zum Directory-modus

Biomoleküle und Wasser

Wasser - Funktion und Wirkung auf Biomoleküle

Wasser beeinflusst auf verschiedene Art und Weise die Funktion, Dynamik oder Struktur von Biomolekülen wie Enzymen, DNA oder Lipidmembranen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, welche räumlichen Voraussetzungen für die Wasser-Moleküle vorhanden sind.

"Freies" Wasser

Die Wasser-Moleküle sind über Wasserstoff-Brücken tetraedrisch miteinander koordiniert und bilden so ein schnell fluktuierendes dreidimensionales Netzwerk aus, in dem die Wasser-Moleküle in ihrer Beweglichkeit nicht eingeschränkt sind.

Wasser an molekularen Grenzflächen

Wasser hydratisiert die biologischen Makromoleküle mit polaren Gruppen an der Moleküloberfläche über Dipol-Dipol-Kräfte. Deswegen sind die Polypeptidketten der Proteine in wässriger Umgebung so angeordnet, dass sich die polaren Gruppen an der Moleküloberfläche befinden. Auch bei Membranen sind die polaren Gruppen jeweils der Wasserphase zugewandt.

Hydrophobe Bereiche auf der Proteinoberfläche zwingen die Wasser-Moleküle, eine mit abgewandten Wasserstoff-Brücken angeordnete Struktur anzunehmen und führen so zur Senkung der Entropie. Dadurch ist das System bestrebt, die hydrophoben Flächen zu minimieren. Diesen Vorgang bezeichnet man als den hydrophoben Effekt. Dieser Prozess führt bei Lipiden zur Bildung von Aggregaten und hat bei Proteinen einen Einfluss auf die Faltung und Konformation.

Außer der ersten, an das Molekül gebundenen Wasserhülle bilden sich noch weitere Hydratschichten um das Biomolekül. Dieses gebundene Wasser unterscheidet sich in seinen thermodynamischen Eigenschaften von dem "freien" Wasser der Umgebung. Die unterschiedliche Beweglichkeit des gebundenen und des "freien" Wassers lässt sich anhand der Relaxationszeiten NMR-spektroskopisch verfolgen.

Mouse
Abb.1

Proteininhibitor (PDB-Code: 1FSO)

Mouse
Abb.2

DNA-Strang (PDB-Code: 2BNA)

"Verborgenes" Wasser

Bindungstaschen von Enzymen und Rezeptoren oder Hohlräume in hydrophoben Bereichen von Proteinen oder Membranen sind meist mit Wasser gefüllt. Dieses Wasser hat nicht nur andere physikalischen Eigenschaften als "freies" Wasser (z.B. eine andere Dielektrizitätskonstante), sondern es erfüllt auch die wichtige Aufgabe der Stabilisierung der Proteinkonformationen. Bei größeren Proteinen erleichtert das Wasser, das sich in den Hohlräumen und zwischen den Domänen befindet, als "Gleitmittel" die Domänenbewegungen und konformative Übergänge.

Mouse
Mouse
Abb.3

Bacteriorhodopsin (PDB-Code: 1QHJ)

Abb.4

Ionenkanal mit hydratisiertem Kalium-Ion (PDB-Code: 1K4C)

Wasser bei enzymatischen Reaktionen

Bei der enzymatischen Katalyse ist die Anwesenheit von Wasser unerlässlich. Wasser hat nicht nur die Aufgabe, die Ausgangstoffe und Endprodukte zu lösen und zu transportieren, sondern ist an vielen katalytischen Schritten als Cosubstrat oder Reagenz beteiligt. So katalysieren Hydrolasen die Addition von Wasser an verschiedene Bindungen biochemischer Makromoleküle, die dadurch in kleinere Einheiten gespalten werden. Bei der Photosynthese oder der Atmungskette spielt Wasser als Elektronendonator oder -akzeptor eine wichtige Rolle. Durch die Fähigkeit zur Dissoziation (Autoprotolyse) kann es an pH-abhängigen Reaktionen mitwirken.

Seite 3 von 4