Natrium-Kalium-Pumpen sind Carrierproteine, die unter Energieverbrauch Na-Ionen aus der Zelle heraus und im gleichen Zyklus K-Ionen in die Zelle hinein transportieren. Dabei transportieren sie in jedem Zyklus ihrer Konformationsänderung jeweils drei Na-Ionen aus der Zelle heraus und zwei K-Ionen in die Zelle hinein.
Pro Zyklus werden zwei K+-Ionen in die Zelle hinein transportiert. Jedes K+-Ion bringt eine positive Ladung mit. Gleichzeitig werden drei Na+-Ionen aus der Zelle heraus transportiert. Jedes Na+-Ion nimmt eine positive Ladung aus der Zelle heraus. 3 x Na+ aus der Zelle und 2 x K+ in die Zelle, ergibt: 3 x (+1) – 2 x (+1). Dieser ungleiche Ladungstransport führt dazu, dass in Summe pro Zyklus jeweils eine positive Ladung aus der Zelle heraus transportiert wird. Folglich lädt sich das Innere der Zelle gegenüber Außen negativ auf. Es herrscht also ein negatives Membranpotenzial.
Pumpen, die ein Membranpotenzial erzeugen, werden elektrogene Pumpen genannt.
Wie funktioniert die Natrium-Kalium-Pumpe?
Wir schauen uns den Aufbau und die Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe an (s. Abbildung). Natrium-Kalium-Pumpen ermöglichen durch ihre Elektrogenität die Entstehung des Membranpotenzials an Neuronen, was die Grundlage für Entstehung von Nervenreizen darstellt.
Die Natrium-Kalium-Pumpe hat drei Bindeplätze für Na+-Ionen (s. Abschnitt A in der Abbildung). In diesem Zustand können keine K+-Ionen an das Protein binden. Man spricht von niedriger Affinität für das Kalium. Durch Hydrolyse (Spaltung) eines ATP-Moleküls in ADP, Wasser und ein Phosphatrest, bindet sich der Phosphatrest (rotes P) an das Protein und verursacht eine Änderung der Proteingestalt (Konformationsänderung). Dies ist in Abschnitt B in der Abbildung dargestellt. Dabei öffnet sich die Pumpe nach Außen, wobei die Affinität der Na-Bindeplätze abnimmt. Dadurch verlassen die Na+-Ionen das Protein. Gleichzeitig steigt die Affinität von K+-Ionen.
Wenn zwei K+-Ionen an die Pumpe binden (Abschnitt C), verursachen sie automatisch eine Konformationsänderung der Pumpe in die ursprüngliche energieärmere Form (Abschnitt D). Dies führt dazu, dass der Phosphatrest das Protein verlässt, wodurch sich das Protein nach Innen öffnet. Da Ohne den Phosphatrest die Affinität von K+-Ionen abnimmt, verlassen diese die Pumpe. Gleichzeitig aber steigt die Affinität des Proteins für die Na+-Ionen.
Protonen-Pumpen sind Carrierproteine, die unter Energieverbrauch H-Ionen (also Protonen) durch die Membran transportieren können. Der Transport kann auch entgegen des elektrochemischen Potenzials erfolgen, was natürlich mit Energieverbrauch verbunden ist. Da Protonen (H+) positiv geladen sind, erzeugen Protonen-Pumpen ein Membranpotenzial und sind deshalb elektrogen. Protonen-Pumpen spielen eine besondere Rolle bei Stoffwechselvorgängen, wie Zellatmung in Mitochondrien und Photosynthese in Chloroplasten.
Bei einem gekoppelten Transport oder Co-Transport werden zwei Moleküle oder Ionen gleichzeitig entweder in gleicher (Symport) oder in entgegengesetzter Richtung (Antiport) transportiert.
Nähere Betrachtung (LK)
Wie wir gelernt haben, findet die Diffusion von Teilchen entlang eines Konzentrationsgefälles oder eines elektrochemischen Potenzials spontan (d.h. ohne Energieverbrauch) statt. Die treibende Kraft dahinter ist im Konzentrationsgefälle selbst gespeichert. Die Zelle ist in der Lage die passive Diffusion eines Teilchens zu nutzen, um ein anderes Teilchen mit zu transportieren. Dies wird als gekoppelter Transport oder auch Co-Transport bezeichnet. Dabei kann der Transport des zweiten Moleküls in die gleiche Richtung (Symport) erfolgen oder dem Transport des ersten Moleküls entgegen (Antiport) gerichtet sein.
Pflanzenzellen koppeln häufig den Transport von Nährstoffen, Zucker und Aminosäuren mit der Diffusion von Protonen durch die Membran. Dazu erzeugen sie extra durch aktiven Transport über Protonen-Pumpen das benötigte elektrochemische Potenzial der Protonen her. Ein Beispiel ist die Saccharose-H+ Transporter, der die Diffusion von H+-Ionen in die Zelle nutzt, um gleichzeitig Saccharose-Moleküle in die Zelle zu transportieren. Es handelt sich hierbei also um einen symporten Co-Transport, da sowohl H+-Ionen als auch Saccharose-Moleküle in die gleiche Richtung, nämlich in die Zelle hinein transportiert werden. Es stellt sich die Frage, wieso dies ein aktiver Transport sein soll? Damit H+-Ionen in die Zelle hinein diffundieren, muss eine höhere Konzentration außerhalb der Zelle existieren. Die Zelle pumpt aktiv mit Hilfe von Protonen-Pumpen H+ aus der Zelle heraus. Der Co-Transport von Saccharose in die Zelle würde also ohne das aktive Pumpen von Protonen (H+) aus der Zelle nicht funktionieren.