Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemische Katalyse: Ohne Wasser geht es nicht

13.07.2011
Wasser ist nicht nur elementarer Bestandteil biologischer Systeme, sondern kann auf vielfältige Weise einen Einfluss auf diese haben, z. B. durch die Beteiligung an katalytischen Reaktionen.

Im Allgemeinen ist der direkte Nachweis dieser Wirkung aber schwierig zu erbringen, da es sich meist um kurzlebige Prozesse handelt. Forschende der Universität Basel konnten nun die katalytische Aktivität eines einzelnen Wassermoleküls in einer Protonentransferreaktion durch Kombination experimenteller Daten und computergestützter Simulationen nachweisen und die Vorgänge auf molekularer Ebene aufklären. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.


Protontransfer von der Aspartatseitenkette via Relay-Wassermolekül auf den [3Fe-4S]-Cluster. Das Protein ist schematisch, die involvierten Atome als Kugelmodell dargestellt. Bild: Meuwly

Gegenstand der computergestützten Chemie sind neben der Berechnung der elektronischen Struktur einer Verbindung auch die der Bewegung der einzelnen Atome, aus denen eine Verbindung besteht. Simulationstechniken erlauben es heute, die Bewegung von Molekülen und Systemen mit bis zu einer Million Atomen unter Berücksichtigung einer realistischen Umgebung qualitativ zu beschreiben. Diese Techniken kommen zum Beispiel bei der Untersuchung von Systemen zum Einsatz, die experimentell nur schwierig zugänglich sind.

Protonentransferreaktionen (PT-Reaktionen) sind Reaktionen, bei denen ein positiv geladenes Wasserstoffatom (ein Proton) von einem Reaktionspartner auf den anderen übertragen wird. Hierfür wird oft die Beteiligung von Wasser diskutiert, ein direkter experimenteller Nachweis auf molekularer Ebene ist hier aber schwierig, da es sich in der Regel um kurzlebige Prozesse handelt.

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Markus Meuwly vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Basel hat eine neue Methode entwickelt, PT-Reaktionen in Proteinen durch Simulationen zu untersuchen und hat diese auf das gut beschriebene Protein Ferredoxin I aus dem Bodenbakterium Azotobacter vinelandii angewandt. Ferredoxine sind kleine Proteine, die im Stoffwechsel als Elektronenüberträger an sogenannten Redoxreaktionen (Elektronenübertragungsreaktionen) beteiligt sind. Sie spielen eine Rolle zum Beispiel bei der Photosynthese, der Stickstofffixierung oder bei Atmungsprozessen. Ferredoxine enthalten Eisen- (Fe) und Schwefelatome (S), die in einem sogenannten Cluster (hier ein [3Fe-4S]-Cluster) angeordnet sind.

Für Ferredoxin I ist bekannt, dass direkt auf die Aufnahme von einem Elektron durch den Eisen-Schwefel-Cluster die Aufnahme von einem Proton aus dem umgebenden Wasser folgt. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion wurde bereits mittels Cyclovoltammetrie untersucht. Zudem wurde gezeigt, dass die katalytisch aktive Stelle (ein Aspartat-Aminosäurerest, Asp15) an der Oberfläche des Proteins liegt, sodass ein schneller Austausch mit dem umgebenden Wasser erfolgt. Bisherige mechanistische Untersuchungen gingen davon aus, dass Wasser an diesem PT nicht beteiligt ist. Meuwly konnte dies nun widerlegen und zeigen, dass zunächst ein Proton vom umgebenden Wasser aufgenommen und in einem konzertierten Prozess über ein einzelnes «strukturelles» Wassermolekül auf den im Protein weiter innen liegenden Eisen-Schwefel-Cluster übertragen wird. Die berechneten Daten für dieses Modell zeigen gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Werten – im Gegensatz zu anderen denkbaren kompetitiven Prozessen.

Die Originalarbeit demonstriert, dass durch das Zusammenwirken von Simulation, Theorie und Experiment ein grundlegendes Verständnis eines in der Chemie und Biologie fundamentalen Prozesses möglich wird, was keiner der Ansätze alleine erlaubt.

Originalpublikation
Stephan Lutz, Ivan Tubert-Brohmann, Yonggang Yang, Markus Meuwly
Water-asissted Proton Transfer in Ferredoxin I
Journal of Biological Chemistry, 7. Juli 2011
J. Biol. Chem. 2011 286: 23679-23687; doi:10.1074/jbc.M111.230003.
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Markus Meuwly, Universität Basel, Departement Chemie, Klingelbergstrasse 80, 4056 Basel, Tel. +41 61 267 38 21, E-Mail: m.meuwly@unibas.ch

Dr. Ina Emme-Papastavrou, Public Relations, Departement Chemie, Universität Basel, St. Johanns-Ring 19. 4056 Basel, Tel. +41 61 267 11 10, E-Mail: ina.emme@unibas.ch

Hans Syfrig Fongione | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie