Linzer Forscher klären wie Wasser in und aus Zellen fließt

Wie Wasser über spezielle Proteinkanäle in und aus Zellen fließt, haben Linzer Biophysiker nun geklärt. Bisher war unklar, wie die Aquaporine genannten Wasserkanäle funktionieren, die teilweise so eng sind, dass sie Wassermoleküle nur einzeln durchlassen. Die Durchflussmenge wird von der Zahl bestimmter Aminosäuren in den Kanälen bestimmt, berichten die Forscher im Fachjournal "Science Advances".

Alle Lebewesen mit Zellwänden besitzen diese wasserleitenden Proteine - beim Menschen sind 13 verschiedene Aquaporine bekannt. Sie helfen, Wasser durch Zellwände und Membranen zu transportieren.

Winzige Kanäle

"Man darf sich Aquaporine nicht wie ein Rohr mit fixem Durchmesser vorstellen, sie sind einmal weiter, dann wieder sehr eng mit einem Durchmesser von nur drei Angström (ein Angström entspricht einem Milliardstel Millimeter, Anm.)", erklärte Peter Pohl vom Institut für Biophysik der Universität Linz gegenüber der APA. Solche Engstellen müssen die Wassermoleküle quasi im Gänsemarsch passieren, sich dabei teilweise drehen und rutschen dann nur mithilfe der thermischen Bewegung der Kanalwand durch.

Während man über die Funktionsweise von Ionen-Kanälen etwa für Kalium- oder Natrium-Ionen schon recht gut Bescheid weiß, ist über jene von Wasserkanälen noch vieles unklar. Die Wissenschafter haben in ihrer Studie Bakterien und Hefe verschiedene Aquaporine produzieren lassen und diese dann in die Hülle von hohlen Fettkügelchen (Liposomen) eingebaut. Die Wasserkanäle wurden zudem gefärbt, um ihre genaue Anzahl pro Kügelchen bestimmen zu können.

Aminosäure-Ventile

Mithilfe einer speziellen Technik konnten die Wissenschafter beobachten, wie die nur 100 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) großen Liposomen über die Aquaporine Wasser verlieren und schrumpfen. So konnten sie die Durchflussmenge der einzelnen Wasserkanäle berechnen.

Bei der Analyse der Strukturen an den Innenwänden der Wasserkanäle zeigte sich, dass die Durchflussmenge von der Zahl bestimmter Aminosäuren abhängt, die an den Engstellen vorhanden sind. "Konkret sind das jene Aminosäuren, die Wasserstoffbrückenbindungen machen", sagte Pohl. Gibt es an einer Engstelle eine hohe Zahl solcher Aminosäuren, binden die Wassermoleküle häufig daran und der Durchfluss verlangsamt sich.

Weil durch Kalium- oder Natriumkanäle nicht nur Ionen, sondern auch Wasser fließen, sind die neuen Erkenntnisse auch für das Verständnis der Ionenkanäle interessant. Auch im Bereich synthetische Biologie könnten sie Anwendung finden. So versucht man, Aquaporin-Membranen zur Filterung von Wasser nachzubauen. "Da ist es nützlich zu wissen, wie man einen Kanal bauen muss, damit möglichst viel Wasser durchkommt und somit die Effektivität des Filters zu steigern", sagte Pohl.