Der Unterschied macht’s

Ähnlich wie ein Wasserkraftwerk Energie aus dem Abfließen von Wasser entlang eines Höhenunterschiedes erzeugt, können Zellen ihre chemische Energie durch den kontrollierten Ausgleich von Protonen entlang eines pH-Unterschiedes aufbauen. Aufrechterhalten wird der Gradient durch biologische Membranen. Ohne eine solche Membran mit hochentwickelten Pumproteinen wird es schwierig, Protonen davon abzuhalten, ihre Konzentration in der Flüssigkeit sofort wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Ein Team um den LMU-Biophysiker Christof Mast in der Arbeitsgruppe von Professor Dieter Braun hat einen Prozess entdeckt, der pH-Unterschiede, ein Gefälle in der Protonenkonzentration, auch ohne Membranen nur mit Hilfe eines Wärmeflusses durch eine wassergefüllte Pore erzeugen kann. Thermische Energie wird in chemisch nutzbare Energie umgewandelt.„Lebendige Zellen nutzen pH-Unterschiede als universellen Antriebsmechanismus ihrer Zell-Kraftwerke,“ erläutert Mast. Vor etwa vier Milliarden Jahren, vor der Evolution von Protonenpumpen, waren andere Mechanismen zur Erzeugung von pH-Gradienten nötig. „Auf der frühen Erde könnte die thermisch getriebene Induktion eines pH-Unterschiedes in der Nähe von Wärmequellen in porösem Gestein erreicht worden sein.“ ergänzt Lorenz Keil, der Erstautor der Veröffentlichung in Nature Communications. Solche pH-Unterschiede spielten auch für die Bildung der wichtigsten molekularen Bausteine des Lebens wie der Ribonukleinsäure (RNA) und verschiedener Aminosäuren auf der frühen Erde eine wichtige Rolle.Der Wärmefluss, wie er zum Beispiel in ozeanischen Hydrothermalfeldern vorkommt, erzeugt einen Temperaturunterschied zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Pore und verursacht zwei entscheidende Effekte: Biomoleküle wandern durch die sogenannte Thermophorese entlang des Temperaturunterschiedes zur kalten Seite hin. Zugleich entsteht eine Umlaufströmung in der Pore durch das Absinken des etwas dichteren Wassers auf der kalten und das Aufsteigen des leichteren Wassers auf der heißen Seite. Das Zusammenspiel beider Mechanismen konzentriert die stärker geladenen Moleküle auf dem Porenboden. Dort können sie freie Protonen aufnehmen und somit für einen höheren pH-Wert im Vergleich zur Porenoberseite sorgen.

Motor der ersten Zellen der Erdgeschichte? Durch thermische Umlaufbewegungen könnten die ersten Zellen zwischen Bereichen mit unterschiedlichem pH-Wert hin- und hergewechselt sein. Der vergleichsweise schnelle Transport von Vesikeln könnte einen Protonengradienten über proto-zelluläre Membranen verursacht haben, ähnlich zu den Protonenpumpen in ihren modernen Verwandten. „Frühe Zellen hätten mit dieser Methode also schon chemische Energie gewinnen können, ohne dazu aktive Protonenpumpen zu benötigen“, fasst Mast zusammen.Ein einfacher Temperaturunterschied stellt demnach nicht nur ein hilfreiches Werkzeug zur Bildung und Vervielfältigung der ersten Biomoleküle dar, sondern könnte auch den Stoffwechsel der ersten Zellen angetrieben haben. (NIM/LMU)Nature Communications 2017