RUB-Chemiker "verfilmen" die Proteinfaltung

Das Schauspiel der Proteinfaltung in Wasser haben Chemiker um Prof. Dr. Martina Havenith und Martin Gruebele jetzt erstmals im THz Bereich „verfilmt“: Mit der neu entwickelten KITA-Spektroskopie (=Kinetic Terahertz Absorption Spectroscopy) konnten sie den Prozess mit einem Bild pro Millisekunde auflösen.

Außerdem wurden andere biophysikalische Methoden wie Röntgenstreuung, Fluoreszenzspektroskopie und CD-Spektroskopie zum Vergleich eingesetzt. Dabei beobachteten sie, dass die Faltung in zwei Schritten abläuft: In einem sehr schnellen ersten Schritt kollabiert das Protein binnen weniger als Millisekunden, während gleichzeitig eine Umorientierung im Protein-Wassernetzwerk stattfindet. In einem zweiten, langsameren Schritt nach knapp einer Sekunde nimmt das Protein dann die endgültige, gefaltete Struktur ein.

Bisher waren mit der THz-Spektroskopie nur Aufnahmen vom Beginn und vom Ende dieses Faltungsprozesses möglich. „Jetzt erst sehen wir sozusagen das ganze Stück und nicht mehr nur die Eröffnungsszene und den Schlussapplaus“, verdeutlicht Prof. Havenith. Die Arbeit ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Proteine ordnen das Wasser

Aus ihren vorangegangenen Arbeiten wussten die Forscher aus Bochum und der University of Illinois, dass Proteine das Wasser in ihrer Umgebung stark beeinflussen: Im unbeeinflussten Wasser werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Molekülen ca. alle 1,3 Picosekunden geöffnet und geschlossen – es herrscht ziemliche Unordnung. Schon kleine Konzentrationen von Proteinen bringen die Wassermoleküle allerdings mehr auf Linie: Die dynamischen Bewegungen des Wassernetzwerkes werden durch das Protein verändert. Bekannt war ebenfalls, dass gefaltete Proteine einen deutlich anderen Einfluss auf die Wassermoleküle ausüben als ungefaltete. Die KITA-Spektroskopie erlaubte jetzt erstmals Einblicke in die Zeit zwischen diesen beiden Zuständen.

Wasser und Protein sind stark gekoppelt

Bei der KITA-Spektroskopie werden kurze Terahertz-Pulse ausgesandt, die in Millisekundenauflösung Einzelbilder des beobachteten Prozesses liefern. Die Chemiker starteten den Proteinfaltungsprozess und zeichneten dann die Geschehnisse auf. Es zeigte sich, dass schon binnen weniger als zehn Millisekunden sowohl die Bewegungen des Wassernetzwerks verändert waren, als auch das Protein sich umstrukturierte. „Diese beiden Prozesse laufen praktisch gleichzeitig ab“, so Prof. Havenith-Newen, „sie sind stark aneinander gekoppelt.“ Diese Beobachtung unterstützt die noch umstrittene Annahme, dass das Wasser an der Proteinfaltung, und somit auch an der Proteinfunktion, erheblich beteiligt ist und nicht passiv bleibt. Erst dann findet im Protein ein zweiter wesentlich langsamerer Schritt (über einen Zeitraum von 0,9 Sekunden) statt, bei dem es die endgültige, gefaltete Struktur einnimmt.

Förderung durch HFSP

Die Arbeiten wurden durch das Human Frontier Science Programme (HFSP) finanziert. Martin Gruebele war als Friedrich-Wilhelm Besselpreisträger der Alexander von Humboldtstiftung an der Fakultät für Chemie der RUB.

Titelaufnahme

Seung Joong Kim, Benjamin Born, Martina Havenith, and Martin Gruebele: Real-time detection of protein-water dynamics upon protein folding by Terahertz absorption. In: Angewandte Chemie, Hot Topic Beitrag http://www3.interscience.wiley.com/journal/121356250/abstract

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martina Havenith,
Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum,
Tel. 0234/32-24249, Fax: 0234/32-14183,
E-Mail: martina.havenith@ruhr-uni-bochum.de