Zelluläre Hydration: Was die Biophysik sagt

Wasser in einer Zelle verhält sich anders als Wasser in einem Glas. Die Biophysik beschreibt zelluläre Hydration heute nicht mehr als passiven Hintergrund, sondern als aktiven Teil des Geschehens. Im Zellinneren drängen sich bis zu 400 Gramm Makromoleküle pro Liter, die 5 bis 40 Prozent des Zellvolumens einnehmen und im Mittel nur 1 bis 2 Nanometer voneinander entfernt liegen. 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. Eigene Kanäle, die Aquaporine, schleusen rund 3 Milliarden Wassermoleküle pro Untereinheit und Sekunde durch die Zellmembran und halten Protonen dabei zurück. Alle drei Effekte sind gemessen und mehrfach reproduziert. Deutlich weniger gesichert ist die Vorstellung, das Wasser einer Zelle bilde großflächig eine eigene, dauerhaft geordnete Struktur: Dieser Punkt gilt in der Fachliteratur ausdrücklich als umstritten. Der folgende Text trennt beides – das Belegte vom Offenen.

Warum Wasser in der Zelle mehr ist als ein Lösungsmittel

Ein Lösungsmittel ist im klassischen Verständnis eine Flüssigkeit, die gelöste Teilchen umgibt, ohne selbst am Geschehen teilzunehmen. Genau 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 und dabei eine ältere Beobachtung von Gerstein und Levitt aufgegriffen:

„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 er ist nicht leer. Balls Fazit nach der Durchsicht von über 400 Einzelarbeiten fällt deutlich aus: Wasser halte makromolekulare Strukturen zusammen, vermittle molekulare Erkennung, moduliere die Beweglichkeit von Proteinen und stelle einen schaltbaren Kommunikationsweg durch Membranen bereit.

Zwei Zahlen aus derselben Arbeit zeigen, wie eng Wasser und Molekülbau verzahnt sind: 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. Die verbreitete Vorstellung vom Protein als „außen wasserliebend, innen wasserabweisend“ ist damit eine Vereinfachung, die der Messung nicht standhält.

Wie eng es im Zellinneren wirklich zugeht

Molekulares Gedränge, in der Fachsprache macromolecular crowding, bezeichnet den Zustand hoher Teilchendichte im Zellinneren, bei dem gelöste Makromoleküle einen erheblichen 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.

Damit bleibt für Wasser wenig freie Strecke. Der typische Abstand zwischen zwei Makromolekülen beträgt 1 bis 2 Nanometer – das entspricht etwa drei bis sechs Wassermolekülen nebeneinander. Unter solcher Enge ändert sich das Verhalten der Flüssigkeit messbar:

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

Besonders aufschlussreich ist 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. Praktisch heißt das: Ein Molekül braucht länger, bis es sein Ziel erreicht – bleibt danach aber länger in dessen Nähe. Für biochemische Reaktionen, die auf wiederholte Begegnungen angewiesen sind, ist dieser zweite Teil kein Nachteil, sondern 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 wurde jahrzehntelang gestritten, und der Streit ist lehrreich, weil er zeigt, wie eine populäre Vorstellung an der Messung zerbrach.

Lange kursierte die Idee einer Art „biologischen Wassers“: einer eisartig geordneten, langsamen Schicht, die sich starr mit dem Protein mitbewegt. Bertil Halle von der Universität Lund hat diese Annahme 2004 in einer kritischen 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)

Faktor 2 statt Eisstruktur – und gerade diese hohe Beweglichkeit ist funktional entscheidend. Wäre die Hülle starr, könnten Bindung, molekulare Erkennung und Katalyse an der Proteinoberfläche nicht mit der beobachteten Geschwindigkeit ablaufen.

Neuere Arbeiten zeichnen ein differenzierteres 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 keineswegs einheitlich ist (PubMed 28248491). Einzelne Untergruppen von Wassermolekülen sind stärker verlangsamt als der Durchschnitt. Die Reichweite des Effekts bleibt jedoch begrenzt: Sie umfasst im Wesentlichen die erste, teils die zweite Molekülschicht – nicht das gesamte Zellwasser.

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 bemerkenswert. In seinem Nobelvortrag beziffert Agre die Durchlassrate auf etwa 3 Milliarden Moleküle je Untereinheit und Sekunde. Zugleich ist der Kanal hochselektiv – und die Art dieser Selektivität ist der eigentlich interessante 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 – was den Ladungshaushalt der Zelle unterlaufen würde.

Aquaporine lösen dieses Problem baulich, und zwar auf zwei Wegen:

• 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.

Wasser kommt durch, die Ladung nicht. Zelluläre Hydration ist an dieser Stelle also keine Frage der Menge, sondern der Bauart – ein Beispiel dafür, wie präzise biologische Strukturen die Eigenschaften von Wasser nutzen und zugleich begrenzen.

Strukturiertes Wasser: belegt, umstritten, offen

Strukturiertes Wasser bezeichnet die Annahme, Wasser könne an Grenzflächen oder in biologischen Systemen eine geordnete Anordnung einnehmen, die sich von gewöhnlichem flüssigem Wasser unterscheidet. Der Begriff verlangt eine sorgfältige Trennung zwischen einem beobachteten Phänomen und seiner Deutung.

Das Phänomen zuerst: Bringt man bestimmte wasserliebende Oberflächen in Wasser ein, das feine Kunststoffkügelchen enthält, entsteht daneben eine Zone, aus der die Kügelchen verdrängt werden – die sogenannte Exclusion Zone, kurz EZ. Die Arbeitsgruppe von Gerald Pollack an der University of Washington hat diesen Effekt vielfach demonstriert; er wurde von mehreren unabhängigen Gruppen reproduziert und kann je nach Oberfläche und Bedingungen mehrere hundert Mikrometer breit werden. Insoweit ist die Beobachtung nicht strittig.

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

Damit steht der Stand der Dinge nüchtern fest: Ein reales, reproduzierbares Grenzflächen-Phänomen existiert. Eine großflächige, dauerhafte Ordnung des Zellwassers als gesicherte Tatsache darzustellen, deckt die Datenlage dagegen nicht. Wer hier Eindeutigkeit behauptet, geht über das hinaus, was gemessen wurde – in beide Richtungen.

Was Qi Blanco daraus ableitet – und was nicht

Qi Blanco arbeitet an Produkten rund um Wasser und dessen Zustand. Umso wichtiger ist an dieser Stelle eine klare Trennung zwischen dem, was dieser Artikel belegt, und dem, was er nicht behauptet.

Belegt ist: Wasser ist im Zellgeschehen ein aktiver Mitspieler, kein Hintergrund. Seine Beweglichkeit ändert sich in der Nähe von Oberflächen und unter Enge messbar. Biologische Strukturen wie Aquaporine nutzen die Eigenschaften von Wasser mit erstaunlicher Präzision. Das ist gute, gut belegte Biophysik – und der Grund, warum das Thema uns überhaupt beschäftigt.

Nicht belegt ist der Sprung von dort zu einer Aussage über die Wirkung eines Produkts auf den Menschen. Aus einem Grenzflächen-Effekt im Labor folgt keine gesundheitsbezogene Zusage, und dieser Text macht keine. Der ehrlichere Weg ist, den offenen Punkt offen zu nennen: Die Deutung des Phänomens ist Gegenstand laufender Forschung.

Wer die Studienlage selbst nachlesen möchte, findet eine Übersicht auf der Seite Studien. Die in diesem Artikel genannten Arbeiten sind am Ende vollständig verlinkt, sodass sich jede Angabe an der Originalquelle nachprüfen lässt.

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. Der Begriff meint mehr als „genug getrunken haben“ – er bezieht sich auf die molekulare Ebene.

Ist das Wasser in einer Zelle anders als Leitungswasser?

In seinem Verhalten ja, in seiner chemischen Zusammensetzung nein. Wassermoleküle im Cytoplasma bewegen sich durch das molekulare Gedränge um den Faktor 3 bis 8 langsamer, und in der Hydrathülle eines Proteins etwa um den Faktor 2. Es handelt sich dabei um dieselben H₂O-Moleküle unter anderen Bedingungen, nicht um einen anderen Stoff.

Gibt es strukturiertes Wasser wirklich?

Das Exclusion-Zone-Phänomen an Grenzflächen ist experimentell belegt und mehrfach unabhängig reproduziert. Die Deutung als eigene vierte Phase des Wassers ist dagegen nicht Konsens; eine kritische Übersicht von 2020 hält Diffusiophorese für die überzeugendere Erklärung. Beides zugleich zu sagen ist der korrekte Stand.

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 werden dabei durch die enge Bauart der Pore und eine positive Teilladung zurückgehalten.

Kernaussagen auf einen Blick

• Wasser ist in der Zelle ein aktiver Mitspieler und kein passiver Hintergrund – Philip Ball hat diesen Perspektivwechsel 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 – nicht eisartig erstarrt. Gerade die Beweglichkeit 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; seine Deutung als vierte Phase des Wassers ist es nicht.
• Eine großflächige, dauerhafte Ordnung des gesamten Zellwassers gilt in der Fachliteratur weiterhin als umstritten.

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