Zelluläre Hydration: Was die Biophysik sagt

Wasser in einer Zelle verhält sich anders als Wasser in einem Glas. Die Biophysik beschreibt zelluläre Hydration heute als aktiven Teil des Geschehens. Im Zellinneren drängen sich bis zu 400 Gramm Makromoleküle pro Liter. Sie nehmen 5 bis 40 Prozent des Zellvolumens ein und liegen im Mittel nur 1 bis 2 Nanometer voneinander entfernt. In diesem Gedränge legt sich um jedes Protein eine Hydrathülle, deren Moleküle sich langsamer bewegen als freies Wasser, nach der belastbarsten Messmethode etwa um den Faktor 2. Und eigene Kanäle, die Aquaporine, schleusen rund 3 Milliarden Wassermoleküle pro Untereinheit und Sekunde durch die Zellmembran und halten Protonen dabei zurück. All das ist gemessen und mehrfach reproduziert. Ob das Wasser einer Zelle außerdem großflächig eine eigene, dauerhaft geordnete Struktur bildet, diskutiert die Fachliteratur noch lebhaft.

Warum Wasser in der Zelle mehr ist als ein Lösungsmittel

Ein Lösungsmittel ist im klassischen Bild eine Flüssigkeit, die gelöste Teilchen umgibt, ohne selbst mitzuspielen. Dieses Bild hat die Molekularbiologie über Jahrzehnte geprägt, bis hin zur Praxis, Proteine am Computer im Vakuum zu simulieren, also ganz ohne Wasser.

Der Wissenschaftsautor und Physiker Philip Ball hat diese Blindstelle 2008 in einer viel zitierten Übersichtsarbeit in Chemical Reviews zusammengefasst. Dabei greift er eine ältere Beobachtung von Gerstein und Levitt auf:

„When scientists publish models of biological molecules in journals, they usually draw their models in bright colors and place them against a plain, black background.“

Sinngemäß: Wenn Forschende Modelle biologischer Moleküle veröffentlichen, zeichnen sie diese meist in kräftigen Farben vor einem schlichten schwarzen Hintergrund. — zitiert nach Philip Ball, Water as an Active Constituent in Cell Biology, Chemical Reviews 108(1), 2008 (PubMed 18095715)

Der schwarze Hintergrund ist in Wirklichkeit Wasser, und in ihm passiert eine Menge. Nach der Durchsicht von über 400 Einzelarbeiten zieht Ball ein deutliches Fazit: Wasser halte makromolekulare Strukturen zusammen, vermittle molekulare Erkennung, moduliere die Beweglichkeit von Proteinen und stelle einen schaltbaren Kommunikationsweg durch Membranen bereit.

Wie eng Wasser und Molekülbau verzahnt sind, zeigt dieselbe Arbeit an ein paar Zahlen. In gefalteten Proteinen liegen im Mittel 83 Prozent der unpolaren Seitenketten im Inneren, aber eben auch 63 Prozent der polaren und 54 Prozent der geladenen. Das beliebte Bild vom Protein, das außen wasserliebend und innen wasserabweisend ist, stimmt also nur ungefähr.

Wie eng es im Zellinneren wirklich zugeht

Molekulares Gedränge, in der Fachsprache macromolecular crowding, bezeichnet die hohe Teilchendichte im Zellinneren, bei der gelöste Makromoleküle einen großen Teil des verfügbaren Raums selbst beanspruchen. Die Größenordnung ist beachtlich: bis zu 400 Gramm Makromoleküle pro Liter Cytoplasma, die je nach Zelltyp 5 bis 40 Prozent des Volumens ausfüllen.

Für Wasser bleibt da wenig freie Strecke. Der typische Abstand zwischen zwei Makromolekülen beträgt 1 bis 2 Nanometer, das sind etwa drei bis sechs Wassermoleküle nebeneinander. In so einer Enge verhält sich die Flüssigkeit messbar anders:

Größe	Freies Wasser	Wasser unter Zell-Bedingungen
Mittlere Zahl der Wasserstoffbrücken je Molekül	etwa 3,6	etwa 2,2 (in hydrophilen Poren)
Diffusionsgeschwindigkeit	Referenzwert	Faktor 3 bis 8 langsamer (Mitochondrium, ER)
Viskosität im 2-Nanometer-Spalt	Referenzwert	um mehrere Größenordnungen höher

Spannend ist vor allem die Art der Bewegung. Freie Teilchen legen eine Strecke nach dem Brownschen Gesetz zurück, die benötigte Zeit wächst mit dem Quadrat der Entfernung. Im Cytoplasma ist die Bewegung dagegen subdiffusiv, mit einem gemessenen Exponenten von 0,74. Ein Molekül braucht also länger, bis es sein Ziel erreicht, und bleibt danach länger in dessen Nähe. Für biochemische Reaktionen, die auf wiederholte Begegnungen angewiesen sind, ist gerade dieser zweite Teil ein Vorteil.

Die Hydrathülle und ihr veränderter Takt

Eine Hydrathülle ist die Schicht von Wassermolekülen, die eine gelöste Struktur wie ein Protein oder einen DNA-Strang unmittelbar umgibt und deren Bewegung von dieser Oberfläche beeinflusst wird. Über ihre Eigenschaften haben Forschende jahrzehntelang diskutiert, und die Geschichte dahinter ist lehrreich.

Lange stand die Idee eines „biologischen Wassers“ im Raum: einer eisartig geordneten, langsamen Schicht, die sich starr mit dem Protein mitbewegt. Bertil Halle von der Universität Lund hat diese Annahme 2004 in einer Übersicht anhand von Sauerstoff-17-Relaxationsmessungen geprüft und kam zu einem klaren Ergebnis:

„Recent oxygen-17 magnetic relaxation dispersion (MRD) experiments have shown that the vast majority of water molecules in the protein hydration layer suffer a mere twofold dynamic retardation compared with bulk water.“

Sinngemäß: Die weit überwiegende Mehrheit der Wassermoleküle in der Hydratschicht eines Proteins ist gegenüber freiem Wasser lediglich um den Faktor zwei verlangsamt. — Bertil Halle, Protein hydration dynamics in solution: a critical survey, Philosophical Transactions of the Royal Society B 359(1448), 2004 (PubMed 15306377)

Die Hülle ist also etwa um den Faktor 2 verlangsamt und bleibt dabei sehr beweglich. Genau diese Beweglichkeit braucht die Zelle, denn nur so laufen Bindung, molekulare Erkennung und Katalyse an der Proteinoberfläche mit der beobachteten Geschwindigkeit ab.

Neuere Arbeiten zeichnen ein noch feineres Bild. Die Übersicht von Laage, Elsaesser und Hynes aus dem Jahr 2017 fasst zusammen, dass die Dynamik der Hydrathülle über Zeitskalen von Femtosekunden bis Mikrosekunden reicht und innerhalb der Schicht ganz unterschiedlich ausfällt (PubMed 28248491). Einzelne Gruppen von Wassermolekülen sind stärker verlangsamt als der Durchschnitt. Der Effekt umfasst im Wesentlichen die erste, teils auch die zweite Molekülschicht.

Aquaporine: Wie Wasser die Zellmembran passiert

Ein Aquaporin ist ein Membranprotein, das eine enge Pore bildet, durch die Wassermoleküle die Zellmembran passieren können, während geladene Teilchen zurückgehalten werden. Peter Agre erhielt für die Entdeckung dieser Kanäle 2003 den Nobelpreis für Chemie, gemeinsam mit Roderick MacKinnon (Nobelpreis für Chemie 2003).

Die Leistungsdaten sind beeindruckend. In seinem Nobelvortrag beziffert Agre die Durchlassrate auf etwa 3 Milliarden Moleküle je Untereinheit und Sekunde. Dabei ist der Kanal hochselektiv, und wie er das schafft, ist der eigentlich spannende Teil.

Wasser leitet Protonen normalerweise außergewöhnlich schnell weiter. Über den sogenannten Grotthuß-Mechanismus wird eine Ladung entlang einer Kette wasserstoffbrückengebundener Moleküle weitergereicht, ohne dass ein einzelnes Molekül weit wandern müsste. Man spricht von einem Protonendraht. Eine wassergefüllte Pore quer durch die Membran wäre damit im Normalfall auch eine Protonenleitung, und das würde den Ladungshaushalt der Zelle durcheinanderbringen.

Aquaporine lösen dieses Problem über ihre Bauweise:

• Einzelreihen-Durchtritt: Die Pore ist so eng, dass Wassermoleküle nur hintereinander passieren können.
• Gezielte Umorientierung: In der Porenmitte dreht ein Wassermolekül kurzzeitig seinen Dipol, während es Wasserstoffbrücken zu zwei Asparagin-Seitenketten ausbildet. Die Kette der Wasserstoffbrücken bricht damit genau an dieser Stelle ab.
• Elektrostatische Abstoßung: Eine feste positive Teilladung im Kanal stößt Protonen zusätzlich ab.

So kommt Wasser durch, und die Ladung bleibt draußen. Bei der zellulären Hydration kommt es hier auf die Bauart an, und Aquaporine zeigen, wie präzise biologische Strukturen die Eigenschaften von Wasser nutzen und zugleich begrenzen.

Strukturiertes Wasser: was an Grenzflächen gemessen ist

Strukturiertes Wasser bezeichnet die Annahme, Wasser könne an Grenzflächen oder in biologischen Systemen eine geordnete Anordnung einnehmen, die sich von gewöhnlichem flüssigem Wasser unterscheidet. Dabei lohnt es sich, das beobachtete Phänomen und seine Deutung getrennt anzuschauen.

Zuerst das Phänomen. Bringt man bestimmte wasserliebende Oberflächen in Wasser, das feine Kunststoffkügelchen enthält, entsteht daneben eine Zone, aus der die Kügelchen verdrängt werden. Sie heißt Exclusion Zone, kurz EZ. Die Arbeitsgruppe von Gerald Pollack an der University of Washington hat diesen Effekt vielfach gezeigt, und mehrere unabhängige Gruppen haben ihn reproduziert. Je nach Oberfläche und Bedingungen wird die Zone mehrere hundert Mikrometer breit.

Für die Erklärung gibt es verschiedene Vorschläge. Pollack deutet die Zone als eigene, vierte Phase des Wassers mit hexagonaler Schichtstruktur. Eine Übersichtsarbeit von Elton, Spencer, Riches und Williams prüft 2020 die vorliegenden Befunde aus Doppelbrechungs-, Neutronen- und Kernspin-Messungen. Sie hält eine andere Erklärung für überzeugender, die Diffusiophorese, also die Wanderung von Teilchen in einem Konzentrationsgefälle, wie sie J. Michael Schurr beschrieben hat. Zum weiteren Zusammenhang schreiben die Autoren:

„the hypothesis that cellular water undergoes significant restructuring remains very controversial“

Sinngemäß: Die Hypothese, zelluläres Wasser erfahre eine erhebliche Umstrukturierung, bleibt höchst umstritten. — Daniel C. Elton et al., Exclusion zone phenomena in water – a critical review of experimental findings and theories, arXiv:1909.06822v3, 2020 (arXiv-Eintrag)

Das Grenzflächen-Phänomen ist also real und reproduzierbar, und seine Deutung ist Gegenstand laufender Forschung.

Warum Qi Blanco sich mit Wasser in der Zelle beschäftigt

Qi Blanco arbeitet an Produkten rund um Wasser und dessen Zustand, und deshalb schauen wir genau hin, was die Biophysik über Wasser in der Zelle herausfindet. Da gibt es einiges zu erzählen. Wasser ist im Zellgeschehen ein aktiver Mitspieler. Seine Beweglichkeit ändert sich in der Nähe von Oberflächen und unter Enge, etwa um den Faktor 2 in der Hydrathülle und um den Faktor 3 bis 8 in Mitochondrium und ER. Und biologische Strukturen wie Aquaporine nutzen die Eigenschaften von Wasser mit erstaunlicher Präzision.

Das ist gute, gut belegte Biophysik, und genau deshalb begleitet uns das Thema. Wer die Studienlage selbst nachlesen möchte, findet eine Übersicht auf unserer Seite Studien. Jede Zahl lässt sich außerdem an den Originalarbeiten im Quellenverzeichnis prüfen.

Häufige Fragen zur zellulären Hydration

Was bedeutet zelluläre Hydration genau?

Zelluläre Hydration beschreibt das Zusammenspiel von Wasser mit den Strukturen einer Zelle: die Hydrathülle um Proteine und Nukleinsäuren, den Wassergehalt des Cytoplasmas und den geregelten Wassertransport durch die Membran. Gemeint ist also die molekulare Ebene, und damit viel mehr als das Glas Wasser, das man über den Tag trinkt.

Ist das Wasser in einer Zelle anders als Leitungswasser?

Es verhält sich anders, auch wenn es chemisch dasselbe H₂O ist. Wassermoleküle im Cytoplasma bewegen sich durch das molekulare Gedränge um den Faktor 3 bis 8 langsamer, in der Hydrathülle eines Proteins etwa um den Faktor 2. Es sind dieselben Moleküle wie im Glas, nur unter ganz anderen Bedingungen.

Gibt es strukturiertes Wasser wirklich?

Gemessen ist an wasserliebenden Oberflächen im Labor das Exclusion-Zone-Phänomen, und mehrere unabhängige Gruppen haben es reproduziert. Gerald Pollack deutet es als eigene vierte Phase des Wassers. Eine Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen hält 2020 die Diffusiophorese für die überzeugendere Erklärung.

Wie schnell fließt Wasser durch ein Aquaporin?

Peter Agre nennt in seinem Nobelvortrag eine Rate von rund 3 Milliarden Wassermolekülen je Untereinheit in jeder Sekunde. Protonen hält die Pore dabei durch ihre enge Bauart und eine positive Teilladung zurück.

Kernaussagen auf einen Blick

• Wasser spielt in der Zelle aktiv mit. Philip Ball hat diesen Blickwechsel 2008 in Chemical Reviews zusammengefasst.
• Das Cytoplasma enthält bis zu 400 Gramm Makromoleküle pro Liter. Sie füllen 5 bis 40 Prozent des Volumens und liegen nur 1 bis 2 Nanometer auseinander.
• Die Hydrathülle eines Proteins ist gegenüber freiem Wasser um etwa den Faktor 2 verlangsamt und bleibt dabei beweglich, und genau das macht sie funktionsfähig.
• Aquaporine leiten je Untereinheit rund 3 Milliarden Wassermoleküle pro Sekunde und blockieren dabei gezielt die Weitergabe von Protonen.
• Das Exclusion-Zone-Phänomen an Grenzflächen ist reproduziert. Für seine Deutung gibt es zwei Vorschläge, die vierte Phase des Wassers nach Pollack und die Diffusiophorese.
• Wie weit die Ordnung des gesamten Zellwassers reicht, diskutiert die Fachliteratur weiter.

Quellen und weiterführende Literatur

• Philip Ball: Water as an Active Constituent in Cell Biology. Chemical Reviews, Band 108, Heft 1, Seiten 74–108, Januar 2008. Nachweis bei PubMed
• Bertil Halle: Protein hydration dynamics in solution: a critical survey. Philosophical Transactions of the Royal Society B, Band 359, Heft 1448, Seiten 1207–1223, August 2004. Volltext bei PubMed Central
• Damien Laage, Thomas Elsaesser, James T. Hynes: Water Dynamics in the Hydration Shells of Biomolecules. Chemical Reviews, Band 117, Heft 16, Seiten 10694–10725, August 2017. Volltext bei PubMed Central
• Daniel C. Elton, Peter D. Spencer, James D. Riches, Elizabeth D. Williams: Exclusion zone phenomena in water – a critical review of experimental findings and theories. arXiv:1909.06822v3, Juni 2020. Eintrag bei arXiv
• Peter Agre: Aquaporin Water Channels. Nobelvortrag vom 8. Dezember 2003, Nobel Foundation. Vortrag als PDF