Protonen-Rennen in der Zelle simuliert

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<br>

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

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

Ansprechpartner für Medien

Tobias Schlößer Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Diamanten brauchen Spannung

Diamanten faszinieren – nicht nur als Schmucksteine mit brillanten Farben, sondern auch wegen der extremen Härte des Materials. Wie genau diese besondere Variante des Kohlenstoffs tief in der Erde unter…

Die Entstehung erdähnlicher Planeten unter der Lupe

Innerhalb einer internationalen Zusammenarbeit haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ein neues Instrument namens MATISSE eingesetzt, das nun Hinweise auf einen Wirbel am inneren Rand einer planetenbildenden Scheibe…

Getreidelagerung: Naturstoffe wirksamer als chemische Insektizide

Senckenberg-Wissenschaftler Thomas Schmitt hat die Wirksamkeit von Kieselerde und einem parasitischen Pilz als Schutz vor Schadinsekten an Getreide im Vergleich zu einem chemischen Insektizid untersucht. Gemeinsam mit Kollegen aus Pakistan…

Partner & Förderer

Indem Sie die Website weiterhin nutzen, stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu. mehr Informationen

Die Cookie-Einstellungen auf dieser Website sind so eingestellt, dass sie "Cookies zulassen", um Ihnen das bestmögliche Surferlebnis zu bieten. Wenn Sie diese Website weiterhin nutzen, ohne Ihre Cookie-Einstellungen zu ändern, oder wenn Sie unten auf "Akzeptieren" klicken, erklären Sie sich damit einverstanden.

schließen