Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Klassische enzymatische Theorie erweitert: RESOLV bezieht die Rolle des Wassers ein

26.11.2014

Die Rolle des Wassers bei biologischen Reaktionen wurde bisher aufgrund seines komplexen molekularen Verhaltens oft außer Acht gelassen.

Die Arbeitsgruppen um Martina Havenith (Exzellenzcluster RESOLV - Ruhr Explores Solvation) und Irit Sagi (Weizmann Institute of Science Israel) haben nun gezeigt, dass auch langlebige, konzertierte Bewegungen von Wassermolekülen und Proteinen in der klassischen enzymatischen Theorie der funktionalen Katalyse eine Rolle spielen können. Die Forscher berichten in den Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).


Schematische Darstellung des Hydrationstrichters in einem Enzym-Substrat-Komplex (das Protein ist in grau, sein Bindungspartner in grün und der Trichter in Gelb dargestellt).

RUB, Grafik: Havenith/Nibali

Der Fokus liegt auf gekoppelten Bewegungen von Wassermolekülen und Proteinen

Dass Wasser eine wichtige Rolle in komplexen biologischen Prozessen spielt, ist ein heute allgemein anerkanntes Konzept. Die genauen zugrundeliegenden Funktionsmechanismen jedoch sind noch nicht vollständig verstanden – zu groß waren die technischen Herausforderungen bei der Messung der extrem kurzlebigen Interaktionen der einzelnen Wassermoleküle untereinander und mit den biologischen Makromolekülen während der Reaktion.

Auf der Suche nach einem möglichst vollständigen Szenario der biophysikalischen Vorgänge führten die Forschergruppen komplementäre Messungen mittels Terahertz-Spektroskopie und Röntgenabsorption durch. Es gelang ihnen, die gemessenen Änderungen in den gekoppelten Protein-Wasser-Bewegungen während der enzymatischen Reaktion zu analysieren und mit den Strukturänderungen in Zusammenhang zu setzen. Durch begleitende molekulardynamische Simulationen konnten sie zusätzlich die atomistischen Details des zugrunde liegenden Mechanismus erklären.

Neues biologisches Phänomen

Ihre Untersuchungen führten die Forscher an einem Enzym aus der Familie der Metalloproteinasen durch, die am Abbau von extrazellulärer Matrix beteiligt sind und somit wichtige Funktionen zum Beispiel bei der Wundheilung ausüben können. Der umfassenden Ansatz der Forscher offenbarte ein bisher unbekanntes Phänomen: Die korrelierten Protein-Wasser Bewegungen folgen nicht der klassischen enzymatischen Theorie. Stattdessen beobachteten sie langlebige Protein-Wasser-Bewegungen.

Die Simulationen zeigen eine systematische Verlangsamung der Wasserbewegung in Richtung der molekularen Erkennungsstelle des Enzyms (“Hydration Funnel” = Hydratationstrichter). „Die Bewegungen des Wassers passen sich also den Bewegungen des Substrates an“, verdeutlicht Prof. Dr. Martina Havenith-Newen. Dieses erstmals beobachtete Phänomen ist abhängig vom Bindungspartner: Im Falle einer optimierten molekularen Architektur fand man eine besonders starke Ausprägung. „Zusammengefasst erweitern unsere Beobachtungen die klassische Theorie der enzymatischen Katalyse um die Einbeziehung langlebiger Protein-Wasser-gekoppelter Bewegungen im Modell der funktionalen Katalyse“, erklärt die Chemikerin.

Verschiedene Techniken im Einsatz

Die Studie umfasst Ergebnisse, die mit verschiedenen Spektroskopietechniken wie Röntgen- und Terahertz-Spektroskopie erzielt wurden und die durch computergestützte Moleküldynamik-Simulationen ergänzt wurden.

Exzellenz-Cluster RESOLV

Das Projekt ist Teil des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069), der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Titelaufname

J. Dielmann-Gessner, M. Grossman, V. Conti Nibali, B. Born, I. Solomonov, G. B. Fields, M. Havenith, I. Sagi (2014): Enzymatic turnover of macromolecules generates long lasting protein-water coupled motions beyond reaction steady-state, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1410144111

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nano-Ampel zeigt Risiko an
24.04.2018 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Resteverwerter im Meeresboden
24.04.2018 | Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

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: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

RWI/ISL-Containerumschlag-Index auf hohem Niveau deutlich rückläufig

24.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

24.04.2018 | HANNOVER MESSE

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics