Proteine und Wasser

Proteine und Wasser

Simulierte Struktur von hydriertem Kollagen
Simulierte Struktur von hydriertem Kollagen

Für die biologische Funktion von Proteinen ist das Vorhandensein einer Hydrathülle – oder zumindest einer geeigneten Lösungsmittelhülle – zwingend erforderlich. Wir verwenden NMR-Experimente und MD-Simulationen, um die Ursache dieses Phänomens zu erforschen. Bekanntermaßen ist das Auftreten eines komplizierten Zusammenspiels von Protein- und Wasserdynamik in der Natur von großer Bedeutung. Wir untersuchen dieses Zusammenspiel z.B. für die Bindegewebsproteine Elastin und Kollagen. Das Bindegewebe übernimmt eine Vielzahl von Funktionen in Wirbeltieren. Beispielsweise ist es in Form von Knorpel für die Dissipation der kinetischen Energie bei der Fortbewegung von Lebewesen verantwortlich. Um ein grundlegendes Verständnis der Vorgänge auf molekularer Ebene zu erlangen, erweist sich eine Analyse der Temperaturabhängigkeit der Protein- und der Wasserdynamik als sehr hilfreich. Weiterhin studieren wir, wie sich die Eigenschaften von Proteinen verändern, wenn Wasser durch andere Lösungsmittel ersetzt wird. Solche Studien sind z.B. für die Kryokonservierung von Proteinen von großem Interesse.

NMR-Experimente an hydrierten Proteinen

13C MAS NMR Spektren von trockenem und hydriertem Elastin bei verschiedenen Temperaturen
13C MAS NMR Spektren von trockenem und hydriertem Elastin bei verschiedenen Temperaturen

Auf experimenteller Seite nutzen wir aus, dass sich Proteindynamik mit Hilfe der 13C NMR und Wasserdynamik – bei Verwendung von D2O – mit Hilfe der 2H NMR untersuchen lassen. Die Ergebnisse unserer 13C NMR-Experimente belegen, dass für die Aktivierung der Dynamik von Elastin in der Tat die Anwesenheit einer Hydrathülle notwendig ist. Die erhöhte Beweglichkeit des hydrierten Proteins verschwindet allerdings bei Abkühlung in der Nähe von 200 K. In der Literatur wird lebhaft diskutiert, ob diese Veränderungen in der Proteindynamik von Veränderungen in der Wasserdynamik ausgelöst werden. Weiterhin belegen unserer 13C NMR-Daten, dass sich die Beweglichkeit des Proteins verringert, wenn Wasser durch ein Lösungsmittel höherer Viskosität ersetzt wird.

Da Hydratwasser nicht gefriert, lässt sich die Flüssigkeitsdynamik über einen großen Temperaturbereich verfolgen. Insbesondere lassen sich Erkenntnisse über das Verhalten von unterkühltem Wasser in einem Temperaturbereich gewinnen, der für die Bulk-Flüssigkeit auf Grund von Kristallisation nicht zugänglich ist. Die Resultate unserer 2H NMR-Experimente zeigen, dass die Dynamik des Hydratwassers durch eine Verteilung von Korrelationszeiten charakterisiert wird, die sich über mehrere Größenordnungen erstreckt. Somit liegen ausgeprägte dynamische Heterogenitäten vor. Außerdem finden wir, dass die Bewegung des Hydratwassers bei Abkühlung in der Nähe von 200 K eine Anisotropie entwickelt. Dies ist ein Hinweis, dass unterhalb dieser Temperatur aus einer langreichweitigen Wasserdiffusion, die sich bei höheren Temperaturen mit Feldgradienten-Verfahren nachweisen lässt, eine auf der experimentellen Zeitskala lokale Wasserbewegung wird.

MD-Simulationen an hydrierten Proteinen

Wahrscheinlichkeitsverteilung des Rotationswinkels, um den sich die Orientierung von Wasser in vergleichbaren Zeitintervallen bei verschiedenen Temperaturen ändert
Wahrscheinlichkeitsverteilung des Rotationswinkels, um den sich die Orientierung von Wasser in vergleichbaren Zeitintervallen bei verschiedenen Temperaturen ändert

An Hand unserer Simulationsdaten wird deutlich, dass sich bei Abkühlung ein zunehmend besser definiertes Wasserstoffbrückennetzwerk an den Oberflächen der Proteine Elastin und Kollagen ausbildet, d.h. der Anteil der Wassermoleküle, die genau vier Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen, nimmt zu. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung der Amplitude der Proteinbewegung und zu einer Veränderung des Mechanismus der Wasserdynamik von Rotationsdiffusion hin zu Rotationssprüngen um den Tetraederwinkel. Diese Simulationsergebnisse verdeutlichen einerseits die Wechselwirkung von Struktur und Dynamik auf molekularer Ebene und andererseits das Zusammenspiel von Protein- und Wasserdynamik im Bindegewebe.