rein elektrische Kopplung, d.h. nur die Protonen werden direkt über diese Pumpe transportiert.
Der Hinweis auf das Vorhandensein einer H+-Pumpe im Tonoplasten, war die Messung eines pH - und elektrochemischen Gradienten ( innen positiv !) über dieser Membran. Dies konnte bestätigt werden durch Versuche an isolierten Vakuolen:
Es wurde eine ATP- abhängige Protonenpumpe gefunden, die H+ importiert und sich von der Protonenpumpe des Plasmalemmas in einigen Punkten unterscheidet:
- ATP wird bevorzugt, kann aber durch andere Nucleosid-Triphosphate ersetzt werden
- Hemmung durch Nitrat
- Unempfindlich gegen Vanadiumoxid
Auch in höheren Pflanzen wurden H+ -Pumpen in Plasmalema und Tonoplast gefunden:
Bei der Aufnahme von Salzen ,etwa K+, wurden H+ ausgeschleust, was zu einer Hyperpolarisierung des Membranpotentials führte.
Die Alkalisierung des Cytoplasmas wird durch die Fixierung von CO2 durch PEP verhindert, denn dabei entsteht zunächst Oxalacetat und daraus wiederum Malat, welches dissoziiert vorliegt (C4-Pflanzen).
Durch Versuche mit ATPase Inhibitoren und dem Welketoxin Fusicoccin konnte schließlich gezeigt werden, dass der Ionen-Austausch eine Hyperpolarisation des Membranpotentials verursacht ,abhängig vom intakten Stoffwechsel und somit vom Vorhandensein von ATP ist. Durch Messung des Membranpotentials über Plasmalemma uns Tonoplast, Messung des pH- Wertes in Zellsaftvakuole und Cytoplasma, sowie durch Überprüfung der Affinität zu FC wurde gezeigt, dass sich diese H+ -Pumpe im Plasmelemma befinden muss. Die ATPase zeigt die gleichen Eigenschaften wie die Plasmallema-ATPase der Pilze. Ebenso wie in Pilzen ist die Kopplung zwischen H+ /Kation rein elektrisch. Anhand von Versuchen mit Vesikeln aus verschiedenen Membranen wurde eine weitere protonenpumpende ATPase gefunden, die sich im Tonoplasten befindet, H+-Einschleust , zur Depolarisierung des Membranpotentials führt und gleiche Eigenschaften wie die Tonoplasten- ATPase der Pilze zeigt.
In verschiedenen Pflanzenzellen konnte eine Redox-getriebene H+ -Pumpe gefunden werden, bei der Elektronen von NADH auf O2 als finalen Akzeptor übertragen werden. Das Produkt der H+-Pumpen ist ein elektrochemischer Protonengradient über Plasmalemma und Tonoplast. Die daraus resultierende protonen-motorische Kraft wird für eine Fülle sekundär aktiver Transporte genutzt.
Die Änderung der H+ -Pumpen -Aktivität und somit die pH-Wert- Änderung haben großen Einfluss auf die molekulare Zusammensetzung:
a) Zellsaftvakuole
b) Cytoplasma
c) interzellulären Raum
Durch die molekulare Zusammensetzung (Ionen , Säuren, Hormone...)
werden der Stoffwechsel und die Wachstumsprozesse entscheidend beeinflusst. Auch die Stomata werden durch den H+ /K+ -Transport geöffnet oder geschlossen, indem die K+-Konz. Den Turgor der Schließzellen beeinflusst.
Die Aktivität der Protonenpumpen wird beeinflusst von:
- Membranpotential
- pH - Wert
- Hormonen ( vor allem wichtig bei Wachstumsprozessen)
- Stoffwechselprodukten
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Die obige Abbildung zeigt den allgemeinen Mechanismus der H+ -Pumpe.
V Purpurmembran
Die Arten der Archaebakteriengattung Halobacterium haben eine besondere Art der Protonenpumpe entwickelt:
In die Cytoplasma-Membran sind dunkelrote Flecken eingelagert: die Purpurmembran. Die Farbe beruht auf dem Gehalt an Bacteriorhodopsin, ein Molekül, das eine Protonenpumpe mit Photonenantrieb darstellt.
Durch Absorption von Licht werden Protonen aus der Zelle transportiert und so ein elektrochemisches Potential über der Membran aufgebaut. Die protonen-motorische Kraft kann dann z.B. für die ATP-Synthese genutzt werden.
Der Mechanismus des Bacteriorhodopsins beruht auf lichtabhängigen Konformationsänderungen , die die Wechselwirkungen zwischen Retinal und Proteinumgebung ändern.
Literatur:
HÖFER : Transport durch biologische Membranen ,Verlag Chemie , 1977
ALBERTS et al.: Molekularbiologie der Zelle 3.Auflage , Verlag Chemie , 1995
MARRE & BALLARIN-DENTI :The Proton Pumps in the Plasmalemma and the Tonoplast of Higher Plants in : Journal of bioenergetics , Vol. 17 , 1985
SCHLEGEL: Allgemeine Mikrobiologie, Thieme Verlag , 1992
Häufig gestellte Fragen
Was ist primär aktiver Transport?
Primär aktiver Transport ist ein Transportvorgang, bei dem die Energie für den Transport direkt aus einer chemischen Reaktion stammt, beispielsweise der ATP-Hydrolyse. Dies führt zur Bildung eines chemischen oder elektrochemischen Gradienten.
Was ist ein Uniport, Symport und Antiport?
Ein Uniport transportiert nur eine Molekülspezies. Ein Cotransport transportiert mehrere Molekülspezies gleichzeitig. Beim Symport werden die Moleküle in die gleiche Richtung transportiert, beim Antiport in entgegengesetzte Richtungen.
Wie funktioniert das PEP-Phosphotransferase-System?
Dieses System, das in Bakterien vorkommt, nutzt Phosphoenolpyruvat (PEP) als Energiequelle, um Zucker während des Transports zu phosphorylieren. Dies ist eine vektorielle Phosphorylierung, bei der das Substrat nach dem Transport bereits modifiziert vorliegt.
Welche Rolle spielt die Na+-Pumpe?
Die Na+-Pumpe transportiert Natrium-Ionen (Na+) aus der Zelle und Kalium-Ionen (K+) in die Zelle. Sie erzeugt ein Membranpotential, reguliert das Zellvolumen und liefert Energie für sekundär aktive Transportprozesse.
Was sind H+-Pumpen und wo befinden sie sich?
H+-Pumpen transportieren Protonen (H+) über Membranen. Sie befinden sich in Tonoplasten und Plasmalemma von Pflanzenzellen und in der inneren Mitochondrienmembran. Sie erzeugen einen elektrochemischen Protonengradienten.
Wie funktionieren H+-Pumpen im Tonoplast und Plasmalemma?
H+-Pumpen im Plasmalemma schleusen H+ aus, was zu einer Hyperpolarisation des Membranpotentials führt. Im Tonoplasten importieren sie H+, was zur Depolarisierung des Membranpotentials führt. Die Aktivität dieser Pumpen beeinflusst den pH-Wert und die molekulare Zusammensetzung des Zellsaftes, des Cytoplasmas und des interzellulären Raums.
Was ist Bacteriorhodopsin und wie funktioniert es?
Bacteriorhodopsin ist ein lichtgetriebenes Protonenpumpe in der Purpurmembran von Halobacterium. Es absorbiert Licht, um Protonen aus der Zelle zu transportieren und so ein elektrochemisches Potential aufzubauen.
Welche Inhibitoren beeinflussen die H+ -ATPase Aktivität?
Die Aktivität der H+ -ATPase kann durch Vanadiumoxid, DES und DCCD gehemmt werden. Sie ist unempfindlich gegen Azide, Oligomycin und Nitrat. Die Tonoplasten-H+-ATPase wird durch Nitrat gehemmt und ist unempfindlich gegen Vanadiumoxid.
Wie wird die Aktivität der Protonenpumpen beeinflusst?
Die Aktivität der Protonenpumpen wird beeinflusst vom Membranpotential, dem pH-Wert, Hormonen und Stoffwechselprodukten.
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- Marcos Schöneborn (Autor:in), 2000, Primär aktiver Transport, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/98988