50 Jahre altes Rätsel gelöst: Wie entzieht Säure Proteinen das Wasser?

Wenn ihre Umgebung saurer wird, verlieren Proteine systematisch ihre schützende Wasserhülle, was Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) mithilfe modernster bildgebender Verfahren nun erstmals auf der Ebene einzelner Wassermoleküle direkt zu beobachten gelang. Da Proteine als Maschinen der Zellen sämtliche lebenswichtigen Prozesse von Wachstum bis Stoffwechsel steuern und ihre Funktion maßgeblich von ihrer räumlichen Struktur sowie der sie umgebenden Wasserhülle abhängt, könnte dieses neue Wissen laut dem Team dabei helfen, stabilere Proteine zu entwickeln.

Bisher war über das genaue Zusammenspiel von Proteinen, Wassermolekülen und ihrer Umgebung wenig bekannt, weshalb damit auch eine jahrzehntelange Frage der Biochemie geklärt wurde: „Bereits 1974 hatten Irwin Kuntz und Walter Kauzmann theoretisch vorhergesagt, dass ein sinkender pH-Wert, also eine zunehmende Ansäuerung, die Wasserhülle von Proteinen verändert. Allerdings fehlte bis jetzt der direkte Nachweis für diese Hypothese“, sagt Biochemiker Prof. Dr. Panagiotis Kastritis.

Kryo-Elektronenmikroskopie entschlüsselt pH-abhängige Wasserhülle von Apoferritin

Für die neue Studie nutzte das Team um Kastritis die hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), bei der Proteine schockgefroren, mit einem Elektronenstrahl beschossen und die Antwortsignale zu extrem detaillierten 3D-Modellen zusammengesetzt werden, wodurch deren Struktur auf der Ebene weniger Atome sichtbar wird. Die Forschenden untersuchten das zelluläre Eisenspeicherprotein Apoferritin bei sieben verschiedenen pH-Werten zwischen 9,0 (leicht basisch) und 3,5 (sauer), um mithilfe der Kryo-EM Tausende von Wassermolekülen einzeln zu kartieren und deren Verhalten bei steigendem Säuregehalt zu verfolgen. Ergänzt wurden diese Experimente durch Computersimulationen, die das beobachtete Verhalten der Moleküle präzise erklären.

„Mit unseren Daten konnten wir die Bewegung jedes einzelnen Wassermoleküls verfolgen und beobachten, wie sie sich mit dem pH-Wert bewegen. Dabei hat uns überrascht, dass es offenbar klare Regeln gibt: Bestimmte Aminosäuren halten Wasser, andere lassen es los. Das war so nicht erwartet“, sagt Dr. Ioannis Skalidis. Dr. Farzad Hamdi: „Wir sind die erste Gruppe, der dieser Nachweis gelungen ist.“

Selektiver Wasserverlust und Eisenionen-Verschiebung bei Protein-Ansäuerung nachgewiesen

Die weiteren Ergebnisse sind überraschend präzise, da ein Protein pro sinkender pH-Einheit rund 100 Wassermoleküle verliert, wobei sich sogar das Verhalten einzelner Aminosäuren beschreiben lässt: Glutamat und Aspartat geben bei Ansäuerung ihre Wassermoleküle als Erste ab, während andere sie festhalten, sodass ein stabiler innerer Kern mit rund 40 Prozent der Gesamtwassermenge unabhängig vom pH-Wert erhalten bleibt.

Als weiterer, unerwarteter Befund veränderte sich mit sinkendem pH-Wert nicht nur die Wasserhülle des Apoferritins, sondern auch die Position der gebundenen Eisenionen, die sich schrittweise aus ihren Bindungsstellen verschieben und so Hinweise auf einen strukturellen Mechanismus liefern, wie ein steigender Säuregehalt die Freisetzung von Metallionen bei Prozessen wie der zellulären Eisenregulation auslösen kann.

Ob die gefundenen Regeln auf andere Proteine übertragbar sind, müssen weitere Studien zeigen. „Wir gehen aber davon aus, dass dieser Prozess für andere Proteine zumindest ähnlich ist. Dieses Wissen kann helfen, Proteine gezielt stabiler oder pH-toleranter zu gestalten“, sagt Kastritis, was dabei helfen könne, industriell genutzte Enzyme oder Arzneimittelträgersysteme auf Proteinbasis zu verbessern.

Quelle

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (06/2026)