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Wassermoleküle tanzen um ein Protein (grün) herum.
Protein im Wasser.
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Tanzpartner vergessen
Der Fokus bei Untersuchungen der Proteinfaltung lag bisher
ausschließlich auf den Bewegungen des Proteingerüstes und der
Seitenketten. "Man vermutet aber, dass die schnellen Bewegungen des
Wassers, insbesondere ihre Kopplung mit der Proteinbewegung, eine
wichtige Rolle bei der Proteinfaltung und somit auch -funktion
spielen", erklärt Prof. Havenith-Newen. Fundamentale Fragen, die
bisher unbeantwortet geblieben sind: Wie weit reicht der Einfluss der
Proteine? Ändern sich die schnellen Wasserbewegungen bei Annäherung
zweier Proteine?
Absorption der Terahertzstrahlung erlaubt Rückschlüsse
Die Entwicklung von leistungsstarken Laserquellen im Terahertz (THz)-Bereich
eröffnen der Forschung nun ganz neue Möglichkeiten: Abhängig von
seinem Zustand absorbiert das Wasser die Terahertzstrahlung nämlich
auf charakteristische Weise - dadurch werden Rückschlüsse möglich. Ein
Beispiel: Während bei 370 Kelvin (97°C) nur 0,7 % der Strahlung (bei
einer Frequenz von ca. 1,5 THz) eine 100 Mikrometer dicke
Wasserschicht durchdringen, sind es bei 270 Kelvin (-3°C) schon 40 %.
Eis ist also wesentlich transparenter für Terahertzstrahlung als
Wasser. Der Grund liegt in den winzigen, schnellen Schwingungen, in
denen sich Netzwerke aus Wassermolekülen ständig befinden. Sie dauern
weniger als eine Picosekunde (eine Billionstelsekunde) und werden
bestimmt durch ein Wegstreben der Wassermoleküle voneinander und der
Rotationen gegeneinander. Gefrorenes Wasser absorbiert bei einer
anderen Frequenz die Strahlung als flüssiges Wasser. Jede Messung im
THz Bereich ist daher charakteristisch für den Zustand des Wassers.
Proteine bringen Ordnung ins Wasser
Die Forscher machten sich nun den Umstand zunutze, dass die
Schwingungen von Wassernetzwerken sich nicht nur durch die Temperatur
ändern, sondern auch durch die Nähe von Proteinen. "Man kann sich das
so vorstellen, dass ein Protein die Wassermoleküle in seiner Umgebung
in eine gewisse geordnete Bewegung bringt", erläutert Martina
Havenith-Newen. "Die Bewegung des unbeeinflussten Wassers ähnelt dem
Tanz von Diskotänzern, es bestehen lockere Bindungen zum nächsten
Partner, die nach einer Zeit aufbrechen. Wasser in Proteinnähe tanzt
eher ein Menuett. Die Bewegung ist koordinierter und die Bindung zum
nächsten Partner hält länger." Die Folge ist, dass Wasser in der Nähe
von Proteinen weniger THz-Strahlung durchlässt. Dieses Phänomen macht
es möglich, die Auswirkungen von Proteinen auf Wasser direkt zu
beobachten. Die Forscher schließen aus der Menge der absorbierten
Strahlung auf den Zustand des Wassers zurück.
Weitreichender Einfluss
"Anhand unserer Messungen konnten wir erstmals zeigen, dass Proteine
die schnellen Bewegungen des Wassernetzwerkes über weite Bereiche
beeinflussen", erläutert die Chemikerin. Rund 1000 Wassermoleküle
werden durch ein Protein in ihren Netzwerkbewegungen beeinflusst. Ein
solch weitreichender Effekt, der bis zu einem Abstand von 15 bis 20
Angström (1 Å = ein Zehntel Nanometer) messbar ist, wurde zwar in
Simulationen vorhergesagt, konnte aber experimentell bisher nicht
beobachtet werden. Dabei zeigte sich mit Hilfe der neuen Messungen,
dass der Einfluss deutlich über den Bereich hinaus reicht, in dem
statische Änderungen der Struktur, wie z.B. lokale Dichteänderungen
beobachtet werden können (~ 3 Å). "Langfristig bleibt zu klären,
welche Rolle der Terahertz-Tanz des Wassers mit dem Protein für seine
biologische Funktion spielt", stellt Prof. Havenith-Newen fest.
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