Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Protonen durch die Zellmembran wandern

18.04.2007
Bakteriorhodopsin im virtuellen Labor untersucht
RUB-Chemiker berichten in PNAS

Rasant schnell transportieren Bakterien mit Hilfe des Proteins Bakteriorhodopsin Protonen durch ihre Zellmembran nach außen. Wie diese lichtbetriebene "Pumpe" im Detail funktioniert, haben Wissenschaftler der DFG-Forschergruppe 436 "Grenzflächenwasser" an der Ruhr-Universität jetzt herausgefunden. Dank virtuellem Labor im Supercomputer konnten sie beobachten, wie die Wassermoleküle im Innern des Proteins kleine Ketten bilden. Man kann sich vorstellen, dass diese Ketten die Protonen wie ein "Nano-Stromkabel" bis auf die Außenseite der Zellmembran leiten. "Dieses Ergebnis stützt die Auffassung, dass Wasser in vielen natürlich vorkommenden Proteinen nicht nur sozusagen ein passiver Beobachter ist, sondern im Gegenteil, eine wesentliche funktionelle Rolle spielt", erklärt Professor Dominik Marx (Lehrstuhl für Theoretische Chemie). Die Ergebnisse sind in der aktuellen online-Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht.

Wasser und Proteine: Innen nass!

Das Bakteriorhodopsin arbeitet wie eine mit Lichtenergie angetriebene Pumpe, die Protonen (Wasserstoffkerne) gegen einen 10.000-fachen Konzentrationsunterschied durch die Zellmembran aus der Zelle heraus drückt. Bakteriorhodopsin reicht durch die Zellmembran hindurch und bildet sieben Spiralen (Helices), die so gepackt sind, dass sie eine Röhre bilden, in die sich kleine "Wasserpfützen" (Clusternetzwerke) einlagern können. So entsteht ein wassergefüllter Kanal für den kontrollierten Transport von Protonen durch die Zellwand. Der eigentliche Transportprozess lässt sich experimentell nur schwierig untersuchen. Eine der wenigen Möglichkeiten dazu ist die zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie, wie sie in Bochum auf höchstem Niveau betrieben wird (siehe u.g. Presseinformationen). "Deren Ergebnisse, die Infrarot-Spektren, geben deutliche Hinweise darauf, dass dieses interne Wasser eine wesentliche Rolle beim Transport von Protonen durch Bakteriorhodopsin spielt", so Prof. Marx. Allerdings lassen sich die Spektren nicht unmittelbar und eindeutig in atomistisch aufgelöste Bilder übersetzen. "Der Clou besteht darin, dass sich einzelne Wassermoleküle während der Wanderung der Protonen permanent zersetzen und wieder zusammensetzen, also andauernd kleinen chemischen Reaktionen unterworfen sind. Wie wir seit Jahren für verschiedene Systeme zeigen konnten, erklärt erst dieses Phänomen die rasant schnelle Bewegung von Protonen in Wassernetzwerken, und womöglich auch die Effizienz von Bakteriorhodopsin", erläutert Prof. Marx.

Virtuelle Experimente: Tiefe Einblicke mit TeraFlops

Prof. Marx und seine Mitarbeiter bedienen sich daher eines "virtuellen Labors": Sie untersuchen seit Jahren die Bewegung von Protonen in Wassernetzwerken mit modernsten Computersimulationen. Im Fall von Bakteriorhodopsin mussten sie erstmals eine so genannte Multiskalenmethode einsetzen, um die lokale Situation des Protons genau beschreiben und gleichzeitig die Umgebung in die Rechnung einbeziehen zu können, also das Protein selbst, aber auch die Zellmembran und die umgebende Zellflüssigkeit. "Diese biophysikalische Fragestellung war eine enorme Herausforderung für uns, so dass unsere Arbeiten erst nach mehreren Jahren zum Durchbruch geführt haben", so Prof. Marx. Anhand von Computersimulationen gelang ihm nun zusammen mit Dr. Gerald Mathias der direkte Nachweis, dass bestimmte Infrarotsignale der bakteriellen Protonenpumpe von eingelagerten Wassermolekülen stammen, die ein zusätzliches Proton beherbergen. "Man kann sich vorstellen, dass dieser Wassercluster wie ein Schwamm Protonen aufnehmen, speichern und wieder abgeben kann", veranschaulicht Dr. Mathias. Letztlich wird dieses Proton nach Lichteinfang des Proteins an die Außenseite der Bakterienmembran abgegeben. Der Prozess ermöglicht so bakterielle Photosynthese und damit Leben.

Von Clustern, Ketten und Quantenmechanik

"Interessanterweise scheinen die eingelagerten Wassermoleküle kleine Ketten zu bilden, entlang derer sich das Proton leicht fortbewegen kann", so Dr. Mathias. "Man kann nun spekulieren, dass solche Ketten oder 'Drähte' die Protonen durch die Zellwand leiten, ähnlich wie ein Kupferkabel den elektrischen Strom in der Wand." Um diesen Aspekt weiter zu untersuchen, kam Dr. Alain Chaumont als Humboldt-Stipendiat an den Lehrstuhl von Prof. Marx. Überraschend für die Forscher waren die sehr niedrigen Energiebarrieren, die das Proton während seiner Reise überwinden muss. Die virtuellen Experimente geben indirekte Hinweise darauf, dass sogar quantenmechanische Prozesse (die so genannten Nullpunktschwingungen) relevant sind und eine zusätzliche "Schmiere" für den Prozess liefern. "Wie so oft in der Wissenschaft wird ein Problem gelöst, aber gleichzeitig werden neue Fragen aufgeworfen", so Prof. Marx. "Um sie zu untersuchen müssen wir allerdings unsere Simulationsmethode weiterentwickeln - im Kopf klappt das schon, aber es muss noch programmiert werden ..."

Titelaufnahme

G. Mathias and D. Marx, Structures and Spectral Signatures of Protonated Water Networks in Bacteriorhodopsin. In: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Published online before print April 16, 2007, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0609229104 http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0609229104v1

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NBCF 03/296, Tel. 0234/32-28083, Fax: 0234/32-14045, E-Mail: dominik.marx@theochem.rub.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.theochem.rub.de/go/br.html
http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0609229104v1
http://www.theochem.rub.de

Weitere Berichte zu: Bakteriorhodopsin ProTon Protein Zellmembran

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften