Linzer Wissenschafter erforschen Wasserkanäle in der Zellmembran

23. März 2015, 15:11
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Entscheidend für Durchflussmenge ist die Zahl bestimmter Aminosäuren in den Kanälen, heißt es in einer Studie der Universität Linz

Linz/Wien - Wie Wasser über spezielle Proteinkanäle in und aus Zellen fließt, haben Linzer Biophysiker nun geklärt. Bisher war unklar, wie die Aquaporine genannten Proteine, die Wasserkanäle in der Zellmembran bilden, funktionieren. Diese Kanäle sind teilweise so eng, dass sie Wassermoleküle nur einzeln durchlassen. Die Durchflussmenge wird von der Zahl bestimmter Aminosäuren in den Kanälen bestimmt, berichten die Forscher im Fachjournal "Science Advances".

Alle Lebewesen mit Zellwänden besitzen diese wasserleitenden Proteine - beim Menschen sind 13 verschiedene Aquaporine bekannt. "Man darf sich Aquaporine nicht wie ein Rohr mit fixem Durchmesser vorstellen, sie sind einmal weiter, dann wieder sehr eng mit einem Durchmesser von nur drei Angström", erklärte Peter Pohl vom Institut für Biophysik der Universität Linz. Solche Engstellen müssen die Wassermoleküle quasi im Gänsemarsch passieren, sich dabei teilweise drehen, um dann nur mithilfe der thermischen Bewegung der Kanalwand durchzurutschen.

Durchflussmenge berechnet

Während man über die Funktionsweise von Ionenkanälen etwa für Kalium- oder Natrium-Ionen schon recht gut Bescheid weiß, ist über jene von Wasserkanälen noch vieles unklar. Die Wissenschafter haben in ihrer Studie Bakterien und Hefe verschiedene Aquaporine produzieren lassen und diese dann in die Hülle von hohlen Fettkügelchen (Liposomen) eingebaut. Die Wasserkanäle wurden zudem gefärbt, um ihre genaue Anzahl pro Kügelchen bestimmen zu können.

Mithilfe einer speziellen Technik konnten die Forscher beobachten, wie die nur 100 Nanometer großen Liposomen über die Aquaporine Wasser verlieren und schrumpfen. So konnten sie die Durchflussmenge der einzelnen Wasserkanäle berechnen.

Entscheidende Aminosäuren

Bei der Analyse der Strukturen an den Innenwänden der Wasserkanäle zeigte sich, dass die Durchflussmenge von der Zahl bestimmter Aminosäuren abhängt, die an den Engstellen vorhanden sind. "Konkret sind das jene Aminosäuren, die Wasserstoffbrückenbindungen machen", sagte Pohl. Gibt es an einer Engstelle eine hohe Zahl solcher Aminosäuren, binden die Wassermoleküle häufig daran und der Durchfluss verlangsamt sich.

Weil durch Kalium- oder Natriumkanäle nicht nur Ionen fließen, sondern auch Wasser, sind die neuen Erkenntnisse auch für das Verständnis der Ionenkanäle interessant. Auch im Bereich synthetische Biologie könnten sie Anwendung finden. So versucht man, Aquaporin-Membranen zur Filterung von Wasser nachzubauen. "Da ist es nützlich zu wissen, wie man einen Kanal bauen muss, damit möglichst viel Wasser durchkommt und somit die Effektivität des Filters zu steigern", sagte Pohl. (APA, 23.3.2015)

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