Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

RUB-Forscher entschlüsseln neue Funktion proteingebundener Wassermoleküle

30.06.2011
Forscher der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Klaus Gerwert vom Lehrstuhl für Biophysik konnten den schwierigen Nachweis erbringen, dass ein Protein einzelne Wassermoleküle für wenige Sekundenbruchteile zu einer Kette anordnet, um Protonen gezielt leiten zu können.

Mit Hilfe der Vibrationsspektroskopie und biomolekularer Simulationen haben die Bochumer Forscher somit erstmals vollständig den Mechanismus aufgeklärt, mit dem ein Membranprotein Protonen durch die Zellmembran pumpt. Sie zeigten, dass proteingebundene Wassermoleküle hierfür eine entscheidende Rolle spielen. Ihre Ergebnisse wurden für die early Edition von PNAS ausgewählt.


Drei proteingebundene Wassermoleküle (rot-weiß) leiten ein Proton von oben nach unten. LS Biophysik

Proteingebundene Wasser sind entscheidend

Bestimmte Proteine können Protonen von einer Seite der Zellmembran (Aufnahmeseite) auf die andere transportieren (Abgabeseite), was einen zentralen Prozess der Energieumwandlung in der Biologie darstellt. In früheren Veröffentlichungen in Nature und Angewandte Chemie konnten die Forscher des Lehrstuhls für Biophysik bereits zeigen, dass die proteingebundenen Wassermoleküle auf der Abgabeseite im Ruhezustand optimal angeordnet sind, um Protonen abzugeben. „Die Protonen werden wie bei umfallenden Dominosteinen vom Protein angestoßen und infolgedessen heraus befördert“, erklärt Gerwert. Unklar blieb jedoch, wie das Protein wieder in den Ausgangszustand zurückgesetzt wird, um einen neuen Pumpzyklus starten zu können. Um die abgegebenen Protonen zu ersetzen, müssen an der anderen Seite des Proteins neue Protonen aufgenommen werden. Die Bochumer Forscher fanden heraus, dass sich zu diesem Zweck an der Aufnahmeseite eine Kette von gerade mal drei Wassermolekülen für nur wenige Tausendstel einer Sekunde bildet, um die Protonen ins Proteininnere zu leiten.

Das Wasser gibt die Richtung vor

Das Protein schlägt dabei zwei Fliegen mit einer Klappe: In der Abgabephase sind die Wassermoleküle ungeordnet, was einen Protonentransport in die falsche Richtung verhindert. Nur in der Aufnahmephase sind sie korrekt ausgerichtet und können Protonen leiten. Diese Ergebnisse lösen das Rätsel, warum die Protonenleitung an der Aufnahmeseite nur in eine Richtung funktioniert und das Protein somit effektiv und gerichtet pumpen kann. „Die vorliegende Arbeit bildet mit den beiden vorherigen eine Trilogie, die den Protonenpumpzyklus vollständig mit atomarer Auflösung erklärt“, resümiert Gerwert.

Experimentelle Physik und theoretische Chemie kombiniert

Um die Prozesse auf Nanoebene mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung verfolgen zu können, kombinierten die Forscher experimentelle Physik mit theoretischer Chemie. Steffen Wolf simulierte zunächst die strukturellen Änderungen im Protein mittels biomolekularer Computersimulationen (Molekulardynamik-Simulationen). Erik Freier wies die Effekte anschließend experimentell mit einer von Prof. Gerwert entwickelten Form der Vibrationsspektroskopie (zeitaufgelöste step-scan FTIR-Spektroskopie) nach. „Dieses interdisziplinäre Wechselspiel war der Schlüssel zum Erfolg“, so Gerwert. „Es hat sich gezeigt, dass die einzelnen Komponenten des Proteins so präzise aufeinander abgestimmt sind wie Zahnräder einer Maschine.“

Wie in Wasser so im Protein

Die drei Wassermoleküle werden vom Protein geschickt so angeordnet, dass sie Protonen nach dem aus der physikalischen Chemie bekannten Grotthus-Mechanismus leiten. Diesen Mechanismus beschrieb Nobelpreisträger Manfred Eigen in den fünfziger Jahren, um den sehr schnellen, ungerichteten Protonentransport in Wasser zu erklären. Aus den Bochumer Publikationen ergibt sich nun überraschenderweise, dass Aminosäuren gemeinsam mit proteingebundenen Wassermolekülen diesem sehr schnellen Transport eine Richtung geben können. Gerwerts Team konnte somit die Ergebnisse von Manfred Eigen erweitern und auf die Proteinforschung übertragen.

Lichtenergie effektiv in chemische Energie umwandeln

Die Bochumer Forscher arbeiteten vor allem mit dem Membranprotein Bakteriorhodopsin, mit dem bestimmte Bakterien eine urtümliche Form der Photosynthese ausführen. Bakteriorhodopsin baut ein Protonenkonzentrationsgefälle auf, indem es Protonen aus dem Zellinneren nach außen transportiert. Dieses Gefälle nutzen andere Proteine zur Produktion von ATP, dem universellen Kraftstoff der Zellen. Um die Lichtenergie effektiv zu nutzen, ist es wichtig, dass der Protonentransport eine spezifische Richtung besitzt und dass ein spontaner Rückfluss von Protonen verhindert wird.

Titelaufnahmen

Freier, E., Wolf, S., Gerwert, K. Proton transfer via a transient linear water-molecule chain in a membrane protein. PNAS, early edition, doi: 10.1073/pnas.1104735108 (2011)

Wolf, S., Freier, E., Potschies, M., Hofmann, E., Gerwert, K. Directional Proton Transfer in Membrane Proteins Achieved through Protonated Protein-Bound Water Molecules: A Proton Diode. Angew. Chem. Int. Ed., 49, 6889-6893 (2010)

Garczarek, F., Gerwert, K.: „Functional waters in intraprotein proton transfer monitored by FTIR difference spectroscopy“. Nature, 439, 109-112 (2006)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Klaus Gerwert, Lehrstuhl für Biophysik der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24461

gerwert@bph.rub.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://www.pnas.org/content/early/2011/06/20/1104735108.abstract

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie