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 Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen
20.11.2017 | Technische Universität München

nachricht Satellitenbilder zur Erfassung von Biodiversität nur bedingt tauglich
20.11.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie