„Trichter“ lockt Bindungspartner zum Biomolekül

Wasserbewegungen als Erkennungshelfer für Moleküle

26.09.2014 - Deutschland

Wasser ist in den Lebenswissenschaften ein allgegenwärtiges Lösungsmittel – manchmal die „Matrix des Lebens“ genannt. Entgegen früherer Annahmen ist es kein passiver Zuschauer biochemischer Prozesse, sondern aktiv daran beteiligt: Durch eine Veränderung der Bewegungen von Wassermolekülen in der Umgebung ihrer Bindungstaschen können Proteine eine Art Trichter im Wasser hervorrufen, der die Bindung eines bestimmten, im Wasser gelösten Bindungspartners unterstützt. Diese Erkenntnis gelang Valeria Conti Nibali und Prof. Dr. Martina Havenith-Newen (Exzellenz-Cluster RESOLV – Ruhr explores Solvation) mit einer Kombination aus Terahertz-Absorptions-Spektroskopie und Simulationen. Die Forscherinnen berichten im Journal of the American Chemical Society (JACS).

© Havenith/Conti Nibali

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

Choreografie der Wasserbewegungen

Neue experimentelle Techniken wie die Terahertz-Absorptions-Spektroskopie eröffnen erst den Zugang zu der Untersuchung der Dynamik von Wassermolekülen in der Umgebung von Biomolekülen. So konnten die Forscher schon vor einiger Zeit nachweisen, dass Proteine die Wassermoleküle in ihrer Umgebung beeinflussen – sie bestimmen die Choreografie ihrer Bewegungen. Dieser Effekt tritt nicht nur in der direkten Nähe des Proteins auf, sondern ist sogar in entfernten Lagen der umgebenden Wassermoleküle nachweisbar.

Biomoleküle können Bindungspartner bevorzugen oder benachteiligen

Wozu ist diese Beeinflussung aber sinnvoll? Der Antwort auf diese Frage kamen die Forscherinnen nun mittels Simulation der molekularen Dynamik ein Stück näher. Es zeigte sich, dass die Bewegungen der Wassermoleküle in der Nähe von aktiven Zentren von Proteinen, so genannten Bindungstaschen, wiederum in Zusammenhang stehen mit im Wasser gelösten potenziellen Bindungspartnern des Proteins. „Die Wassermoleküle formen durch ihre Bewegungen eine Art Hydrationstrichter. Dies ist Teil der molekularen Erkennung von den beiden Partnern“, erklärt Prof. Dr. Martina Havenith-Newen. Mehr noch: Die Bewegungen der Wassermoleküle erwiesen sich als spezifisch für bestimmte Bindungspartner. Kommen also verschiedene Biomoleküle für die Bindung an einer bestimmten Stelle des Proteins in Frage, ist die Wirkung der Wasserbewegungen unterschiedlich. Die aufeinander abgestimmten Wasserbewegungen könnten die Interaktion von Biomolekülen wie Enzymen und Proteinen unterstützen und eine besondere Rolle bei der gegenseitigen Erkennung spielen, entsprechende Bindungspartner also bevorzugen oder benachteiligen.

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