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Physikalische Details der Protonenbewegung im Protein aufgeklärt

Biophysiker der Freien Universität erreichten Bestätigung von Computersimulation durch Experimente mit Infrarotlicht

News from Feb 19, 2018

Wissenschaftler der Freien Universität Berlin haben mithilfe von Infrarotlicht die Bewegungsrichtung eines Protons entlang von Wassermolekülen innerhalb eines Proteins nachgewiesen. Der Beleg für die Protonenbewegung wurde von Forschern um den theoretischen Physiker Prof. Dr. Roland Netz vom Fachbereich Physik der Freien Universität in Computersimulationen vorhergesagt und konnte von Prof. Dr. Joachim Heberle und seinen Mitarbeitern experimentell am Beispiel eines Proteins bestätigt werden, das in der Zellmembran von Bakterien vorkommt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Der Transport von Protonen durch Proteine spielt eine entscheidende Rolle für bioenergetische Vorgänge wie der Atmung und der Fotosynthese. Von den Erkenntnissen erhoffen sich die Wissenschaftler ein tieferes Verständnis von Elementarreaktionen in der Biologie.

Der Transport von Protonen – bei Protonen handelt es sich um positiv geladene Teilchen – spielt eine essenzielle Rolle für zahlreiche biologische Zellfunktionen: In fast allen am Protonentransport beteiligten Proteinen finden sich kleine Wassercluster, also Ansammlungen von wenigen Wassermolekülen, denen eine zentrale Funktion für die im Detail unbekannten Transportmechanismen zugeschrieben wird. Wasser ist ein exzellenter Protonenleiter. Diese Eigenschaft wird auch in elektrochemischen Bauteilen ausgenutzt, etwa in Brennstoffzellen.

Die Biophysiker untersuchten verschiedene mögliche Formen molekularer Wassercluster in Computersimulationen, jeweils mit und ohne zusätzliches Proton. Durch diese Herangehensweise konnten sie zeigen, dass die für protonierte Wassercluster typische kontinuierliche Infrarot-Absorption je nach Form der Cluster unterschiedlich polarisiert ist; maximale Absorption wurde dabei entlang der Ausdehnung des Wasserclusters beobachtet.

Es gelang den Wissenschaftlern, diese Eigenschaft experimentell für das Protein Bakteriorhodopsin mittels infraroter Strahlung (Wärmestrahlung) nachzuweisen. Bakteriorhodopsin kommt in Bakterien vor und pumpt unter Bestrahlung mit Licht Protonen durch die Zellmembran. Die Orientierung eines im Protonentransfer beteiligten Wasserclusters in dem Protein konnte auf diese Weise erstmalig bestimmt werden. Die Autoren gehen davon aus, dass ihre Methode auf eine Reihe weiterer Proteine angewendet werden kann, die bei der Atmung und der Fotosynthese eine Rolle spielen; dies könnte die Erkenntnisse über die Mechanismen des biologischen Protonentransfers entscheidend voranbringen.

Vollständige Pressemeldung der Freien Universität Berlin - Nr. 032/2018 vom 19.02.2018

Artikel

Daldrop, J.O., Saita, M., Heyden, M., Lorenz-Fonfria, V. A., Heberle. J. & Netz, R. R.: Orientation of non-spherical protonated water clusters revealed by infrared absorption dichroism; Nature Commun. 9, 311 (2018), DOI: 10.1038/s41467-017-02669-9; www.nature.com/articles/s41467-017-02669-9

Weiterführende Links

Weitere Informationen

  • Prof. Dr. Joachim Heberle, Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin,
    Telefon: 030 / 838-56161, E-Mail: joachim.heberle@fu-berlin.de
  • Prof. Dr. Roland Netz, Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin,
    Telefon: 030 / 838-55737, E-Mail: rnetz@fu-berlin.de
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