Membraan transport

Bij de Membraan transport stoffen passeren een biologisch membraan of worden actief door membranen getransporteerd. In tegenstelling tot actief transport is diffusie de eenvoudigste membraantransportroute en vereist geen extra energie. Stoornissen in het membraantransport worden in verband gebracht met een verscheidenheid aan verschillende ziekten.

Wat is membraantransport?

Biomembranen omsluiten gebieden zoals het cytoplasma van cellen en genereren zo een gecontroleerd gebied met een relatief onafhankelijk milieu van de buitenwereld. De specifieke celomgeving binnen cellen kan alleen worden opgebouwd en onderhouden door de afscherming tegen de buitenwereld.

De dubbele laag van een biomembraan bestaat uit fosfolipiden en is alleen doorlaatbaar voor gassen en kleine, in de meeste gevallen ongeladen moleculen. Voor hydrofiele polaire ionen en andere bioactieve stoffen komt de lipide dubbellaag overeen met een barrière, die aanvullende transportmechanismen moeten overwinnen.

Membraantransport komt overeen met het passeren van stoffen door een biomembraan. Hierbij spelen twee verschillende principes een rol. Het eerste principe is diffusie of vrije permeatie, het tweede is selectief massatransport. Naast eenvoudige diffusie tellen ook functionele principes zoals passief transport door kanaaleiwitten of dragereiwitten en actief transport voor transmembraantransport.

Endocytose, exocytose en transcytose behoren tot het membraan-verplaatsende transport. Omdat membraandelen zelf worden verschoven tijdens membraanverplaatsend transport, wordt hier ook wel eens een membraanstroom genoemd.

Membraantransport ondersteunt celfuncties en celcommunicatie met de omgeving. Selectieve massaoverdracht wordt mogelijk gemaakt door de transportmechanismen.

Functie en taak

De lipidedubbellaag of bimoleculaire lipidelaag van een biomembraan komt overeen met een barrière tussen waterige compartimenten in de vorm van de extraplasmische en cytoplasmatische ruimte. Alleen kleine moleculen kunnen door een biomembraan tussen de compartimenten diffunderen, bijvoorbeeld azijnzuur en water. Voor grotere moleculen is de diffusiesnelheid relatief laag.

De permeabiliteit van membranen voor kleine moleculen wordt ook wel semipermeabiliteit genoemd en vormt de basis van osmose. Volgens de huidige aannames is elk biomembraan een vloeistofstructuur met tijdelijke onregelmatigheden in de lipidedubbellaag. Moleculen met een hydrofobe eigenschap lossen op door het hydrofobe membraangebied vanwege hun verdelingscoëfficiënt. Zelfs grotere deeltjes zoals steroïde hormonen kunnen door membranen diffunderen.

Specifieke moleculen daarentegen maken gebruik van specifiek membraantransport. De transportroute is gekoppeld aan integrale membraantransporteiwitten die bekend staan ​​als translocators. Het specifieke transport is substraatspecifiek en verzadigbaar. De translocators van dit transportpad bevatten dragers die zijn geladen met het substraat en die een conformatieverandering in het membraan kunnen veroorzaken om zijn lading te introduceren.

Door de relatief hoge transportsnelheden is er in elk membraan een permanent transportkanaal aanwezig. De integrale membraaneiwitten met functies in membraantransport komen meestal overeen met oligomere structuren. Bij specifiek transport is er gekatalyseerde diffusie zonder bijkomend energieverbruik of actief transport met energieverbruik.

Gekatalyseerde diffusie en actief transport bieden de mogelijkheid om slechts een enkel deeltje unidirectioneel te transporteren en twee deeltjes samen in dezelfde richting of in tegengestelde richtingen te transporteren. De gekatalyseerde diffusie door membraantransporteiwitten volgt alleen de concentratie-egalisatie langs de bestaande concentratiegradiënt van stoffen tussen de twee compartimenten van de cel. Actief transport vindt altijd plaats tegen de concentratiegradiënt in.

Poriën van het buitenste biomembraan worden gebruikt voor de niet-specifieke doorgang van hydrofiele deeltjes. Het eigenlijke transportkanaal van een biomembraan bestaat uit β-vellen. Membraantransport is onmisbaar voor alle lichaamsfuncties en weefsels in het lichaam, bijvoorbeeld voor het zenuwstelsel en zijn spanningsafhankelijke ionenkanalen.

Ziekten en aandoeningen

Storingen in de membraantransportsystemen kunnen ernstige celbeschadiging en zelfs orgaanfalen veroorzaken. In de darmen of de nieren zijn stoornissen van het membraantransport bijvoorbeeld het gevolg van absorptie- en secretiestoornissen.

Mitochondriopathieën leiden bijvoorbeeld tot membraantransportstoornissen. In dit geval wordt het enzymsysteem aangetast, waardoor energie kan worden opgewekt door middel van oxidatieve fosforylering. Storingen van de ATP-synthase verdienen in deze context een speciale vermelding. Dit enzym is een van de belangrijkste transmembraaneiwitten die bijvoorbeeld de functie op zich nemen van een transportenzym binnen de protonpomp. Het enzym katalyseert de aanvoer van ATP in het gezonde lichaam en maakt energiebesparend protonentransport langs de protongradiënt mogelijk met ATP-vorming. ATP-synthase is daarom een ​​van de belangrijkste energieomzetters in het menselijk organisme en zet de ene vorm van energie om in een andere. Mitochondriale ziekten zijn storingen in de mitochondriale stofwisselingsprocessen die een verminderde toevoer van ATP-synthese veroorzaken en zo de prestaties van het lichaam verminderen.

Bovendien kunnen alle transporteiwitten en enzymen uiteindelijk worden beïnvloed door mutaties of transcriptiedefecten. Mutaties in het genetisch materiaal van transporteiwitten verlaten de aangetaste eiwitten in gemodificeerde vorm, waardoor het transport van werkzame stoffen wordt bemoeilijkt. Dit fenomeen is bijvoorbeeld relevant voor sommige ziekten van de dunne darm.

Verstoringen in de membraanstroom kunnen op hun beurt worden geassocieerd met een grote verscheidenheid aan ziekten. Bij tumoren is endocytose bijvoorbeeld vaak moeilijker. Infecties of neurogeneratieve ziekten kunnen in dit opzicht ook stoornissen veroorzaken. Neuropathieën met verminderde loopvaardigheid en verminderde zenuwgeleidingssnelheid evenals sensorische stoornissen zijn een voorbeeld van neurodegeneratieve klachten als gevolg van een verminderde membraanstroom.

De mutatie-gerelateerde ziekte van Huntington verstoort ook neurogeen de membraanstroom. Bovendien kan de exocytose van de neurotransmitters worden belemmerd door toxines. Een verstoorde exocytose is ook de basis van stofwisselingsziekten zoals cystische fibrose. Aandoeningen van pinocytose worden nu ook in verband gebracht met ziekten zoals de ziekte van Alzheimer.

Stoornissen van het membraantransport kunnen niet alleen veel verschillende redenen hebben, maar uiteindelijk ook leiden tot veel verschillende symptomen en een grote verscheidenheid aan ziekten.