Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Protonen-Rennen in der Zelle simuliert

11.06.2012
Wie sich Protonen an den Membranwänden biologischer Zellen fortbewegen, ist eine der entscheidenden Fragen zum Verständnis bioenergetischer Prozesse.

Jülicher und Linzer Wissenschaftler haben mit experimentellen Untersuchungen und Computersimulationen in einem vereinfachten Modell jetzt wichtige Erkenntnisse über die Transportprozesse gewonnen.


Ab initio Molekulardynamik Simulation eines Protons (gelbe Kugel) auf einer Grenzfläche aus Wasser (rote Kugeln: Sauerstoff, weiße Kugeln: Wasserstoff) und einer hydrophoben Oberfläche (gepunktetes blaues Gitter) aus n-Dekan (grüne Stäbchen). Die eingefügte Schemazeichnung zeigt den Mechanismus der schnellen Protonenwanderung in der zweiten Wasserschicht (orange), während Protonen in der ersten Wasserschicht (gelb) an der Oberfläche haften. Quelle: Forschungszentrum Jülich


Protonenwanderung entlang einer wasserabweisenden, hydrophoben Oberfläche (n-Dekan als grüne Stäbchen, links im Bild). Das Proton springt von einem Wassermolekül (rot-weiße Stäbchen) zum nächsten, wobei die aktuelle Position durch die transparente gelbe Kugel angezeigt wird. Unbeteiligte Wassermoleküle sind hellrot dargestellt. In der ersten Wasserschicht bleibt das Proton in direkter Nachbarschaft zur hydrophoben Oberfläche zunächst haften. Sobald das Proton in die zweite Wasserschicht wandert, kann es zu benachbarten Wassermolekülen springen und sich nahezu ungehindert in dieser Schicht entlang der Oberfläche fortbewegen ohne dabei vollständig in die wässrige Phase abzuwandern.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Sie haben eine Grenzschicht entdeckt, in der Protonen praktisch ungehindert entlangwandern können, ohne die Bindung zur Membranoberfläche zu verlieren. Die Ergebnisse wurden online in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht (DOI: 10.1073/pnas.1121227109).

Der Protonen-Transport spielt eine Schlüsselrolle beim Zellstoffwechsel, etwa bei der Bildung von Adenosintriphosphat (ATP), der Hauptenergiequelle in Zellen aller bekannten Organismen. Spezielle Enzyme wirken dabei als „Protonenpumpen“. Sie steuern die Prozesse, indem sie innerhalb und außerhalb von Zellen und Teilen der Zelle wie den Mitochondrien einen Protonengradienten, also eine unterschiedlich starke Protonenkonzentration, herbeiführen.

Die Membranoberfläche ist dabei ein wichtiger Weg für den Protonen-Transport. Die Protonen wandern dort erstaunlich schnell, ähnlich schnell wie in reinem Wasser. Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass sie nicht durch die Bindung an die Membranoberfläche abgebremst werden, war bis jetzt ungeklärt.

Wissenschaftler der German Research School for Simulation Sciences und des Bereichs „Computational Biomedicine“ des Institutes for Advanced Simulation (IAS-5) am Forschungszentrum Jülich berichten in PNAS zusammen mit der österreichischen Gruppe von Peter Pohl aus dem Institut für Biophysik der Universität Linz über entscheidende Fortschritte bei der Lösung dieses Rätsels, die sie mit einem minimalistischen Modellsystem erzielt haben.

Dazu haben sie die Protonendynamik auf einer Grenzfläche aus Wasser und einer hydrophoben, wasserabweisenden, Oberfläche (n-Dekan) mit sogenannten mikrofluorimetrischen Experimenten beobachtet. Anschließend wurde der Vorgang in aufwendigen Molekulardynamik Simulationen, die quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen den Atomen und Molekülen berücksichtigen, auf dem Jülicher Supercomputer JUGENE nachgestellt.

Das Team konnte zeigen, dass die Protonen in einer ersten, direkt an der hydrophoben Membranoberfläche liegenden Wasserschicht größtenteils haften bleiben. Darüber hinaus konnte es aber noch eine zweite, weiter außen liegende Grenzschicht ausmachen, in der sich die Protonen praktisch ungehindert schnell bewegen können. Gleichzeitig bestehen in dieser Schicht ausreichend starke Anziehungskräfte, die verhindern, dass die Protonen vollständig in die wässrige Phase abwandern. Die Berechnungen wurden durch den europäischen Verbund für das Hochleistungsrechnen PRACE gefördert. Auf einem einzelnen Standard-PC hätten sie fast 5.000 Jahre gedauert, der Jülicher Parallelrechner JUGENE benötigte für die insgesamt 40 Millionen Prozessorstunden „nur“ 100 Tage.

Originalveröffentlichung:
Chao Zhang, Denis G. Knyazev, Yana A. Vereshchaga, Emiliano Ippoliti, Trung Hai Nguyen, Paolo Carloni, Peter Pohl
Water at hydrophobic interfaces delays proton surface-to-bulk transfer and provides a
pathway for lateral proton diffusion
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012
DOI: 10.1073/pnas.1121227109
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Paolo Carloni
Tel. 02461 61-8941
p.carloni@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2012/12-06-11PNAS_Protonenrennen.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie