Substratzufuhr

Substratzufuhr bezeichnet die Bereitstellung und den Transport von chemischen Substraten zu einem biologischen System, etwa einer Zelle, einem Gewebe oder einem Bioreaktorsystem, um Stoffwechselreaktionen zu ermöglichen. Sie umfasst sowohl die Zufuhr von Nährstoffen über das Kreislaufsystem als auch den zellulären Transport in und zwischen Kompartimenten. Die Substratzufuhr ist damit ein zentraler Faktor für Wachstum, Energiegewinnung und Produktbildung.

Wesentliche Mechanismen der Substratzufuhr sind passiver Transport, erleichterte Diffusion und aktiver Transport durch Membranproteine. Neben dem Membrantransport spielen auch der Blutfluss, die Gewebedurchblutung und die Verfügbarkeit des Substrats im extrazellulären Raum eine Rolle. Wichtig sind zudem die Eigenschaften des Substrats selbst, wie Größe, Ladung, Lipidlöslichkeit und Bindung an Trägerstoffe, sowie der Zustand des Gewebes oder Zelltyps, der Transportproteine exprimiert. In Pflanzen, Bakterien und Säugetieren unterscheiden sich die Transportsysteme (zum Beispiel Zuckertransporter wie GLUT-Proteine bei Menschen oder das Phosphotransfer-System bei Mikroorganismen).

Regulation und Effizienz der Substratzufuhr beeinflussen stark die Stoffwechselrate. Hormone wie Insulin erhöhen die Glukoseaufnahme in bestimmten Zellen, während Nährstoffmangel oder Schuld von Transportproteinen zu Einschränkungen führen können. In der Bioproduktion wird die Substratzufuhr durch Strategien wie Fed-Batch- oder kontinuierliche Zufuhr gesteuert, um Substrathemmungen zu vermeiden und Wachstums- bzw. Produktkinetik zu optimieren.

Messung der Substratzufuhr erfolgt durch Bestimmung der Substratkonzentrationen im Medium oder im Zellenbestand, Uptake-Raten oder metabolische Fluxanalysen. Modelle wie Monod- oder Michaelis-Menten-Kinetik helfen, Uptake und Verwertung in Reaktionssystemen zu beschreiben.