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Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss

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Bio-Team
Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Beschreibung Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss

Inhalt

Stofftransport an der Biomembran

Wie du bestimmt schon weißt, werden an der Zellmembran (oder Biomembran) Stoffe und Moleküle zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren ausgetauscht. Betrachtest du eine Zelle unter einem Elektronenmikroskop, so wirst du erkennen können, dass sie von einer doppelschichtigen Membran umschlossen ist. Das bedeutet, dass die Biomembran nicht nur aus einer, sondern aus gleich zwei Schichten besteht. Deswegen wird sie auch Doppellipidschicht (Lipide = Fette) genannt. Die Biomembran ist aufgrund ihrer Struktur semipermeabel (halbdurchlässig) und stellt für die meisten Stoffe eine Barriere dar. Die Zelle reguliert, welche Stoffe an der Biomembran transportiert werden. Ob ein Stoff durch die Membran transportiert wird, hängt außerdem von den Eigenschaften des Stoffs ab.

Im Folgenden wirst du die verschiedenen Transportmechanismen einer Zelle kennenlernen. Im Fokus stehen dabei die Diffusion, der aktive Stofftransport und der Membranfluss.


Passiver Stofftransport – einfache Diffusion

Unter der einfachen Diffusion versteht man den Transport von kleinen Molekülen (z. B. Wasser, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid) durch die Zellmembran hindurch. Die Teilchen sind so klein, dass die Zelle keine Energie für den Stofftransport aufwenden muss und sie passiv durch die Biomembran diffundieren. Dabei können sich Stoffe nur entlang des Konzentrationsgefälles (auch Konzentrationsgradient genannt) bewegen. Die einfache Diffusion findet so lange statt, bis das Konzentrationsgefälle ausgeglichen ist. Solange das Konzentrationsgefälle nicht ausgeglichen ist, bewegen sich Teilchen in Richtung der geringeren Konzentration.


Passiver Stofftransport – erleichterte Diffusion

Ionen und andere hydrophile (wasserliebende) kleine Moleküle können die Biomembran nicht ohne Weiteres passieren. Stattdessen werden sie mithilfe von Ionenkanälen oder Carriern transportiert (Carrier sind Trägerproteine, die, genauso wie Ionenkanäle, zu den Transmembranproteinen gehören). Ionenkanäle öffnen sich nur auf ein bestimmtes Signal hin. Es gibt viele verschiedene Ionenkanäle, die durch verschiedene Signale geöffnet werden. Das kann beispielsweise ein verändertes Membranpotenzial, also eine Spannungsänderung an der Biomembran, sein. Einen so entstehenden elektrochemischen Gradienten findet man zum Beispiel in Muskelzellen: Damit wir unsere Muskeln bewegen können, benötigen Muskelzellen viele elektronisch geladene Calciumionen. Diese werden vermehrt in die Muskelzelle transportiert, wenn ein Aktionspotenzial auf die Biomembran trifft, sich so das Membranpotenzial ändert und der Ionenkanal schließlich aktiviert wird. Carrier hingegen können nur ein für sie spezifisches Molekül oder molekülähnliche Teilchen aufnehmen und auf der anderen Seite der Biomembran abgeben.

Ionenkanäle und Carrier erleichtern wortwörtlich den Stofftransport und benötigen für diesen ebenfalls keine Energie. Wie bei der einfachen Diffusion können Stoffe bei der erleichterten Diffusion nur entlang des Konzentrationsgefälles transportiert werden.

Mehr Informationen zu Diffusionsvorgängen findest du in diesem Video: Diffusion und Osmose (Basiswissen).


Aktiver Stofftransport

Eine Zelle sorgt ständig dafür, die richtige Konzentration von Ionen und Molekülen in der Zelle aufrechtzuerhalten. Das ist enorm wichtig, um alle lebensnotwendigen Prozesse der lebenden Zelle und des Organismus sicherzustellen. Dabei müssen Ionen und Moleküle auch gegen das Konzentrationsgefälle transportiert werden können.

Ein klassisches Beispiel für diese Art des Transports ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie ist ein Membranprotein, das Natriumionen gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle hinaus- und gleichzeitig Kaliumionen in die Zelle hineintransportiert. Damit reguliert sie die Natrium- und Kaliumkonzentration einer Zelle und hält damit das Ruhepotenzial einer Zelle aufrecht. Dafür wird von der Zelle direkt Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) verbraucht. Ionen werden also aktiv mithilfe von ATP und einem Transportprotein durch die Membran transportiert, weswegen dieser Stofftransport auch primär aktiver Stofftransport genannt wird.

Durch den Verbrauch von Energie (ATP) der Natrium-Kalium-Pumpe wird ein energiereicher Konzentrationsgradient aufgebaut. Nutzt die Zelle die Energie des Konzentrationsgradienten nicht für den Wiederaufbau von ATP, wird die Energie indirekt von einem anderen Carrier für den Transport eines weiteren Ions genutzt. Hier spricht man dann von dem sekundär aktiven Stofftransport.
Wie genau der sekundär aktive Stofftransport abläuft, wird dir an diesem Beispiel näher erklärt: Natriumionen wollen natürlicherweise entlang ihres Gradienten in die Zelle zurückwandern. Werden nun Natriumionen auf ihrem Weg zurück ins Zellinnere von einem Carrier aufgenommen, kann der Carrier die ungenutzte Energie des zuvor aufgebauten Konzentrationsgefälles verwenden, um beispielsweise ein Glucosemolekül mitzutransportieren. Das Glucosemolekül wird jetzt aktiv gegen das eigene Konzentrationsgefälle in die Zelle hineintransportiert, wobei die Zelle nur indirekt Energie verbraucht. Die Energie wurde ja bereits vom primär aktiven Stofftransport der Natrium-Kalium-Pumpe und dem dadurch entstandenen energiereichen Konzentrationsgradienten bereitgestellt.

Membranfluss

Bestimmte Makromoleküle (makro = groß) sind zu groß, um sie mithilfe von Transmembranproteinen durch die Biomembran zu transportieren. Damit große Partikel oder Stoffmengen trotzdem in die Zelle hinein- und herausgelangen, werden sie in sogenannte Membranbläschen (endozytotisches Vesikel) „verpackt“ und transportiert. Vesikel besitzen eine Doppelmembran, die die Stoffe umschließt und so vom Zellinneren abgrenzt. Sie entstehen durch Abschnürungen der Biomembran und werden vom Golgi-Apparat und dem endoplasmatischen Retikulum (ER) gebildet. Diese Art von Stofftransport, also der vesikelvermittelte Transport zwischen Zellen und Zellorganellen, wird deswegen auch Membranfluss genannt.


Endozytose

Die Endozytose (endon ist griechisch und bedeutet „innen“) beschreibt den Transport von Makromolekülen in eine Zelle hinein. Wenn große Moleküle in die Zelle aufgenommen werden sollen, kommt es im ersten Schritt zu einer Einstülpung der Doppelmembran ins Zellinnere. Dabei werden die aufzunehmenden Partikel in die Ausstülpung getrieben. In einem zweiten Schritt werden die Partikel vollständig von der Zellmembran eingeschlossen und es entsteht ein Membranbläschen (Vesikel). Das Vesikel trennt sich im letzten Schritt von der Zellmembran und wird in das Zellinnere abgegeben. Werden auf diese Weise feste Stoffe in die Zelle transportiert, spricht man von Phagozytose. Beim Transport von Flüssigkeiten handelt es sich um die Pinozytose.


Exozytose

Die Exozytose (exo ist griechisch und bedeutet „außen“) ist sozusagen das Gegenstück zur Endozytose und läuft genau andersherum ab. Anders als bei der Endozytose werden bei der Exozytose Stoffe (meistens sind das Enzyme oder Abfallstoffe) mithilfe des sekretorischen Vesikels aus der Zelle hinaustransportiert.

Membranfluss – Endocytose und Exocytose

Dieses Video

Hast du dich schon einmal gefragt, wie ein Molekül aus einer Zelle hinausgelangt oder von dieser aufgenommen werden kann? In diesem Video wirst du sehen, dass es auf der einen Seite passive Transportmechanismen gibt, die keine Energie verbrauchen und nur einen Transport entlang eines Konzentrationsgefälles erlauben. Auf der anderen Seite gibt es aktive Transportmechanismen, die Energie verbrauchen und einen Transport gegen ein Konzentrationsgefälle erlauben. Für beide Transportformen wirst du Beispiele kennenlernen. Außerdem wirst du in diesem Video die Endo- und Exozytose als besondere Transportformen kennenlernen.

Transkript Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss

Hallo! Sicher weißt du, dass jede Zelle ganz genau regulieren kann, welche Ionen oder Moleküle in die Zelle gelangen. Aber wie werden die verschiedenen Stoffe genau transportiert? Das möchte ich dir in diesem Video genauer erklären und dabei auf Diffusion, aktiven Transport und auch den Transport von größeren Molekülen wie z.B. Proteinen eingehen.

Passiver Transportvorgang

Zunächst einmal müssen wir uns anschauen, welche Stoffe durch eine Biomembran hindurch treten können. Sicher weißt du schon, dass Wassermoleküle und Gase durch einfache Diffusion, also entlang eines Konzentrationsgefälles passiv durch eine Membran treten können.

Auch lipophile, also fettlösliche Stoffe, wie z.B. die Steroidhormone können die Biomembran durchqueren. Alle anderen Stoffe wie Ionen oder größere Moleküle können eine Membran nicht ohne weiteres passieren. Für die Aufnahme und Abgabe solcher Stoffe gibt es spezielle Transportmechanismen durch die Biomembran. Diese möchte ich dir jetzt näher vorstellen.

Neben der einfachen Diffusion gibt es noch einen weiteren passiven Transportvorgang an der Biomembran. Diesen bezeichnet man als erleichterte Diffusion. Dadurch können auch Ionen und andere kleine hydrophile organische Moleküle entlang des Konzentrationsgefälles durch die Membran gelangen. Dieser Transportprozess erfordert keine Energie, kann allerdings nur entlang des Konzentrationsgefälles, also von der hohen zur niedrigen Konzentration, erfolgen.

Man unterscheidet bei dieser erleichterten Diffusion den Transport über Carrier oder Ionenkanäle. Carrier werden auch als Trägerproteine bezeichnet. Sie nehmen ein zu transportierenden Molekül auf und geben es auf der anderen Biomembranseite wieder ab. Dabei kann jeder Carrier nur ein ganz bestimmtes Molekül oder wenige sehr ähnliche Moleküle transportieren.

Ionenkanäle öffnen sich dagegen nur auf ein ganz bestimmtes Signal hin. Beispielsweise werden Ionenkanäle in Nervenzellen aufgrund einer Spannungsänderung geöffnet und erlauben dann die Diffusion von Ionen durch die Membran hindurch. Es gibt viele verschiedene Ionenkanäle, die durch unterschiedliche Signale geöffnet werden und verschiedene Ionen transportieren.

Aktiver Transportvorgang

Anders als bei den bisherigen Transportmechanismen, wird beim aktiven Transport Energie verbraucht. Ionen und ungeladene Moleküle können hier auch gegen ein bestehendes Konzentrationsgefälle, also von hoher in Richtung niedriger Konzentration, transportiert werden.

Jedes Membranprotein transportiert nur bestimmte Ionen oder Moleküle. Ein Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie transportiert entegen des Konzentrationsgefälles Na+-Ionen aus der Zelle hinaus und K+-Ionen in die Zelle hinein. Hierbei wird jedoch direkt Energie verbraucht und daher nennt man diesen Transport primär aktiven Transport.

Andere Carrier können Ionen ebenfalls gegen ein Konzentrationsgefälle transportieren, benötigen dabei allerdings keine direkte Energie. Dies wird ermöglicht, indem gleichzeitig ein anderer Stoff entlang des Konzentrationsgefälles transportiert wird. Dieses bezeichnet man als sekundär aktiven Transport.

Endo- und Exocytose

Endo- und Exocytose sind spezielle Transportformen für große Moleküle. Dabei sind der Golgi-Apparat und das Endoplasmatische Retikulum. beteiligt.

Bei der Endocytose werden von einer Zelle Substanzen aufgenommen. Diese werden von der Zellmembran umschlossen und es trennen sich so genannte Vesikel von der Membran ab. Diese Vesikel gelangen ins Zellinnere. Man unterscheidet dabei jedoch die Phagocytose, bei welcher feste Stoffe von der Zelle aufgenommen werden, und die Pinozytose, bei welcher flüssige Stoffe in die Vesikel aufgenommen werden.

Bei der Exocytose werden Stoffe von der Zelle nach außen abgegeben. Auf diese Weise können z.B. Abfallstoffe oder bestimmte Enzyme von einer Zelle abgegeben werden.

Zusammenfassung

In diesem Video hast du gesehen, wie bestimmte Stoffe durch eine Biomembran transportiert werden können. Du hast hier den passiven Transport kennen gelernt, der keine Energie erfordert und nur entlang eines Konzentrationsgefälles stattfindet. Dazu gehören die einfache Diffusion und die erleichterte Diffusion durch Carrier oder Ionenkanäle.

Beim aktiven Transport wird Energie verbraucht. Allerdings können hier Ionen und ungeladen Moleküle auch gegen ein bestehendes Konzentrationsgefälle transportiert werden. Spezielle Transportformen sind die Endo- und Exocytose, bei der größere Moleküle in die Zelle hinein bzw. aus der Zelle hinaus transportiert werden. An diesem Transport sind der Golgi-Apparat und das Endoplasmatische Retikulum beteiligt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

8 Kommentare

8 Kommentare
  1. Du hast mir sehr weitergeholfen. Schreibe bald meine klausur und bin am verzweifeln. Vielen Dank dafür

    Von Bruech Kunath, vor fast 6 Jahren
  2. Hallo,
    wenn du in der oberen Leiste bei "Suche" Golgi Apparat eingibst, müssten dir 5 Videos angezeigt werden. In allen Videos werden die Bestandteile der Zelle vorgestellt. Schau mal, ob du darin die Informationen findest, die du brauchst. :)
    LG

    Von Serpil K., vor fast 6 Jahren
  3. Ich suche weitere Informationen zum Golgi-Apparat. Wo kann ich die finden?

    Von U Reinertz, vor fast 6 Jahren
  4. Hallo

    Kennt ihr den Sänger "Romeo Santos"

    Von Simbad Sejdic, vor mehr als 6 Jahren
  5. Liebe Zamy,
    unter Membranfluss versteht man den interzellulären Stofftransport über das Membransystem, wie die Endozytose und die Exozytose. Diese beiden Begriffe werden dir im Video erklärt.

    Von Anna-Maria Z., vor fast 7 Jahren
Mehr Kommentare

Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Stofftransport an der Biomembran – Endocytose, Exocytose, Membranfluss kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die verschiedenen Transportvorgänge an der Biomembran.

    Tipps

    Aktive Transportvorgänge benötigen Energie.

    Passive Transportvorgänge benötigen keine Energie.

    Lösung
    • Zunächst unterscheidet man aktive und passive Transportvorgänge. Passive Transportvorgänge benötigen keine Energie, während aktive Transportvorgänge stets eine Energiezufuhr benötigen. Dafür können beim aktiven Transport Substanzen auch entgegen einem Konzentrationsgefälle (von niedriger zu hoher Konzentration) bewegt werden. Die beiden grundlegenden Prozesse kann man jedoch weiter unterteilen.
    • Zum passiven Transport gehören die einfache und die erleichterte Diffusion.
    • Bei der einfachen Diffusion können Stoffe einfach so durch die Membran hindurch diffundieren, während die erleichterte Diffusion noch spezielle Hilfsproteine benötigt. Diese Kanalproteine sind meist spezifisch für bestimmte Substanzen und lassen nur diese durch.
    • Der aktive Transport unterteilt sich wiederum in primären und sekundären Transport.
    • Beim aktiven Transport werden Stoffe unter Energieverbrauch mit Hilfe von Kanälen transportiert.
    • Beim sekundären aktiven Transport wird die Energie nur indirekt verbraucht, da der eigentliche Transport gegen das Konzentrationsgefälle dadurch ermöglicht wird, dass eine andere Substanz gleichzeitig mit dem Konzentrationsgefälle bewegt wird. Der Aufbau dieses Konzentrationsgefälles benötigt jedoch Energie.
    • Die Endo- und Exozytose beschreibt einen Prozess, der sich auf die gesamte Zelle bezieht. „endo“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „innen", während „exo“ „außen" bedeutet.
  • Bestimme, ob die Aussagen zur Biomembran fachlich richtig sind.

    Tipps

    „Exo“ leitet sich vom Griechischem ab und bedeutet „außen“.

    Es ist aufwendig, Stoffe entgegen einem Konzentrationsgefälle zu transportieren.

    Lösung

    Eine Zelle muss verschiedene Substanzen über die Zellmembran aufnehmen, um funktionsfähig zu bleiben. Kleine neutrale Moleküle wie Gase oder Wasser durchdringen die Membran durch einfache Diffusion ohne Hilfsstrukturen oder Energieaufwendung. Die erleichterte Diffusion hingegen benötigt bereits Tunnelproteine, die sich durch die Membran strecken und bestimmte Stoffe entlang eines Konzentrationsgefälles passieren lassen. Andere Transportvorgänge benötigen Energie, wie z.B. der sekundäre aktive Transport. Hierbei werden Stoffe gleichzeitig mit und entgegen einem Konzentrationsgefälle durch die Membran geschleust. Der Aufbau eines Konzentrationsgefälles benötigt dabei aber Energie. Neben diesen einfachen Transportvorgängen gibt es noch die Endo- und Exozytose. Sie bewegen große Mengen an Substanzen, indem sie einen Teil der Membran als Transportvesikel abspalten. Als Exozytose bezeichnet man den Abtransport von Stoffe, während die Endozytose die Stoffaufnahme beschreibt.

  • Ordne den Transportvorgängen die richtigen Prozesse zu.

    Tipps

    Aktive Transportvorgänge benötigen Energie.

    Endo- und Exozytose transportieren große Stoffmengen und eine hohe Anzahl an Molekülen.

    Lösung

    Die Biomembran ermöglicht verschiedene Transportvorgänge. Gase wie Sauerstoff können durch einfache Diffusion leicht die Membran passieren. Andere Stoffe wie Ionen benötigen bestimmte Kanäle oder Carrier, um entlang eines Konzentrationsgefälles durch die Membran zu dringen. Um Stoffe gegen einen Konzentrationsgefälle zu bewegen, braucht es hingegen Energie. Manchmal wird diese aber auch nur indirekt aufgewendet wie beim Transport von Glukose. Dabei wird ein Konzentrationsgefälle erzeugt, welches genutzt wird, um zwei Stoffe gleichzeitig zu transportieren (gegen und mit dem Konzentrationsgefälle). Die Endo- und Exozytose bewegt große Mengen an Moleküle. Das können Sekrete und Enzyme sein oder sogar ganze Mikroorganismen.

  • Erkläre das beschriebene Phänomen.

    Tipps

    Das Gramicidin wirkt gegen den Stoff, der mit seinem Konzentrationsgefälle transportiert wird.

    Lösung

    Der sekundäre aktive Transport funktioniert auch entgegen dem Konzentrationsgefälle, aber nur, weil gleichzeitig ein anderer Stoff in Richtung des Konzentrationsgefälles bewegt wird und den anderen Stoff mitzieht. Das Gramicidin macht die Membran für positiv geladene Ionen durchlässig. Beim sekundären aktiven Transport entspricht dies dem Stoff der in Richtung des Konzentrationsgefälles transportiert wird. Da der Stoff ungehindert die Membran passieren kann, kommt es zu einem schnellen Konzentrationsausgleich. Somit entsteht kein Gefälle, welches genutzt werden kann, um andere Stoffe entgegen ihrem Konzentrationsgefälle mitzuziehen.

  • Beschreibe die Endo- und Exozytose mit den richtigen Fachbegriffen.

    Tipps

    „Endo“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „innen“.

    Fresszellen werden auch als Phagozyten bezeichnet.

    Lösung

    Die Vorsilben der Endo- und Exozytose geben bereits Hinweise auf deren Ablauf. „endo“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „innen“ und „exo“ bedeutet „außen“. Bei der Exozytose werden also Substanzen wie Abfallstoffe oder fertige Enzyme aus einer Zell hinaus transportiert, während bei der Endozytose Stoffe aufgenommen werden. Handelt es sich dabei um feste Bestandteile, spricht man von der Phagozytose, sind es flüssige Bestandteile, redet man von der Pinozytose.

  • Erkläre, warum die Transportgeschwindigkeit der Transportproteine (Carrier) ab einer gewissen Stoffkonzentration nicht weiter ansteigt.

    Tipps

    Überlege dir zunächst einen Ausgangszustand, auf dem der Stofftransport beruht.

    Wann streben die Stoffe danach, die Membran zu passieren?

    Lösung

    Der Ausgangszustand eines Stofftransportes per Diffusion ist zunächst ein Konzentrationsgefälle. Demnach diffundieren Stoffe von hoher Konzentration in Richtung niedriger Konzentration, um auf beiden Seiten der Membran ein Konzentrationsausgleich zu schaffen. Einige Stoffe können jedoch nur über bestimmte Proteine in der Membran durch sie hindurch gelangen. Carrier sind Transportproteine, die einen Stoff aufnehmen und auf der anderen Seite wieder abgeben. Anschließend nehmen sie einen weiteren Stoff auf und geben ihn wieder ab. Die Transportgeschwindigkeit wird dabei zunächst von der Stoffkonzentration bestimmt. Je mehr Moleküle von dem Stoff vorhanden sind, umso schneller diffundieren sie in den Carrier, der den Stoff dann durch die Membran schleust. Ab einer gewissen Stoffkonzentration ist jedoch die Leistung des Carriers der hemmende Faktor, egal, wie viel Stoff vorliegt. Der Stoff diffundiert zwar so schnell wie möglich hinein, die Geschwindigkeit des Carriers selbst bleibt jedoch immer gleich.

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