Gesundheit : Fotos von den Schleusenwärtern

Roderick MacKinnon und Peter Agre entdeckten, wie Stoffe durch Zell-Membranen strömen

Paul Janositz

NOBELPREIS FÜR CHEMIE 2003

Alles Leben steckt in Zellen. Der menschliche Körper setzt sich aus etwa zehn Billionen dieser kleinen Bausteine zusammen. Zellen können wachsen und sich teilen. Dazu benötigen sie einen Stoffwechsel. Substanzen müssen also durch die Zell-Membran gelangen können. Nährstoffe und vor allem Wasser sind notwendig; sowie Ionen, geladene Teile von Atomen also, die die Aktivität der Muskel- und Nervenzellen steuern.

Schon lange wurde vermutet, dass es spezielle Poren in der Zellhülle geben muss. Vor rund 50 Jahren gelang der Nachweis von Kanälen, die nur Wasser oder Ionen durchlassen. Vor den Schleusen sind gewissermaßen Wächter platziert, die ausschließlich die erwünschten Gäste passieren lassen.

Für ihren Beitrag bei der Aufklärung dieser komplexen Vorgänge haben die beiden amerikanischen Forscher Peter Agre und Roderick MacKinnon jetzt den Nobelpreis für Chemie erhalten. Der 54-jährige Agre, Professor für Biochemie und Medizin an der Johns Hopkins Universität in Baltimore, wird für die Entdeckung von Wasserkanälen geehrt.

Der sieben Jahre jüngere MacKinnon, Neurobiologe und Biophysiker an der Tufts Medical School in Boston, erhält die Auszeichnung für die Aufklärung der Struktur von Ionenkanälen. Seine Großtat liegt erst fünf Jahre zurück und vielleicht entspricht es der Bedeutung dieser lebenswichtigen Vorgänge, dass das Nobelkomitee entgegen seiner sonst oft geübten Praxis diesmal relativ schnell reagierte. „Mac Kinnon war ein heiß gehandelter Kandidat", sagt Werner Kühlbrandt, Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für Biophysik in Frankfurt. Aber auch Agre gehöre zweifellos zu den würdigen Trägern des Nobelpreises.

Ionenkanäle werden von großen Proteinen gebildet, die von außen nach innen durch die Membran führen. In der Mitte befindet sich eine Art Schloss, das sich bei Bedarf öffnet und schließt. Durch die Öffnung können Stoffe in bestimmten Fällen passiv – also entlang eines Gefälles – wandern, wenn ihre Konzentration innen und außen verschieden hoch ist. Sie können aber auch aktiv durchgeschleust werden.

Die Nerven behalten

Je nach Beschaffenheit lassen die Kanäle nur bestimmte 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- oder Kalium-Ionen in die Zelle hinein und aus ihr heraus passieren lassen. Einige Kanäle leiten bis zu 100 Millionen Ionen pro Sekunde.

„Seit 30 Jahren versuchen Forscher mit molekularbiologischen Methoden hinter das Geheimnis zu kommen“, sagt Walter Stümer vom Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen. Das heißt, dass aus dem chemischen Verhalten der beteiligten Aminosäuren auf den Aufbau des Eiweißstoffes geschlossen wird, der die Membran öffnet. Zwar seien die Molekularbiologen mit diesen indirekten Schlüssen schon weit gekommen, letzte Klarheit könne jedoch nur ein „Foto“ des kristallisierten Proteins geben, erklärt Stümer.

Wie wichtig die Kenntnis der Kristallstruktur ist, zeigt nicht zuletzt der Nobelpreis von 1988, den Robert Huber und Hartmut Michel vom MPI für Biochemie in Martinsried zusammen mit dem in Dallas forschenden Johann Deisenhofer erhielten. Sie hatten die dreidimensionale Struktur der Andockstelle (Rezeptor) eines Membranproteins aufgeklärt.

„MacKinnon hatte sich in den Kopf gesetzt, die Kristallstruktur eines kompletten Ionenkanals zu finden“, sagt Stümer, der selbst auf diesem Gebiet arbeitet und den „sehr intelligenten und weltweit gefragten Forscher“ von Kongressen persönlich kennt. MacKinnon sei „sehr schlau vorgegangen“ und habe unwesentliche Teile abgetrennt. Per Röntgenstrukturanalyse ließ sich dann der Ionenkanal „KcsA K+“ entschlüsseln. Das dreidimensionale „Foto“ zeigt, wie das zunächst von Wasser umhüllte Kalium auf der Außenseite der Zelle die feuchte Hhülle verliert und entlang einer Art Förderband ins Innere gelangt.

Der Türsteher des Ionenkanals weist also Wasser ab. Für den Transport des nassen Mediums, aus dem Menschen zu 70 Prozent bestehen, gibt es wiederum spezielle Kanäle. Die „Aquaporine“ lassen nur Wassermoleküle durch und verhindern gleichzeitig, dass die Zelle Nährstoffmoleküle oder Salze verliert. Sie haben eine riesige Kapazität von rund zwei Milliarden Wassermolekülen pro Sekunde und Kanal.

Spezielle Medikamente entwickeln

Schon Mitte des 19. Jahrhunderts ahnte man, dass es solche speziellen Schleusen geben müsse. Doch erst 1988 stieß Peter Agre auf ein entsprechendes Eiweiß, als er die Membran von Blutzellen untersuchte. Der Aufbau ähnelte einem Membranprotein des Auges, das am Wassernachschub für Tränen beteiligt war.

Der Nachweis dieses ersten speziellen Kanals gelang durch Kristallisation des Proteins „CHIP28“, heute „Aquaporin 1“ genannt. Per Elektronenbeugung konnte die Struktur nachgewiesen werden. Bei seinen Forschungen arbeitete Agre mit Teams aus Basel und Japan zusammen. Inzwischen sind allein beim Menschen elf solcher Aquaporine bekannt, bei Pflanzen rund 35.

Nachdem die Struktur der Kanäle bekannt sei, gehe es jetzt darum, die Funktion dieser elementaren Lebensvorgänge detailliert aufzuklären, sagt Kühlbrandt. Das könne die Entwicklung spezieller Medikamente helfen. Mutationen in den Kaliumkanälen sind häufig mit Erbkrankheiten verbunden, etwa bei Herzrhythmusstörungen und Epilepsie.

Bei der Krankheit Mukoviszidose sammelt sich Schleim in der Lunge, weil ein Kanal für Chlor-Ionen defekt ist. Die Niere nutzt die Kanäle, um Wasser aus einem Vorläufer des Urins zurückzugewinnen. Spezielle Medikamente können diese Schleusenwirkung blockieren oder verstärken. Auch Mittel gegen Bluthochdruck oder gegen Diabetes wirken unter anderem durch ihren Einfluss auf spezielle Ionenkanäle der Zellen.

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