Chemienobelpreis 2003: Wasser und Ionen für die Zellen

Der Weg des Wassers

Die Arbeiten der beiden Forscher Agre und MacKinnon stehen in einer langen Reihe wichtiger Analysen zu den Transportvorgängen in den Zellmembrankanälen.

Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts waren vor allem die Forstbotaniker am Wassertransport in den Bäumen interessiert. Der Stofftransport in Phloem und Xylem wurden ebenso lebhaft diskutiert wie der parenchymatische Nahtransport zwischen den Zellen.

1891 bereits hatte Strasburger festgestellt, dass das Steigen des Saftes im Xylem rein physikalisch bedingt sei und nicht von lebenden Zellen abhänge. Die fehlenden technischen Möglichkeiten der Analyse solcher Vorgänge beließ die Diskussion jedoch im spekulativen Raum. Der Transportweg im Gewebe blieb deshalb bis in die 1950er-Jahre weitgehend ungeklärt.

Dass auch die Zellen tierischer Organismen spezifische Kanäle für den Wassertransport besitzen müssen, ahnte man ebenfalls bereits vor mehr als hundert Jahren. Vor etwa fünfzig Jahren ist klar geworden, dass die einzelnen Zellen selektiv und sehr schnell Wassermoleküle durch die Membran schleusen können. Die Suche nach dem spezifischen Filter begann. Doch erst die moderne Molekularbiologie war in der Lage, die Frage nach dem Regulativ des Zellinnendrucks zu beantworten.

Peter Agre begann Mitte der Achtzigerjahre verschiedene Membranproteine der Roten Blutkörperchen und der Niere zu studieren. Nachdem er die Peptidsequenzen und DNA-Sequenzen analysiert hatte, stellte er bei einem Protein hohe Übereinstimmung zwischen Erythrozyt und Niere fest. Er schlussfolgerte aus seinen Untersuchungen, dass es sich um den Baustoff des so lange gesuchten Wasserkanals in der Zellmembran handeln müsse, und nannte das Protein Aquaporin (AQP).

Agre testete seine Hypothese, indem er Zellen mit und ohne AQP verglich. In einer wässrigen Lösung nahmen die Zellen mit AQP osmotisch Wasser auf, während die Zellen ohne AQP dazu nicht in der Lage waren. Die nähere Analyse des Aquaporins ergab, dass der von ihm gebildete Kanal hoch selektiv ist. Da das AQP an der Kanalwand positiv geladen ist, werden Kationen gebunden und können nicht passieren. Dagegen können Milliarden von Wassermolekülen in der Sekunde den Kanal durchströmen.

Das macht verständlich, dass sich der Wasserhaushalt der Gewebe sehr schnell regulieren kann (Abb. 1).

Hochleistungskanäle in der Niere

Diese entscheidende Entdeckung öffnete die Tür zu einer ganzen Reihe biochemischer, physiologischer und genetischer Studien zu Wasserkanälen in Bakterien, Pflanzen und Säugetieren.

Heute können die Forscher einem Wassermolekül auf dem Weg durch die Zellmembran im Detail folgen und verstehen, weshalb nur Wasser, aber keine anderen kleinen Moleküle oder Ionen durch diesen Kanal schlüpfen. Viele Probleme können nun untersucht werden. So hofft Agre, dass z. B. krankhafte Störungen des Speichelflusses oder der Schweißabsonderung besser verstanden werden.

Aquaporine sind mittlerweile im ganzen Organismenreich gefunden worden. Allein im Menschen arbeiten mindestens elf Varianten.

Vor allem für die Funktion der Niere ist dieses Protein von zentraler Bedeutung: Der Primärharn – das sind innerhalb von 24 Stunden im Mittel etwa 170 Liter, die die Glomeruli der Niere aus dem Blut filtern – wird zu 99 Prozent in den Tubuli rückresorbiert, und zwar größtenteils durch Membrankanäle der Aquaporintypen AQP1 und AQP2.

Das Antidiuretische Hormon (Adiuretin, Vasopressin) stimuliert den Transport von AQP2 zu den Tubuli und verstärkt auf diese Weise die Rückresorption. Ein Vasopressin-Defizit führt deshalb zum Krankheitsbild des Diabetes insipidus, das durch tägliche Urinmengen von vier bis zwölf Litern (in Extremfällen 40 l/Tag) gekennzeichnet ist.

Ohne Ionen kein Aktionspotenzial

Neben den Wasserkanälen stellen die Ionenkanäle überaus wichtige Pforten in den Zellmembranen dar. Wilhelm Ostwald, 1909 mit dem Chemienobelpreis ausgezeichnet, hatte bereits 1890 vermutet, dass die in lebendem Gewebe gemessenen elektrischen Signale vom Ionendurchtritt durch die Zellmembranen stammen.

"Zellen signalisieren mit Salz", nannte er das. Als Begründer der Bioelektrochemie gilt allerdings Julius Bernstein (1839 – 1917) von der Universität Berlin, der entdeckte, dass das Aktionspotenzial der Nervenzellen durch ein Ungleichgewicht der Ionenverhältnisse an der Neuronenmembran entsteht. Die Vorstellung, dass die Ionen durch enge Kanälen wandern, entstand dann in den 1920er-Jahren.

Vor allem die Neuronen war in der Folge Gegenstand intensiver Forschungen. 1963 erhielten Alan Hodgkin und Andrew Huxley für ihre Arbeiten zum Aktionspotenzial den Nobelpreis für Medizin. Sie konnten schon Anfang der Fünfzigerjahre zeigen, wie der Transport von Calcium- und Natriumionen durch die Zellmembran ein Signal produziert, das sich von Neuron zu Neuron fortpflanzt.

Ein wichtiger Meilenstein war auch der direkte Nachweis von Ionenkanälen durch Erwin Neher und Bert Sakmann (Medizinnobelpreis 1991), damals am Max-Planck-Institut für Membranbiophysik in Göttingen. Mit ihrer Patch-Clamp-Technik revolutionierten sie die Analyse der Vorgänge an den Zellmembranen.

Und gerade vor drei Jahren wurden Arvid Carlsson, Paul Greengard und Eric Kandel mit dem Nobelpreis für ihre Arbeiten zur Signalübertragung an Neuronen ausgezeichnet. Die Funktion der Ionenkanäle und deren hohe Selektivität ist also lange bekannt gewesen.

Von der Hypothese zur Sensation

Doch wie sie wirklich aussahen und wie der Mechanismus tatsächlich arbeitet, wusste niemand. Von besonderem Interesse waren in den letzten dreißig Jahren die Kalium- und Natriumionen, da sie sich mit einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben. Da die Hydrathülle beim Transmembrantransport hinderlich ist, wurde vermutet, dass sie im Ionenkanal durch Sauerstoffatome ersetzt wird.

Zur Überprüfung der Hypothese war eine Röntgenstrukturanalyse der Transmembranproteine nötig, ein extrem schwieriges Unterfangen, weil zuvor die Proteine in großer Zahl produziert und aus ihnen reine Kristalle gezüchtet werden müssen.

Deshalb war es eine Sensation, als Roderick MacKinnon 1998 die erste hochaufgelöste räumliche Struktur eines Kaliumionenkanals veröffentlichte. Es war allerdings der Ionenkanal eines Bakteriums (Streptomyces lividans), der sehr viel einfacher strukturiert ist als Ionenkanäle von Pflanzen- oder Tierzellen.

MacKinnon zeigte auch zum ersten Mal auf atomarer Ebene, wie ein Ionenkanal funktioniert. Er machte sichtbar, wie das hydratisierte Kaliumion an den Ionenkanal heranschwimmt, dann die Hydrathülle durch Sauerstoffatome substituiert und die Zellmembran durchdringt (Abb. 2). Seine Analysen offenbarten, dass die Natriumionen ihre Hydrathülle in einem Kaliumkanal nicht durch Sauerstoffatome substituieren können und deshalb den Kanal nicht passieren können (Abb. 3).

Die Fähigkeit des Ionenkanals, das Kaliumion von seiner Hydrathülle zu befreien und ohne Energieverlust durch die Membran in die Zelle zu schleusen, wird als selektiver, katalytischer Ionentransport beschrieben. Solche Ionenkanäle zu verstehen, ist fundamental wichtig, um die Vorgänge in den Nerven- und Muskelzellen, vor allem denen des Herzens, nachvollziehen zu können.

Funktionelle Störungen der Ionenkanäle führen zu sehr ernsthaften Krankheiten, wiederum vor allem im Nervensystem und in den Muskeln. Ionenkanäle sind deshalb erste Anwärter als Zielorte für neue Arzneistoffe.