08.10.2003 · Der Nobelpreis für Chemie geht in diesem Jahr an die Amerikaner Peter Agre und Roderick MacKinnon für die Erforschung von Ionen- und Wasserkanälen.
Von Reinhard Wandtner
© The Nobel Foundation
Nobelpreisträger Peter Agre und Roderick McKinnon
Ohne Löcher gäbe es kein Leben. Während zum Beispiel ein Luftballon seine Funktion nur erfüllt, wenn er absolut dicht ist, muß die Zelle durchlässig sein. Denn Leben erfordert einen ständigen Austausch mit der Umwelt. Welche Stoffe in die Zelle hineinströmen dürfen und welche nach außen befördert werden sollen, wird genau geregelt. Winzige Poren in der Membran übernehmen diese Aufgabe. Daß man deren Wirkungsweise immer besser verstehen kann, ist maßgeblich Peter Agre und Roderick MacKinnon zu verdanken. Die beiden amerikanischen Forscher erhalten für ihre bahnbrechenden Arbeiten über Kanäle in Zellmembranen den diesjährigen Nobelpreis für Chemie.
Zellen sind von einer für Wasser undurchlässigen Doppelmembran umgeben. Daß es Löcher geben müsse, durch die der Lebenssaft in das Innere der Zelle gelangt, haben deutsche Forscher schon im 19. Jahrhundert postuliert. Berühmt geworden sind etwa die Versuche von Wilhelm Pfeffer im Jahr 1877, mit denen die sogenannte Osmose demonstriert wurde. Bei der Osmose strömt Wasser durch eine feinporige Membran, während anderen Stoffen die Passage verwehrt bleibt. Die Osmose ist zum Beispiel der Grund dafür, daß sich eine welke Pflanze wieder aufrichten kann.
Neueste Forschungen
Das Geheimnis ihres Aufbaus gaben die Wasserporen aber noch lange nicht preis. Der Durchbruch kam erst mehr als hundert Jahre später, und zwar durch die Arbeiten von Peter Agre. Der Wissenschaftler isolierte 1988 aus roten Blutkörperchen ein zuvor unbekanntes Membraneiweiß. Dieses Protein fand er auch in Nierenzellen. Der Forscher baute die Moleküle zum Beispiel in Eizellen von Fröschen und in hohle Fettkügelchen ein. Tatsächlich schwollen die Gebilde an, wenn sie in Wasser getaucht wurden. Agre gab dem Protein den Namen Aquaporin. Solche Wasserporen sind mittlerweile in großer Vielfalt entdeckt worden. Beim Menschen kennt man mindestens elf Sorten.
In den Jahren 2000 und 2001 gelang es Agre und anderen Forschern, die molekulare Feinstruktur von Aquaporinen zu entschlüsseln. Das Protein besitzt in der Mitte einen gewundenen Kanal. Die Atome an dessen Wänden erzeugen ein elektrisches Feld. Elektrisch neutrale Wassermoleküle können durch die Pore schlüpfen, positiv geladene Protonen indessen werden zurückgehalten. Könnten Protonen ebenfalls ungehindert passieren, wäre das für die Zelle tödlich. Welch immense Bedeutung Aquaporinen zukommt, läßt sich an der Niere veranschaulichen. Pro Tag entstehen dort bei einem Erwachsenen rund 170 Liter Primärurin. Zwei Sorten von Aquaporinen sorgen dafür, daß der größte Teil des Wassers im Körper verbleibt. Ausgeschieden wird nur rund ein Liter Urin.
Durchbruch dank MacKinnon
Zellen tauschen mit ihrer Umgebung eine Fülle von Stoffen aus. Dazu gehören elektrisch geladene Teilchen (Ionen), denen entscheidende Bedeutung etwa für die Kommunikation von Nervenzellen zukommt. Schon 1890 postulierte Wilhelm Ostwald, daß die in Gewebe auftretenden elektrischen Ströme von Ionen hervorgerufen werden, die durch Zellmembranen wandern. Von der Mitte des vergangenen Jahrhunderts an wurde dieser Ionentransport immer genauer studiert. Es zeigte sich, daß Nervenimpulse vor allem auf der Passage von Kalium- und Natriumionen beruhen. Man kam zu dem Schluß, daß es Poren geben müsse, die durchlässig für Kaliumionen, aber undurchlässig für Natriumionen sind. Wie das möglich sein sollte, blieb zunächst rätselhaft, denn Natriumionen sind kleiner als Kaliumionen. Sie sollten daher eigentlich durch die Kaliumionenkanäle schlüpfen können.
Den Forschern war klar, daß sich das Rätsel nur anhand der genauen Struktur der Kanäle lösen lassen würde. Der Durchbruch bei der Strukturanalyse gelang Roderick MacKinnon im Jahr 1998. Er konnte die Architektur eines Kaliumionenkanals aus Bakterien in atomarer Auflösung präsentieren. Nun wurde erklärbar, wie fremde Ionen abgehalten werden. Wenn sich Ionen der Eintrittspforte nähern, sind sie von Wassermolekülen umgeben. Passieren können sie aber nur "nackt". Die entscheidende Rolle spielen Sauerstoffatome in der Wand des Kanals. Der Abstand zwischen ihnen und den Kaliumionen ist genauso groß wie der Abstand zwischen den Sauerstoffatomen des Wassers und den gelösten Kaliumionen. Daher können Kaliumionen unbehelligt durchschlüpfen. Natriumionen indessen passen nicht in dieses Muster und werden zurückgehalten.
Wie MacKinnon außerdem herausgefunden hat, befindet sich ein Schließmechanismus am Grund des Ionenkanals. Mittlerweile kennt man Kanäle mit den unterschiedlichsten Mechanismen. Sie werden auf vielfältige Weise gesteuert, etwa elektrisch oder durch Botenstoffe. Jedenfalls sind die winzigen Löcher in den Zellen - ob Wasserporen oder Ionenkanäle - wahre Elixiere des Lebens.
Peter Agre ist 1949 in Northfield (Minnesota) geboren worden. Er wurde 1974 an der Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore (Maryland) promoviert, wo er seit 1993 als Professor für Biochemie und Medizin tätig ist.
Roderick MacKinnon ist 1956 geboren worden. Er wuchs in Burlington bei Boston auf. 1982 ist er an der Tufts Medical School in Boston promoviert worden. Seit 1996 arbeitet er als Professor für Molekulare Neurobiologie und Biophysik an der Rockefeller University in New York.
