Überblick
Carrierproteine oder kurz Carrier sind integrale Membranproteine, die in der Lage sind, bestimmte Moleküle oder Ionen spezifisch von der einen Seite der Zellmembran auf die andere Seite zu transportieren, entweder passiv (erleichterte Diffusion) oder aktiv (Bergauf-Diffusion) unter Verbrauch energiereicher Stoffe oder Strahlung (ATP, Licht).
Schnapp-Mechanismus
Einer der einfachsten Mechanismen, mit denen Carrierproteine arbeiten, ist der Schnapp-Mechanismus (manchmal auch Klapp-Mechanismus genannt), der folgendermaßen funktioniert:
Zunächst ist der Carrier auf der einen Seite der Membran für das zu transportierende Molekül oder Ion geöffnet. Auf dem Bild links kann man erkennen, wie ein Teilchen von dem Carrier aufgenommen wird. Hat das Teilchen an eine spezifische Bindungsstelle des Carriers angedockt (hier nicht eingezeichnet), ändert sich die Konformation des Carrierproteins. Das gebundene Teilchen kann nun auf die andere Seite der Membran gelangen. Anschließend kann sich die Konformation des Carriers wieder ändern, so dass der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist.
Die passive Diffusion über diesen Mechanismus kann in beide Richtungen erfolgen. Der Verlauf des Konzentrationsgradienten bestimmt dann die Diffusionsrichtung.
Ein typisches Beispiel für diese Art von passivem Transport ist die Aufnahme von Glucose durch den Glucosetransporter [2].
Der Glucosetransporter der Zellmembran ist ein schönes Beispiel, wie ein passiver Transport gegen ein Konzentrationsgefälle aufrecht erhalten werden kann. Wenn die Glucose-Moleküle in die Zelle gelangen, werden sie sofort chemisch verändert, indem eine Phosphatgruppe angehängt wird (Phosphorylierung). Auf diese Weise wird die Glucose-Konzentration in der Zelle stets niedrig gehalten, und der Konzentrationsgradient wird nicht abgeschwächt. So kann immer mehr Glucose in die Zelle diffundieren, obwohl rein rechnerisch im Zellinnern eine viel höhere Glucose-Konzentration herrscht als im Außenmedium. Aber die Glucose im Zellinnern ist eben keine Glucose mehr, sondern Glucose-Phosphat.
Drehtür-Mechanismus
Ein anderer theoretisch möglicher Mechanismus, um Teilchen von der einen Seite auf die andere Seite der Membran zu befördern, wäre der Drehtür-Mechanismus. Hier dockt das zu transportierende Teilchen an einer spezifischen Bindungsstelle des Carriers an, zum Beispiel auf der Zellinnenseite. Dann ändert sich die Konformation des Carrierproteins derart, dass es so aussieht, als ob sich der Carrier wie eine Drehtür in der Membran um 180° drehen würde. Die Bindungsstelle mit dem gebundenden Teilchen wird so automatisch auf die andere Seite der Membran befördert. Dort wird das Teilchen entlassen, und der Carrier dreht sich abermals um 180°. Aus thermodynamischer Sichtweise ist ein solcher Mechanismus allerdings schwer vorstellbar, zumindest nicht, wenn es um passive Diffusion geht.
Zwei wichtige Fachbegriffe im Zusammenhang mit Carriern
Erleichterte Diffusion
Ein Carrier transportiert die Teilchen wie in Richtung des bestehenden Konzentrationsgradienten. Daher spricht man von einer "erleichterten Diffusion". Der Carrier erleichtert den Diffusionsvorgang durch die Membran, indem er einen Weg durch die hydrophobe Lipid-Doppelschicht zur Verfügung stellt. Ähnliches bewirken Porenproteine, die aber nach einem viel einfacherem Mechanismus funktionieren.
Bergauf-Diffusion
Manchmal ist es erforderlich, dass Teilchen gegen einen bestehenden Konzentrationsgradienten befördert werden. Bei der Atmungskette müssen zum Beispiel Protonen durch die innere Mitochondrienmembran gepumpt werden, und bei der Einstellung des Ruhepotenzials an Nervenzelle müssen Natrium-Ionen in das Zellaußenmedium gepumpt werden. Zellen besitzen für solche Zwecke spezielle Carrierproteine, die gleichzeitig das energiereiche ATP spalten können, so dass sie Teilchen gegen den Konzentrationsgradienten transportieren können.
Quellen:
- Campbell, Reece, Markl, Biologie, München 2006, 6.Auflage, S. 174
- Savada, Hillis, Heller, Hacker: Purves Biologie, Springer Verlag Deutschland 2019, 10. Auflage, S. 175