5.2.2 Osmose

Zellen bestehen aus räumlich von einander durch Membranen getrennten Reaktionsräumen (Kompartimente, z. B. Zellkern, Mitochondrien, etc.). Biologische Membranen sind jedoch i. d. R. semipermeabel, d. h. bestimmte Stoffe können sie passieren (v. a. kleine unpolare Moleküle), andere nicht. Gleichzeitig besteht gemäß des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik innerhalb von Zellen der Drang nach Ausgleich von Konzentrationen zwischen Konzentrationsgefällen – auch bei den Kompartimenten von Zellen. Die Diffusion durch Membranen aufgrund von Konzentrationsunterschieden wird als Osmose bezeichnet.

Andere Stoffe, z. B. polare Moleküle wie Wasser oder größere Makromoleküle, können nicht direkt die Zellmembran durchdringen. In Membranen gibt es jedoch für div. Stoffe spezifische Tunnel aus Proteinen (Tunnelproteine), durch welche diese Stoffe passieren können. Dies gilt auch für bestimmte Ionen (Ionentunnel). Eine weitere Möglichkeit der Durchschleusung größerer oder stark polarer Moleküle stellen sog. Carrier dar. Sie sind ebenfalls Proteine. Die Bindung des durchzuschleusenden Stoffes auf der Innenseite einer Membran an den Carrier führt zur einer Strukturveränderung dieses (Konformationsänderung), wodurch das Protein einen Weg zur Membranaußenseite freigibt. Oft wird so nur eine Molekülart transportiert (man spricht hier von einem Uniport). Manchmal jedoch erfolgt der Transport von zwei unterschiedlichen Molekülen gleichzeitig in eine Richtung (Symport) oder in entgegengesetzte Richtungen (Antiport). Die Regulation der Durchflußmenge (v. a. bei Wasser- und Ionenkanälen) kann auch über sog. Schaltermoleküle (Rezeptoren) in der Membran, die nahe den transportierenden Membranproteinen stehen, oder durch Spannungsänderungen in der Umgebung erfolgen. So ist eine automatische Regulation bei erreichen maximal verwertbarer Stoffaufnahme oder der alleinigen Aktivierung der Carrier beim Vorliegen erwünschter Stoffe möglich