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BIOspektrum · 4/04 · 10. Jahrgang

Schlaglicht

Aquaporine: Die perfekten Wasserfilter

der ZelleBert L. de Groot und Helmut Grubmüller

Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen

Computational Biomolecular Dynamics Group und Abteilung für theoretische und

computergestützte Biophysik

regulieren Aquaporine u.a. den Wasserhaus-halt in der Niere, in den roten Blutkörper-chen, in der Augenlinse und im Gehirn. EinDefekt oder eine Fehlfunktion dieser Pro-teine löst Krankheiten aus, wie Diabetes in-sipidus, den grauen Star (Katarakt) oder ei-nen neuronal verursachten Gehörverlust.

In allen Fällen ist ein hocheffizienter undzugleich außergewöhnlich selektiver Was-sertransport von zentraler Bedeutung, derden Austausch anderer Moleküle aus-schließt. So lassen die Aquaporine zwar Was-sermoleküle hindurch, verhindern aber, dassdie Zelle Nährstoffmoleküle oder Salz-Io-nen verliert. Obwohl diese Kanäle so fein-porig sind, dass nur eine Kette einzelnerWassermoleküle hindurchpasst (vgl. Abb. 2rechts), erreichen Aquaporine die erstaun-lich hohe Wasserleitfähigkeit von bis zu drei

� Wasser ist für die Funktion von Zellenund Organen im menschlichen Körper vonzentraler Bedeutung. Der Wassertransportzwischen Zellinnerem und Zelläußerem er-folgt über in die Zellmembran eingebettetemikrofeine Kanalproteine, den so genann-ten Aquaporinen. Mit Hilfe aufwändigerComputersimulationen ist es kürzlich ge-lungen, den genauen Funktionsmecha-nismus dieser perfekten Wasserfilter bis inatomare Details aufzuklären.

Aquaporine sind Proteine, die einen was-serleitenden Kanal durch die Zellwand for-men; sie finden sich in der ansonsten was-serundurchlässigen Zellmembran vielerPflanzen und Tiere und verhindern, dass dieZellen zum Beispiel bei einer Änderung derSalzkonzentration in der Umgebung platzen(osmotische Regulierung). Beim Menschen

Milliarden Wassermolekülen pro Sekundeund Kanal. Eine 10x10 cm große Membranmit eingebetteten Aquaporinen könnte so-mit etwa einen Liter Wasser in wenigen Se-kunden filtern oder entsalzen.

Wie aber erfüllt das Protein diese wider-streitenden Anforderungen? Erste Antwor-ten ergaben sich bereits aus der räumlichenAtomstruktur des Aquaporins (AQP1), diezunächst mit Hilfe cryo-elektronenmikros-kopischer Messungen[1, 2] und später auchdurch Röntgenstrukturanalysen[3] aufgeklärtwurde. Es zeigte sich, dass das Protein in derZellmembran einen zwei Nanometer langenund an der engsten Stelle nur 0,3 Nanome-ter breiten Kanal bildet – gerade groß genug,um ein einzelnes Wassermolekül passierenzu lassen. Diese Enge können größere Mo-leküle gar nicht erst passieren.

Die Evolution hat darüber hinaus aberauch eine Antwort auf die Frage gefunden,wie sich in einem solchen Kanal der Durch-fluss kleinerer Ionen blockieren lässt. Le-benswichtig ist es vor allem, den Durchflussvon Protonen zu unterbinden, damit eineunterschiedliche Protonenkonzentration(pH-Wert) zwischen dem Innern und demÄußeren der Zelle oder Organelle als pri-märer Kurzzeit-Energiespeicher aufrechter-halten werden kann. Ähnlich einer elektri-schen Batterie würde dieser Speicher beiDurchfluss von Protonen kurzgeschlossenund entladen, was etwa den Zusammen-bruch der ATP-Synthese zur Folge hätte.

Nun ist Wasser selbst ein relativ guter Pro-tonenleiter; nach dem sog. Grotthuss-Me-chanismus springen die Protonen dort sehrschnell über Wasserstoffbrücken von Was-sermolekül zu Wassermolekül. Wie also ver-hindert das Aquaporin, dass sich der Proto-nenfluss auch entlang der monomolekularenWasserkette durch den Membrankanal fort-setzt? Über die Antwort auf diese Fragekonnte man bisher auf der Grundlage derstatischen räumlichen Struktur des Wasser-kanalproteins nur spekulieren[1]. Vor allemwar es nicht möglich, die Bewegung der Was-sermoleküle durch den Kanal zu beobach-ten. Damit blieb auch unklar, wie die außer-ordentlich hohe Durchflussgeschwindigkeitdes Wassers zustande kommt.

Mit Hilfe atomar aufgelöster Computer-simulationen gelang es kürzlich, die Bewe-gung einzelner Wassermoleküle durch einenAquaporin-Kanal im Detail und ‘in Echtzeit’zu verfolgen[4–6]. Für diese Simulationenwurde das Protein im Computer Atom fürAtom ‘nachgebaut’ (Abb. 1), in eine Mem-bran eingebettet und mit einer großen Zahlvon Wassermolekülen umgeben, so dass essich quasi in seiner natürlichen Umgebungbefand. Insgesamt umfasste das Modell et-wa 100.000 Atome, deren Bewegungen inanschließenden so genannten Molekulardy-

Abb. 1: Für die durchgeführten Simulationen verwendetes Computermodell des Aquaporin/Membran-Systems. Die biologisch aktive Form von Aquaporin ist ein Tetramer (Orange/Cyan/Magenta/Blau), derin die Zellmembran (Grün/Gelb) eingelagert ist. Auf der Innen- und Außenseite der Membran wurdeflüssiges Wasser (Rot/Weiß) simuliert, das durch die vier Aquaporinmoleküle hindurchtritt. DasGesamtsystem umfasste ca. 100.000 Atome.

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namik-Simulationen akkurat berechnet wur-de; für diese Simulationen waren mehrereMonate Rechenzeit erforderlich. Entstan-den ist eine Filmsequenz, in der jedes De-tail der Bewegung einzelner Wassermolekü-le am Bildschirm betrachtet und analysiertwerden kann (s. Abb. 2). Die Durchflussge-schwindigkeit des Wassers wurde durch dieSimulation korrekt wiedergegeben, einwichtiger Test für die Richtigkeit der Rech-nung.

Die Computersimulationen zeigten ei-nen faszinierenden, fein-choreographierten

‘Tanz der Wassermoleküle’, der durch ein-zelne, genauestens in der Innenseite des Ka-nals positionierte Aminosäuren gesteuertwird. Diese präzise Steuerung der Bewegungder Wassermoleküle ermöglicht es, dass,wann immer aufgrund der Enge des KanalsWasserstoffbrücken zu benachbarten Was-sermolekülen gelöst werden müssen, diesedurch Brücken zum Protein ersetzt werden.Das Aufbrechen dieser Bindungen erfordertnormalerweise den Einsatz einer beträcht-lichen Energiemenge. Das Aquaporin kom-pensiert diesen Energieaufwand, indem ein-

zelne seiner Aminosäuren mit den vorbei-fließenden Wassermolekülen sehr gezieltWasserstoffbrückenbindungen ausbilden.Dies geschieht so fein abgestimmt, dass kei-ne nennenswerten Energiebarrieren entste-hen und überwunden werden müssen, wasdie hohe Durchflussrate erklärt.

Weitere Simulationsrechnungen, die das‘Springen’ der Protonen von einem Wasser-molekül zum nächsten explizit beschreibenkonnten[7], offenbarten noch einen zweitenKniff aus der Trickkiste von Mutter Natur:Um den Durchfluss von Protonen und an-

Abb. 2: Schnappschuss des Aquaporins während der Simulation. Links: Wassermoleküle (Rot/Weiß) diffundieren über Aquaporin (Blau) durch die Zellmem-bran (Gelb/Grün). Der Ausschnitt rechts zeigt den „Tanz“ eines einzelnen Wassermoleküls auf seinem Weg durch den Kanal.

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wachsendem Erfolg durchgeführt[11–14],nicht zuletzt dank rasch wachsender Com-puterleistung. Über die traditionelle Bioin-formatik hinausgehend, ermöglichen solcheSimulationen ein tief gehendes physikalisch-chemisches Verständnis der Wirkungsme-chanismen grundlegender biologischer Pro-zesse.

Literatur

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deren Ionen zu verhindern baut das Aqua-porin ein starkes elektrisches Feld entlangdes Kanals auf, das eine doppelte Poten-zialbarriere erzeugt – sowohl für negativ, alsauch für positiv geladene Ionen – die dieneutralen Wassermoleküle jedoch nahezuungehindert passieren lässt. Nachfolgendeunabhängige Rechnungen haben diesenMechanismus bestätigt[8, 9].

Die Wasserleitung durch Aquaporin er-weist sich als spektakuläres Beispiel, welchraffinierte molekulare Nanotechnik die Na-tur über Jahrmillionen entwickelt hat. Inweiteren Arbeiten soll versucht werden, Mo-leküle zu konstruieren und in der Simulationzu testen, die den Wasserfluss durch dasAquaporin regulieren oder sogar blockierenkönnen[10]. Die genaue Kenntnis solcherSubstanzen würde u.a. viel versprechendeAnsatzpunkte für die Entwicklung neuerMedikamente liefern. So führt etwa nachschweren Kopfverletzungen eine Über-funktion der Aquaporine im Gehirn häufigzu einer lebensgefährlichen Gehirnschwel-lung, die durch geeignete Inhibitoren unter-bunden werden könnte.

Computersimulationen von Proteinen aufatomarer Ebene werden in jüngster Zeit mit

[5] Tajkhorshid, E., Nollert, P., Jensen, M.Ø.Miercke, L.J.W., O’Connell, J., Stroud, R.M.,Schulten, K. (2002): Control of the selectivity of theaquaporin water channel family by global orientationaltuning. Science, 296, 525–530.

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[14] Hansson, T., Oostenbrink, C., van Gunsteren,W.F. (2002): Molecular dynamics simulations. Curr. Op.Struct. Biol., 12, 190–196.

Korrespondenzadresse:

PD Dr. Helmut GrubmüllerMax-Planck-Institut für biophysikalische Chemie,GöttingenAbteilung für theoretische undcomputergestützte BiophysikAm Fassberg 11D-37077 GöttingenTel.: 0551-201-2300Fax: 0551-201-2302hgrubmu@gwdg.dewww.mpibpc.mpg.de/abteilungen/070

Molekulardynamiksimulation:

In einem Makromolekül (Abb. unten) wir-ken interatomare Kräfte unterschiedlichenTyps. Chemische Bindungskräfte, darge-stellt durch Federn, zwingen etwa gebun-dene Atome in ihren Gleichgewichtsab-stand (grüne Pfeile) oder Gleichgewichts-winkel (Magenta). Die Pauli-Abstoßung(graue Pfeile) verhindert, dass sich Atomedurchdringen. Langreichweitige Kräfteschließlich, insbesondere Coulomb-Kräfte(Rot, Blau) zwischen den (meist) partiellgeladenen Atomen (δ+, δ−) tragen wesent-

lich zur Stabilität einer Proteinstruktur bei.All diese Kräfte (und noch einige weitere)bestimmen die räumliche Struktur des Pro-teins wie auch die Bewegung jedes ein-zelnen Atoms und werden daher in einerMolekulardynamik-Simulation entspre-chend berücksichtigt. Die Atombewegun-gen werden in klassischer Näherung durchnumerische Integration der NewtonschenBewegungsgleichungen beschrieben; einebei Zimmertemperatur für die meisten Fra-gestellungen sehr gute Näherung.