Tanz der Wassermoleküle in Proteinen in Echtzeit aufgelöst

Neuer Ansatz ermöglicht bewegte Bilder der Proteinfunktion

11.11.2005

RUB-Biophysiker Dr. Florian Garzcarek und Prof. Dr. Klaus Gerwert konnten erstmals zeigen, wie ein Membranprotein gezielt das Zusammenspiel einzelner Wassermoleküle nutzt, um seine Arbeit zu verrichten, nämlich von der Sonne angetrieben Protonen gegen einen äußeren Widerstand zu Pumpen. Entgegen der herrschenden Lehrmeinung können Wassermoleküle genau wie Aminosäuren Funktionen in einem Protein übernehmen. "Die katalytische Funktion der Proteine ist essentiell für die Regulierung biologischer Prozesse, und proteingebundenes Wasser spielt dabei eine zentrale Rolle", erklärt Prof. Gerwert.

So wie bei einem tanzenden Paar die Bewegungen der Arme eine zentrale Rolle spielen, sind die Interaktionen der beiden an dem zentralen Sauerstoff (O) gebundenen Wasserstoffarme (H) wichtig für die Funktion der Wassermoleküle (H2O) im Protein. Ein im Labor von Prof. Gerwert entwickelter, vibrationsspektroskopischer Ansatz erlaubte es den Forschern nun erstmals, die Wasserstoffe einzelner proteingebundener Wasser und ihre vielfältigen Interaktionen während der Katalyse eines Membranproteins in Echtzeit aufzulösen. "Bisher konnte in den Proteinstrukturen nur die Position der Sauerstoffatome des proteingebundenen Wassers aufgelöst werden, nicht aber die der Wasserstoffe und insbesondere nicht deren Dynamik", erläutert Prof. Gerwert. Ohne Kenntnis über die Position und Dynamik der Arme konnte den Wassermolekülen bisher auch keine Funktion zugeordnet werden.

Auswirkungen könnte die neue Untersuchungsmethode auf die Entwicklung neuer Medikamente haben: Die Rolle der Wassermoleküle wird z.B. in den Modelling Verfahren der Pharmaindustrie, in denen neue Wirkstoffe entwickelt werden, bisher gar nicht oder nur sehr rudimentär berücksichtigt. "Kann man die Rolle Protein-gebundener Wasser in solche Verfahren mit einbeziehen, sollte dies einen erheblichen Fortschritt bei der Entwicklung von neuen Wirkstoffen auslösen", schätzt Prof. Gerwert. Die Vibrationsspektroskopie könne zu einer Schlüsseltechnik im Bereich der System-Biologie werden, da sie die Dynamik der Proteine und ihre Interaktionen in Proteinnetzwerken auflösen kann. Die aktuellen Ergebnisse schlagen darüber hinaus eine Brücke von der Welt der Physiko-Chemiker zu der Welt der Biochemiker: Es zeigt sich, dass die in den physiko-chemischen Systemen entdeckten Eigenschaften der Wasser geschickt von einem Protein genutzt werden, um seine biologische Funktion optimal zu realisieren.

Originalveröffentlichung: F. Garczarek,K. Gerwert; "Functional waters in intraprotein proton transfer monitored by FTIR difference spectroscopy."; Nature 2005.

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