Nobelpreis für Schleusen in der Zellhülle
Die Kanäle des Lebens

Menschen bestehen zu ungefähr 70 Prozent aus Wasser und vielen darin gelösten Salzen. Wie dieses Wasser aber in die Zellen hinein und aus ihnen heraus kommt, wie es durch die Zellmembran transportiert wird, das war bis vor wenigen Jahren unbekannt.

HB STOCKHOLM. Die Amerikaner Roderick MacKinnon und Peter Agre haben bis auf die atomare Ebene herab geklärt, wie kleine Schleusen für Wasser und Salze den Flüssigkeitshaushalt der Körperzellen regulieren. Damit klärten sie eines der Prinzipien des Lebens und bekommen dafür den Chemie-Nobelpreis - nicht unerwartet, aber ungewöhnlich schnell.

Kanäle für geladene Teilchen (Ionen) sorgen unter anderem dafür, dass Nervenimpulse binnen Sekundenbruchteilen vom Hirn zum Kleinen Zeh rasen. Und die Aquaporine genannten Wasserschleusen holen in der Niere jeden Tag fast 200 Liter Wasser aus dem Primärurin zurück.

„Das waren wirklich bahnbrechende Arbeiten“, urteilt Prof. Olaf Pongs, Direktor des Zentrums für Molekulare Neurobiologie Hamburg (ZMNH) über die Untersuchung der Ionenkanäle. „Mutationen in den Kaliumkanälen sind häufig mit Erbkrankheiten verbunden, zum Beispiel bei Herzrhythmusstörungen und Epilepsie. Von daher ist das Verständnis auch von grundlegender Bedeutung für die Suche nach Behandlungsmethoden.“

Professor Werner Kühlbrandt, Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, ergänzte: „Darauf aufbauend können neue Medikamente entwickelt werden, die diese Kanäle steuern.“ Bei der Krankheit Mukoviszidose zum Beispiel sammelt sich Schleim in der Lunge, weil ein Kanal für Chlor-Ionen defekt ist.

Alle Ionenkanäle funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Sie werden von großen Proteinen gebildet, die die Membran von außen nach innen durchspannen. In der Mitte sitzt ein Loch, das sich bei Bedarf öffnet und schließt. Je nach Beschaffenheit lassen die Kanäle nur bestimmte elektrisch geladene Teilchen (Ionen) passieren. Besonders wichtig ist das bei den Nervenzellen. Sie leiten elektrische Impulse mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Metern pro Sekunde, indem sie unter anderem Natrium- und Kalium-Ionen in die Zelle hinein oder aus ihr heraus passieren lassen. Einige Kanäle leiten bis zu 100 Mill. Ionen pro Sekunde.

Aquaporine lassen Wassermoleküle hindurch und verhindern gleichzeitig, dass die Zelle Nährstoffmoleküle oder Salz-Ionen verliert. Sie erreichen eine riesige Wasserleitfähigkeit von bis zu drei Mrd. Wassermolekülen pro Sekunde und Kanal, wie Max- Planck-Forscher herausgefunden haben. Eine zehn mal zehn Zentimeter große Membran mit eingebetteten Aquaporinen könnte etwa einen Liter Wasser in rund sieben Sekunden filtern oder entsalzen.

Beim Menschen regulieren Aquaporine zum Beispiel den Wasserhaushalt in der Niere, in den roten Blutkörperchen, in der Augenlinse und im Gehirn. Ein Defekt oder eine Fehlfunktion dieser Proteine löst Krankheiten aus, den grauen Star (Katarakt) zum Beispiel, oder einen neuronal verursachten Gehörverlust.

Bereits seit 1850 vermuteten Forscher die Existenz solcher Wasserschleusen. Aber erst 1988 fand Peter Agre die erste dieser Poren, gebildet vom Protein CHIP28. „Damit legte er das biochemische Fundament für ein wichtiges Feld in der Biochemie und der Medizin“, begründete die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften ihre Wahl. Inzwischen sind demnach allein beim Menschen elf solcher Aquaporine bekannt. Bei Pflanzen sind es bislang rund 35.

Das von der Akademie ungewöhnlich schnell gewürdigte Verdienst Roderick MacKinnons ist es, 1998 erstmals die genaue Struktur eines Ionenkanals (KcsA K+) aufgeklärt zu haben. Seine Bilder zeigten, wie das zunächst von Wasser umhüllte Kalium - und nur dieses - auf der Außenseite der Zelle die Wasserhülle verliert und entlang einer Art Förderband aus Sauerstoff ins Innere gelangt. Damit habe der Amerikaner die molekularen Grundlagen des Transports, seiner Selektivität und seiner Aktvierung erklärt, betonte die Akademie.

Die Ionenkanäle spielten auch beim Medizin-Nobelpreis 1963 eine Rolle, den John C. Eccles, Alan L. Hodgkin und Andrew F. Huxley für ihre Untersuchungen zur Erregung der Nerven bekamen. Und 1991 erhielten Erwin Neher und Bert Sakmann die Auszeichnung für „ihre Forschungen zur Signalübertragung mittels Ionenkanälen“.

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