Ionenpumpen

Ionenpumpen bezeichnen in der Biologie und in der Technik unterschiedliche, aber verwandte Konzepte. Im biologischen Kontext sind Ionenpumpen Membranproteine, die Ionen durch eine Zellmembran gegen ein elektrochemisches Gefälle transportieren und dafür Energie verwenden. In der Vakuumtechnik bezeichnet der Begriff Vorrichtungen, die durch Ionisation von Gasmolekülen und anschließende Adsorption oder Getter-Effekte Gase aus dem System entfernen und so den Druck senken.

In der Biologie gehören zu den wichtigsten Ionenpumpen die Natrium-Kalium-ATPase (Na+/K+-ATPase), die Calcium-ATPase (Ca2+-ATPase) und Protonenpumpen (z. B. H+-ATPase). Diese primären aktiven Transporter verbrauchen ATP oder nutzen Membranpotenziale, um Ionen gegen ihr Gradienten zu verschieben. Typische Beispiele sind 3 Na+ aus der Zelle gegen 2 K+ in die Zelle pro ATP-Molekül bei der Na+/K+-ATPase. Ionenpumpen tragen zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials, zur Regulierung des Zellvolumens, zur pH-Homöostase und zur Signalweiterleitung bei. Sie arbeiten oft eng mit anderen Transportsystemen zusammen und werden durch Hormone, Neurotransmitter und zelluläre Energielieferanten reguliert.

In der Vakuumtechnik ermöglichen Ionenpumpen das Erreichen sehr niedriger Drücke in Hochvakuumsystemen. Typische Prinzipien sind die Ionisation von Restgasen durch Elektronenströme und deren Beschleunigung auf eine Gettering- oder Kathodenseite, wo die Ionen zurückgeführt, neutralisiert und chemisch an der Oberfläche gebunden werden. Sputter-Ionenpumpen nutzen Metalloberflächen (z. B. Titan), auf die Ionen treffen und dort haften bleiben. Ionpumpen sind wichtig in Teilchenbeschleunigern, Elektronenmikroskopen und Halbleiterfertigung.