Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Proteine Protonen leiten: RUB-Biophysiker klären Protonen-Transport in Zellen

09.03.2005


So wie der elektrische Strom mittlerweile unverzichtbar für das reibungslose Funktionieren unserer Zivilisation ist, sind exakt aufeinander abgestimmte Protonen-Ströme verantwortlich für die präzise Regulation von Prozessen in lebenden Zellen. Wie aber schaffen es die Zellen ohne Verkabelung, die Protonen gezielt und schnell zu leiten? Dr. Florian Garczarek und Prof. Dr. Klaus Gerwert vom Lehrstuhl für Biophysik der RUB konnten zeigen, dass Proteine wie geschickte Ingenieure durch Anwendung der grundlegenden Prinzipien des Protonen-Transports in Wasser einen extrem schnellen und gezielten Protonen-Transport in Zellen ermöglichen. Über ihre Entdeckung berichten die Forscher zusammen mit Janos Lanyi und Leonid Brown von der University of California, USA, in der aktuellen Ausgabe der renommierten US-Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Science).


Protein mit gebundenem Wasser. Unten: Das den Transportprozess reflektierende Infrarotmesssignal.



"Moses-Mechanismus" baut auf den Zufall



Protonen sind positiv geladene Atomkerne, also Wasserstoffatome ohne negativ geladene Elektronenhülle. Die Frage, wie Protonen in Wasser geleitet werden, hat viele renommierte Physikochemiker angezogen; ein prominent unter ihnen ist Manfred Eigen. Er konnte diese seinerzeit "unmessbar" schnellen Reaktionen in den 1960er-Jahren zum ersten Mal auflösen und wurde dafür mit dem Nobelpreis geehrt. Heute erlauben moderne Computersimulationen, diese Prozesse sichtbar zu machen: "In Wasser werden Protonen nach dem gleichen Muster transportiert wie Moses durch das rote Meer schritt", veranschaulicht Prof. Gerwert. "Vor ihm verschwand das Wasser und hinter ihm strömte es wieder zusammen." Das Proton wandert wie Moses entlang den Verbindungen zwischen den einzelnen Wassermolekülen, den sog. Wasserstoffbrücken. Dabei können sich die Protonen extrem schnell bewegen. Innerhalb von Picosekunden (ps, d.h. 10-12 Sekunden) oszillieren sie zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Für ihr Vorwärtskommen ist aber nicht diese schnelle Oszillation des Protons entscheidend, sondern das zufällige Ablösen eines Wassermoleküls aus dem Komplex auf einer Seite und seine Rückbindung auf der anderen Seite. Das Proton hüpft in die entstehende Lücke. Diesen Prozess hat daher ein israelischer Wissenschaftler als "Moses-Mechanismus" bezeichnet.

Proteine transportieren Protonen gezielt

Wie aber leiten die viel komplexer aufgebauten Proteine die Protonen? Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forscher den durch Licht ausgelösten Protonenpumpmechanismus des Bakteriorhodopsins. Bakteriorhodopsin ist ein in der Zellmembran eingebautes Protein. Es kann Licht absorbieren und in gezielte Protonentransfer-Reaktionen umsetzten: Die ein Proton umhüllenden Wassermoleküle in flüssigem Wasser werden im Protein, wie in der Arbeit gezeigt werden konnte, gezielt durch Aminosäuren ersetzt. Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Eine dieser Aminosäuren, Arg 82, wird dann definiert vom Protein in einem ganz bestimmten Arbeitsschritt bewegt. Im Wasser ist der Protonentransfer durch zufälliges Ablösen eines Wassermoleküls aus der Hydratschale bestimmt. Im Protein wird dieser Prozess durch eine gezielte Bewegung einer Aminosäure zu einem genauen Zeitpunkt induziert. Somit können Proteine sehr schnell und sehr gezielt die leicht beweglichen Protonen transportieren. Die sich in der Membran ansammelnden Protonen können vergleichbar einem Stausee an anderer Stelle der Membran abgelassen werden, um dort die Turbinen eines anderen Proteins, einer ATPase anzutreiben. Dieses Protein kann die Rotation der Turbinen dazu nutzen, die Bausteine ADP und Pi zu dem energiereichen ATP zusammen zusetzen. ATP ist der Treibstoff der belebten Natur. Bakteriorhodopsin betreibt Photosynthese, bei der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.

Neue Methode erlaubt Einblicke

Prof. Gerwert und sein Team konnten den lichtgetriebenen Protonenpumpmechanismus des Bakteriorhodopsins dank eigens entwickelten spektroskopischen Methode untersuchen. "Diese sog. zeitaufgelöste trFTIR-Methode erlaubt es, Prozesse in Proteinen quasi wie mit einer Videokamera aufzunehmen", erläutert Gerwert. "Aber erst die interdisziplinäre Kombination dieser innovativen physikalischen Methode mit modernsten genetischen Methoden konnte alle bisherigen Widersprüche über den Protonentransportmechanismus, die unter Wissenschaftlern weltweit diskutiert wurden, klären."

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.bph.rub.de

Weitere Berichte zu: Aminosäure Bakteriorhodopsin Gerwert ProTon Protein Protonen-Transport Prozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Behandlungsansatz für Juckreizgeplagte
15.08.2018 | Universität Zürich

nachricht Cholestase: Riss in Lebermembran lässt Galle abfließen
15.08.2018 | Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund

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: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Macht Sinn: Fraunhofer entwickelt Sensorsystem für KMU

15.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

15.08.2018 | Informationstechnologie

FKIE-Wissenschaftler präsentiert neuen Ansatz zur Detektion von Malware-Daten in Bilddateien

15.08.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics