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 Warum der Brennstoffzelle die Luft wegbleibt
28.03.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Chlamydien: Wie Bakterien das Ruder übernehmen
28.03.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Warum der Brennstoffzelle die Luft wegbleibt

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chlamydien: Wie Bakterien das Ruder übernehmen

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher

28.03.2017 | Physik Astronomie