2.16: Natrium-Kalium-Pumpe
Die Natrium-Kalium-Pumpe
Aktiver Transport ist der energieintensive Prozess des Pumpens von Molekülen und Ionen über Membranen „bergauf“ – gegen einen Konzentrationsgradienten. Um diese Moleküle gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen, wird ein Trägerprotein benötigt. Trägerproteine können mit einem Konzentrationsgradienten (während des passiven Transports) arbeiten, aber einige Trägerproteine können gelöste Stoffe gegen den Konzentrationsgradienten (von niedriger Konzentration zu hoher Konzentration) mit einem Energieeintrag bewegen. Im aktiven Transport, da Trägerproteine verwendet werden, um Materialien gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen, werden diese Proteine als Pumpen bezeichnet. Wie bei anderen Arten von zellulären Aktivitäten liefert ATP die Energie für den aktivsten Transport. Ein Weg, ATP Kräfte aktiven Transport ist durch die Übertragung einer Phosphatgruppe direkt an ein Trägerprotein. Dies kann dazu führen, dass das Trägerprotein seine Form ändert, wodurch das Molekül oder Ion auf die andere Seite der Membran bewegt wird. Ein Beispiel für diese Art von aktivem Transportsystem, wie in Abbildung unten gezeigt, ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die Natriumionen gegen Kaliumionen über die Plasmamembran tierischer Zellen austauscht.
Das Natrium-Kalium-Pumpensystem bewegt Natrium- und Kaliumionen gegen große Konzentrationsgradienten. Es bewegt zwei Kaliumionen in die Zelle, in der der Kaliumspiegel hoch ist, und pumpt drei Natriumionen aus der Zelle in die extrazelluläre Flüssigkeit.
Wie in der obigen Abbildung gezeigt, binden drei Natriumionen mit der Proteinpumpe in der Zelle. Das Trägerprotein erhält dann Energie von ATP und ändert seine Form. Dabei pumpt es die drei Natriumionen aus der Zelle. An diesem Punkt binden zwei Kaliumionen von außerhalb der Zelle an die Proteinpumpe. Die Kaliumionen werden dann in die Zelle transportiert, und der Prozess wiederholt sich. Die Natrium-Kalium-Pumpe befindet sich in der Plasmamembran fast jeder menschlichen Zelle und ist allen Zelllebewesen gemeinsam. Es hilft, das Zellpotential aufrechtzuerhalten und reguliert das Zellvolumen.
Einen genaueren Blick auf die Natrium-Kalium-Pumpe gibt es unter http://www.youtube.com/watch?v=C_H-ONQFjpQ (13:53) und http://www.youtube.com/watch?v=ye3rTjLCvAU (6:48).
Der elektrochemische Gradient
Der aktive Transport von Ionen durch die Membran bewirkt, dass sich ein elektrischer Gradient über die Plasmamembran aufbaut. Die Anzahl der positiv geladenen Ionen außerhalb der Zelle ist größer als die Anzahl der positiv geladenen Ionen im Cytosol. Dies führt zu einer relativ negativen Ladung auf der Innenseite der Membran und einer positiven Ladung auf der Außenseite. Dieser Ladungsunterschied verursacht eine Spannung an der Membran. Spannung ist elektrische potentielle Energie, die durch eine Trennung entgegengesetzter Ladungen, in diesem Fall über die Membran, verursacht wird. Die Spannung an einer Membran wird als Membranpotential bezeichnet. Das Membranpotential ist sehr wichtig für die Leitung elektrischer Impulse entlang von Nervenzellen.Da das Innere der Zelle im Vergleich zu außerhalb der Zelle negativ ist, begünstigt das Membranpotential die Bewegung positiv geladener Ionen (Kationen) in die Zelle und die Bewegung negativer Ionen (Anionen) aus der Zelle heraus. Es gibt also zwei Kräfte, die die Diffusion von Ionen durch die Plasmamembran antreiben — eine chemische Kraft (der Konzentrationsgradient der Ionen) und eine elektrische Kraft (die Wirkung des Membranpotentials auf die Bewegung der Ionen). Diese beiden Kräfte, die zusammenwirken, werden als elektrochemischer Gradient bezeichnet und werden in den Konzepten „Nervenzellen“ und „Nervenimpulse“ ausführlich diskutiert.