Untersuchungen der Protein-Wasser Grenzschicht

Die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Wasser ist wichtig für die Funktionsweise dieser biologischen Makromoleküle. Wasser erfüllt in diesem Zusammenhang vielfache Aufgaben. Einzelne Wassermoleküle können eindeutige funktionelle Rollen haben indem sie Teil von Wasserstoffbrücken sind, die für die dreidimensionale Struktur und/oder biologische Aktivität des Proteins unumgänglich sind. Da sich geladene und polare Aminosäuren vorzugsweise an der Außenseite von Proteinen befinden, ist Wasser zur Solvatation dieser funktionellen Gruppen erforderlich. Umgekehrt dämpfen diese Wassermoleküle die starken elektrostatischen Felder, die von den dipolaren und geladenen Seitenketten der Proteinoberfläche ausgehen. Das Biomolekül übt einen stark ordnenden Einfluß auf das umgebende Wasser aus. Es gibt klare Anzeichen dafür, daß Proteine von einer Lage sogenannten Hydrationswassers umgeben sind, dessen Eigenschaften sich deutlich von denen normaler Wassermolekülen unterscheiden. Ein potentieller Ligand ``sieht`` daher (zumindestens anfänglich) den Rezeptor nicht direkt; stattdessen trifft er auf einen Protein-Wasser Komplex. Obwohl es eine Vielfalt von experimentellen Techniken zum Studium von Biomolekül-- Lösungsmittelwechselwirkungen gibt, sind die Ergebnisse solcher Messungen oft indirekt und schwierig zu interpretieren. Eine der Stärken von Molekulardynamiksimulationsmethoden besteht darin bei der Interpretation solcher Experimente zu helfen. Dieses Projekt schlägt eine systematische Studie zur Solvation von Proteinen vor. Wir planen die Berechnung von Trajektorien (Positionen von Atomen als Funktion der Zeit) von zumindest 20 Nanosekunden Länge für vier Proteine (Rinder Apo-Calbindin D9K, die R88Q Mutante von humanem Interleukin- 4, Domäne IIA von bakterieller Glucosepermease, und Ubiquitin), die einen Querschnitt durch die strukturelle Variabilität (kleiner) globulärer Proteine in der Datenbank bekannter Proteinstrukturen darstellen. Ausgehend von diesen Trajektorien sollen Größen berechnet werden, die für die Interpretation inelastischer Neutronenstreuungsexperimente, dielektrischer Relaxations- und Kernresonanzrelaxationsmessungen von Bedeutung sind. Die Berechnung der sogenannten Orientierungskorrelationsfunktionen sollte zusätzliche Einblicke in die Struktur von Wasser nahe der Oberfläche eines Biomoleküls ergeben. Nach unserem Wissensstand wäre es das erste Mal, daß eine derartige Vielfalt von Eigenschaften nicht nur für ein, sondern für vier Proteine unterschiedlichen Faltungstyps analysiert würde. Von den Resulten erwarten wir uns ein beträchtlich erhöhtes Verständnis biomolekular Solvation auf dem molekularen Level. Die enge Verbindung zu experimentellen Daten (insbesondere dielektrische Relaxations- und Kernresonanzrelaxationsmessungen) wird durch Kooperationen sichergestellt.

Ein zentrales Ziel der Molekularbiologie ist es, zu verstehen wie Zellen arbeiten. Dies erfordert ein detailiertes Verständnis der Zellbestandsteile, insbesondere der Proteine. Die Wechsel-wirkung zwischen Proteinen und Wasser ist für die Funktion dieser biologischen Makro-moleküle wichtig. Unsere computergestützte Studie beleuchtet die Struktur und Dynamik des komplexen Wechselwirkungsmusters zwischen den Wasserstoffbrücken- Netzwerken des Proteins und des Wassers. Insbesondere werden die drastischen Veränderungen des Wassernetzwerkes an der Proteinoberfläche in zwei Stufen der Auflösung analysiert: atomistisch und mesoskopisch. Auf der atomistischen Ebene wird die räumliche Anordnung der Wassermoleküle durch die lokale Dichte und gegenseitige Orientierung von Gruppen des Proteins und den umgeb-enden Wassermolekülen beschrieben. Auf diese Weise wird eine ausgeprägte Schalen-struktur gefunden. Die erste Schale, welche in direktem Kontakt mit der Proteinoberfläche steht, wird bestimmt durch die Abschirmung der geladenen und polaren Proteingruppen, während in der zweiten Schale der Übergang und die Integration in das Wassernetzwerk realisiert wird. An der Proteinoberfläche wird eine Verlangsamung der Wasserdynamik beo-bachtet, unabhängig von den Besonderheiten des jeweiligen Proteins. So ist zum Beispiel die mittlere Verweilzeit des Wassers in der Nähe der geladenen Aminosäuren viel länger als bei den apolaren. Obwohl die Dynamik in der zweiten Schale einheitlicher wird, reicht der Einfluss des Proteins auf die Wasserdynamik über die fünfte Schale hinaus. Auf der mesoskopischen Ebene wird die Proteinlösung durch starke Vergröberung in die Komponenten Protein, erste und zweite Schale und den Bulk aufgeteilt. Dadurch wird die Interpretation und Analyse der dielektrischen Spektren ermöglicht. Die prinzipielle Struktur dieser Spektren wird durch einen Niederfrequenz-Proteinpeak und einen Hochfrequenz-Wasserpeak charakterisiert. Eine detailiertere Analyse zeigt jedoch die Wichtigkeit des Kreuzterms zwischen den dielektrischen Komponenten: Während der Hauptbeitrag von der Kopplung von Protein und Bulk kommt, ist die Wechselwirkung zwischen dem Protein und den beiden ersten Schalen sowie die Wechselwirkung zwischen den Schalen deutlich sichtbar. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unsere Computersimulationen wertvolle Werkzeuge für die Analyse der komplexen experimentellen Spektren liefern. Aus der prinzipiellen Übereinstimmung zwischen experimentellen und simulierten Spektren können weitere, detailiertere Informationen von hoher Verlässlichkeit gewonnen werden. Ein typisches Beispiel ist der Faktor der Verlangsamung der mittleren Verweilzeiten in der ersten und zweten Schale im Vergleich zum Bulk, wie sie aus Experimenten der Magnetischen Resonanzdispersion (MRD) extrahiert werden können.