Laterale Protonenmigration entlang von Membranen

Transmembrane Protonenkonzentrationsgradienten treiben die mitochondriale ATP-Synthase oder auch den Transport durch den bakteriellen Translokationskanal. Diese Gradienten unterscheiden sich von den entsprechenden Volumengradienten, weil eine Energiebarriere, G, den Protonentransfer von der Oberfläche ins Volumen verzögert. Deren Existenz ermöglicht die Protonenmigration zu den genannten molekularen Maschinen entlang der Membranoberfläche. Diese Protonenbewegung entlang der Phasengrenze ist sehr wahrscheinlich auch für andere Prozesse von entscheidender Bedeutung, wie die protonengekoppelten Aufnahme von Zuckern oder Neurotransmittern, den Zugang von Protonen zum aktiven Zentrum von Proteinen und die Proteinfaltung. Einander widersprechender Theorien sehen die Grenzflächenprotonen (i) vollständig entkoppelt von den Protonen im Volumen oder (ii) in einem sich rasch einstellenden Gleichgewicht zwischen zu Protonen im Volumen. Dieses Forschungsvorhaben wird klären, welche der beiden Theorien korrekt ist. Dem dient die direkte Erfassung der Oberflächendiffusion der Protonen, bestehend aus der instantanen oder kontinuierlichen Freisetzung der Protonen von einem eng begrenzten Areal einer ebenen Lipiddoppelschicht und der Registrierung ihrer Ankunft in einem anderen entfernt gelegenen Areal derselben Membran. Eine gezielte Senkung der Barriere, die die Membran einer Protonenpassage entgegensetzt, auf ein mit der Barriere für den Transfer von der Oberfläche ins Volumen vergleichbares Niveau wird die Bestimmung von G in einer modellunabhängigen Weise erlauben. Die erste systematische Untersuchung des Effekts von Membranoberflächen- und Dipolpotential auf die Verweildauer und Diffusionsgeschwindigkeit wird die exakte Lokalisation des Protonenweges relativ zur Lipidstruktur und die relativen Beiträge dieser Potentiale zu G ermöglichen. Eine begleitende elektrostatische Analyse soll herausfinden, ob Hydroxylionen das Proton als migrierende Spezies ersetzen können. Affinitätstests des amphiphilen Hydroniums zu Oberflächen verschiedener Hydrophobizität werden zeigen, warum titrierbare Gruppen für die Protonenstabilisierung an der Oberfläche nicht erforderlich sind. Zur Demonstration der Bedeutung der lipidnahen Hydratationsschicht für die Protonenmigration werden wir diese u.a. mit osmotisch aktiven Stoffen modifizieren. Das im Projektverlauf entstehende molekulare Bild der Grenzflächenmigration von Protonen wird das Verständnis einer Vielzahl protonengekoppelter Transportprozesse wesentlich erleichtern.

Der Energiehaushalt lebender Organismen ist untrennbar mit Protonentransport verbunden. Bei der Photosynthese Pflanzen werden Protonen über die Thylakoidmembran der Chloroplasten gepumpt. In höheren Organismen erfolgt die Speicherung von Energie, indem Protonenpumpen einen Protonenkonzentrationsgradienten über die innere Membran der Mitochondrien herstellen, der dann von der sogenannten ATP-Synthase zur Herstellung von ATP (Adenosintriphosphat), der universellen Energiewährung höherer Organismen, benutzt wird. Effizienzgründe gebieten eine enge Kopplung zwischen Protonenpumpe und ATP Synthase, d. h. im Idealfall sollten alle Protonen direkt zwischen den Proteinen an der Membran entlang wandern, anstatt den Umweg über das Innere der Mitochondrien zu nehmen. Wir haben uns im Rahmen dieses Vorhabens mit der Frage beschäftigt, was die Protonen an der Membranoberfläche zurückhält, d. h. was ihre Abwanderung von der Membranoberfläche in die Lösung behindert. Wir können zeigen, dass die Protonen nicht deswegen auf der Membranoberfläche bleiben, weil sie an eine funktionelle Gruppe gebunden sind. Vielmehr sorgt die besondere Struktur vom Grenzflächenwasser dafür, dass die Protonenmigration parallel zu Membranoberfläche energetisch vorteilhaft ist. Modelle die die migrierenden Protonen Gleichgewichtsrektionen mit titrierbaren Gruppen an der Membranoberfläche eingehen ließen, befanden sich im Widerspruch zu unseren Experimenten. D. h. die Modellvorstellung, derzufolge titrierbaren Gruppen als Protonenantennen dienen, kann nicht aufrechterhalten werden. Die Temperaturabhängigkeit der Diffusion zwischen einem Areal, in dem die Protonen mittels Lichtblitz freigesetzt wurden und einem zweiten Arial, indem ihre Ankunft mittels lipidverankerter Fluoreszenzsonden gemessen wurde, ließ sich nur mit einer Nichtgleichgewichtskinetik beschreiben. Wir haben uns bemüht, die dem Phänomen zugrunde liegende Wasserstruktur anhand von besonders aufwändigen ab-initio Simulationen zu zeigen und haben darüber hinaus Moleküle identifiziert, die die Oberflächenwasserstruktur derart effizient stören, dass die Oberflächenmigration von Protonen inhibiert wird. Die Widerlegung des Protonenantennenmodells ebnet den Weg für vorurteilsfreie Untersuchungen des Kopplungsmechanismus zwischen Membranoberfläche und Protonenkanälen bzw. pumpen.