Auf­ga­be Aqua­po­ri­ne

Stoff­trans­port durch die Bio­mem­bran 

Va­ri­an­te 1
Aqua­po­ri­ne - die Was­ser­fil­ter der Zelle und ihre Ent­de­ckung

Im fol­gen­den Text be­schrei­ben Bert L. de Groot und Hel­mut Grub­mül­ler die Funk­ti­ons­wei­se der Aqua­po­ri­ne und er­läu­tern, wie die ent­spre­chen­den wis­sen­schaft­li­chen Er­kennt­nis­se er­mit­telt wur­den.

Auf­ga­ben

1. Be­schrei­ben Sie in ei­ge­nen Wor­ten die Funk­ti­ons­wei­se des Aqua­po­rins!
2. Er­läu­tern Sie die Be­deu­tung des be­schrie­be­nen Mo­dells für die Er­for­schung des Aqua­po­rins! Be­rück­sich­ti­gen Sie hier­bei den Wis­sens­stand vor der Mo­del­l­ent­wick­lung und den durch das Mo­dell er­reich­ten Er­kennt­nis­fort­schritt!

Ab­bil­dung: Was­ser­durch­tritt durch einen Aqua­po­rin-Kanal: In der Mitte des Ka­nals bil­den die Was­ser­mo­le­kü­le Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen zu den an­gren­zen­den Ami­no­säu­ren aus, so dass die Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen zwi­schen den Was­ser­mo­le­kü­len un­ter­bro­chen wer­den.
Quel­le: A. Mei­sert MNU 07 Jahr­gang 62, Ok­to­ber 2009, S. 429

Aqua­po­ri­ne sind Pro­te­ine, die einen was­ser­lei­ten­den Kanal durch die Zell­mem­bran for­men; sie fin­den sich in der anson­sten wasser­undurchlässigen Zell­mem­bran vie­ler Pflan­zen und Tiere. [...]

So las­sen die Aqua­po­ri­ne zwar Was­ser­mo­le­kü­le hin­durch, ver­hin­dern aber, dass die Zelle Nähr­stoff­mo­le­kü­le oder Salz-Ionen ver­liert. Ob­wohl diese Ka­nä­le so fein­po­rig sind, dass nur eine Kette ein­zel­ner Was­ser­mo­le­kü­le hindurch­passt, er­rei­chen Aqua­po­ri­ne die er­staun­lich hohe Wasser­leitfähigkeit von bis zu drei Mil­li­ar­den Was­ser­mo­le­kü­len pro Se­kun­de und Kanal. Eine 10 x 10 cm² große Mem­bran mit ein­ge­bet­te­ten Aqua­po­ri­nen könn­te somit etwa einen Liter Was­ser in we­ni­gen Se­kun­den fil­tern. [...]

Wie aber er­füllt das Pro­te­in diese wi­der­strei­ten­den An­for­de­run­gen? Erste Ant­wor­ten er­ga­ben sich be­reits aus der räum­li­chen Atom­struk­tur des Aqua­po­rins, die zu­nächst mit Hilfe cryo-elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­scher Mes­sun­gen und spä­ter auch durch Röntgen­strukturanalysen auf­ge­klärt wurde. Es zeig­te sich, dass das Pro­te­in in der Zell­mem­bran einen zwei Na­no­me­ter lan­gen und an der engs­ten Stel­le nur 0,3 Na­no­me­ter brei­ten Kanal bil­det - ge­ra­de groß genug, um ein ein­zel­nes Was­ser­mo­le­kül pas­sie­ren zu las­sen. Diese Enge kön­nen grö­ße­re Mo­le­kü­le gar nicht erst pas­sie­ren. Die Evo­lu­ti­on hat dar­über hin­aus aber auch eine Ant­wort auf die Frage ge­fun­den, wie sich in einem sol­chen Kanal der Durch­fluss klei­ne­rer Ionen blo­ckie­ren lässt. Nun ist Was­ser selbst ein re­la­tiv guter Pro­to­nen­lei­ter; nach dem sog. Grott­huss-Me­cha­nis­mus sprin­gen die Pro­to­nen dort sehr schnell über Was­ser­stoff­brü­cken von Was­ser­mo­le­kül zu Was­ser­mo­le­kül. Wie also ver­hin­dert das Aqua­po­rin, dass sich der Pro­to­nen­fluss auch ent­lang der mo­no­mo­le­ku­la­ren Was­ser­ket­te durch den Mem­brank­a­nal fort­setzt? [...]

Mit Hilfe ato­mar auf­ge­lös­ter Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen ge­lang es kürz­lich, die Be­we­gung ein­zel­ner Was­ser­mo­le­kü­le durch einen Aqua­po­rin-Kanal im De­tail und ‚in Echt­zeit’ zu si­mu­lie­ren. Für diese Si­mu­la­tio­nen wurde das Pro­te­in im Com­pu­ter als Mo­dell Atom für Atom ‚nach­ge­baut’, in eine Mem­bran ein­ge­bet­tet und mit einer gro­ßen Zahl von Was­ser­mo­le­kü­len um­ge­ben, so dass es sich quasi in sei­ner na­tür­li­chen Um­ge­bung be­fand. Ins­ge­samt um­fass­te das Mo­dell etwa 100.000 Atome, deren Be­we­gun­gen in an­schlie­ßen­den so ge­nann­ten Mo­le­ku­lar­dy­na­mik-Si­mu­la­tio­nen ak­ku­rat be­rech­net wur­den; für diese Si­mu­la­tio­nen waren meh­re­re Mo­na­te Re­chen­zeit er­for­der­lich. Ent­stan­den ist eine Film­se­quenz, in der jedes De­tail der Be­we­gung ein­zel­ner Was­ser­mo­le­kü­le am Bild­schirm be­trach­tet und ana­ly­siert wer­den kann. Die Durch­fluss­ge­schwin­dig­keit des Was­sers wurde durch die Si­mu­la­ti­on kor­rekt wie­der­ge­ge­ben, ein wich­ti­ger Test für die Gül­tig­keit des Mo­dells. Wei­te­re Si­mu­la­ti­ons­rech­nun­gen, die das ‚Sprin­gen’ der Pro­to­nen von einem Was­ser­mo­le­kül zum nächs­ten ex­pli­zit be­schrei­ben konn­ten, of­fen­bar­ten noch einen zwei­ten Kniff aus der Trick­kis­te von Mut­ter Natur: Ent­lang des Ka­nals baut das Aqua­po­rin ein star­kes elek­tri­sches Feld auf, das eine dop­pel­te Po­ten­zi­al­bar­rie­re - so­wohl für ne­ga­tiv, als auch für po­si­tiv ge­la­de­ne Ionen - er­zeugt und damit den Durch­fluss von Pro­to­nen und an­de­ren Ionen ver­hin­dert, die neu­tra­len Was­ser­mo­le­kü­le je­doch na­he­zu un­ge­hin­dert pas­sie­ren lässt. Nach­fol­gen­de un­ab­hän­gi­ge Rech­nun­gen haben die­sen Me­cha­nis­mus be­stä­tigt.

Quel­le: Ver­än­dert nach A. Mei­sert MNU 07 Jahr­gang 62, Ok­to­ber 2009, S. 429

Lö­sung Va­ri­an­te 1

Va­ri­an­te 2

Lö­sung Va­ri­an­te 2

Auf­ga­be Aqua­po­ri­ne: Her­un­ter­la­den [pdf] [188 KB]

Auf­ga­be Aqua­po­ri­ne: Her­un­ter­la­den [doc] [135 KB]