Wie verändert sich die Wasserhülle von Proteinen, wenn ihre Umgebung saurer wird? Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben diesen Prozess erstmals auf der Ebene einzelner Wassermoleküle sichtbar gemacht und damit eine seit Jahrzehnten offene Frage der Biochemie beantwortet.

Einem Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es erstmals gelungen, den Verlust der Wasserhülle von Proteinen bei zunehmender Ansäuerung direkt zu beobachten. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forscher im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).

Proteine sind von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben, die wiederum ihre Form und Funktion mitbestimmt. Über das genaue Zusammenspiel von Proteinen, den Wassermolekülen und ihrer Umgebung war bisher allerdings noch nicht viel bekannt. 1974 hatten die Wissenschaftler Irwin Kuntz und Walter Kauzmann zwar theoretisch vorhergesagt, dass ein sinkender pH-Wert die Wasserhülle von Proteinen verändert. Ein direkter Nachweis fehlte bislang, wie der Biochemiker Panagiotis Kastritis von der MLU mitteilte.

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Beobachtung mit Kryo-Elektronenmikroskopie

Für die Studie nutzte das Team die hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie. Dabei werden Proteine schockgefroren und mit einem Elektronenstrahl beschossen, woraus sich detaillierte 3D-Modelle erstellen lassen. Untersucht wurde das Protein Apoferritin, ein Eisenspeicher in Zellen, bei sieben verschiedenen pH-Werten zwischen 9,0 und 3,5. Ergänzend kamen Computersimulationen zum Einsatz.

Die Forscher konnten nach eigenen Angaben Tausende Wassermoleküle einzeln kartieren. „Mit unseren Daten konnten wir die Bewegung jedes einzelnen Wassermoleküls verfolgen und beobachten, wie es sich mit dem pH-Wert bewegt“, sagte Ioannis Skalidis, der an der MLU promoviert wurde. Überraschend sei gewesen, dass es klare Regeln gebe: Bestimmte Aminosäuren, also die Bausteine der Proteine, hielten Wasser, andere ließen es los. Farzad Hamdi von der MLU erklärte, man sei die erste Gruppe, der dieser Nachweis gelungen sei.

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Hundert Wassermoleküle gehen pro pH-Einheit verloren

Pro sinkender pH-Einheit verliere ein Protein rund 100 Wassermoleküle, so die Forscher. Die Aminosäuren Glutamat und Aspartat gäben bei Ansäuerung ihre Wassermoleküle als Erste ab. Ein stabiler innerer Kern mit etwa 40 Prozent der Wassermoleküle bleibe dagegen unabhängig vom pH-Wert erhalten.

Mit sinkendem pH-Wert veränderte sich laut der Studie nicht nur die Wasserhülle, sondern auch die Position der gebundenen Eisenionen, die sich schrittweise aus ihren Bindungsstellen verschoben. Das liefere Hinweise darauf, wie ein steigender Säuregehalt die Freisetzung von Metallionen in Proteinen auslösen könne – ein Prozess, der etwa bei der zellulären Eisenregulation eine Rolle spiele.

Ob die Regeln auf andere Proteine übertragbar sind, müssten weitere Studien zeigen, sagte Kastritis. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten helfen, Proteine gezielt stabiler oder pH-toleranter zu gestalten, etwa für industriell genutzte Enzyme oder Arzneimittelträgersysteme auf Proteinbasis.