Mehr als nur Hintergrund: RUB-Wissenschaftler erforschen aktive Rolle von Wasser in Zellen

Wassermoleküle bilden mehr als nur den Hintergrund, vor dem die lebenswichtigen Reaktionen in Zellen ablaufen. Mit der Terahertz (THz)-Spektroskopie zeigten Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Martina Havenith (RUB-Lehrstuhl für Physikalische Chemie II) und Dr. Benjamin Born (Weizmann Institute of Science, Israel), dass Wasser aktiv an den Wechselwirkungen zwischen Enzymen und ihren Reaktionspartnern beteiligt ist.

Im Vergleich zu reinem Wasser verlangsamte sich die Dynamik des Wassers in der Umgebung solcher gelösten Enzyme systematisch, kam jedoch nicht zum Stillstand. Die Wissenschaftler kooperierten mit Prof. Dr. Irit Sagi vom Weizmann Institute (Biological Regulation) und Prof. Dr. Gregg Fields vom Torrey Pines Institute in Florida. Ein ausführlicher Beitrag zu dem Thema findet sich in RUBIN, dem Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität.

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„Wassertanz“ mit THz-Spektroskopie verfolgen

Im Gegensatz zu bisherigen Strukturanalysen mit Röntgenstrahlen erlaubt die in Bochum neu entwickelte Kinetische THz-Absorptionspektroskopie einen Blick auf bewegte Wassermoleküle während einer Reaktion. Ultrakurze (Femtosekunden) THz-Pulse durchdringen ein Gemisch aus Enzym und Reaktionspartner. Nach Auslösen einer Reaktion messen die Forscher die Absorption der THz-Strahlung. So können sie die Wasserbewegungen in Echtzeit mit einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich verfolgen. Früher ging man davon aus, dass Wassermoleküle in der Nähe von Biomolekülen (z.B. Enzymen) eine statische Struktur annehmen und so zu deren räumlicher Anordnung und Funktion beitragen. Neuere Messungen an der RUB zeigen jedoch, dass Wasser sich dort immer noch dynamisch verhält und permanent Bindungen bildet und auflöst.

Wasserbewegungen und Strukturänderungen korrelieren

Die verlangsamte Wasserbewegung, die die Forscher an der Enzymoberfläche fanden, erstreckte sich weit in das Wassernetzwerk hinein, kann also potentielle Reaktionspartner in der Umgebung beeinflussen. Am stärksten ausgeprägt war der Effekt am aktiven Zentrum des Enzyms, wo der Reaktionspartner (das Substrat) andockt. Die einzelnen Reaktionsschritte der Enzym-Substrat-Interaktion untersuchten die Forscher zusätzlich mittels Röntgenanalyse. Mit einer am Weizmann Institute erfundenen Methode bestimmten sie die Struktur gefrorener Reaktionszwischenstufen mit atomarer Auflösung. So konnten sie nachweisen, dass Änderungen in der Wasserbewegung zeitlich mit den strukturellen Änderungen des Enzym-Substrat-Komplexes korrelieren.

Matrix-Metalloproteasen in physiologischen und pathologischen Prozessen

Das Forscherteam untersuchte so genannte Matrix-Metalloproteasen – Enzyme, die im Zellzwischenraum zum Beispiel als Nachrichtenvermittler agieren. Sie sind für viele physiologische und pathologische Prozesse wichtig, bauen etwa Gewebe um und sind so an der Wundheilung und vermutlich am Tumorwachstum beteiligt. Auch zu Arthritis, Schlaganfällen, Rheuma und weiteren Erkrankungen könnten die Matrix-Metalloproteasen beitragen. Daher sind sie ein interessanter Ansatzpunkt für die Medikamentenforschung.

Lösungsmittelprozesse weiter untersuchen

Das Lösen einer chemischen Substanz ist ein grundlegender Prozess der Chemie, der trotz seiner fundamentalen Bedeutung auf molekularer Ebene bisher noch nicht verstanden ist. In Zukunft werden RUB-Forscher gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern die aktive Rolle des Wassers bei diesen Prozessen näher charakterisieren – zum Beispiel im Forschungsverbund RESOLV (Ruhr Explores Solvation), mit dem die RUB im Rennen um ein Forschungscluster in der Exzellenzinitiative II des Bundes und der Länder liegt. Ein elementarer Bestandteil von RESOLV ist der Forschungsneubau ZEMOS an der RUB, der im November 2011 bewilligt wurde.

Mehr Themen in RUBIN

In RUBIN 2/2011 finden Sie außerdem folgen Themen: Lernende Hirnzellen: Motivation nutzen; Verantwortung gegenüber von Armut Betroffenen: Pflichten stark machen; Die Umweltverantwortung von Unternehmen; Grübler oder Macher; Der schnellste Stern im Universum; Wie sich der Gehirntumor verrät; Geselligkeit hält geistig fit; Biogasherstellung: Einzeller auf Hochtouren. RUBIN ist in der Stabsstelle Strategische PR und Markenbildung zum Preis von 2,50 Euro erhältlich und online unter http://www.rub.de/rubin

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martina Havenith, Laserspektroskopie und Biophotonik, Lehrstuhl Physikalische Chemie II, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel.: 0234/32-24249

Martina.Havenith@ruhr-uni-bochum.de

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Solvation Science @ RUB (RESOLV)
http://www.ruhr-uni-bochum.de/solvation/
Pressemitteilung zum Forschungsneubau ZEMOS
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2011/pm00360.html.de
Redaktion
Dr. Julia Weiler