Die Rolle interner Wassermoleküle beim Protonentransport von Membranproteinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der zweiten Bewilligungsperioden konnten wir – wie angestrebt – einen transienten Protonenleiter auf der cytoplasmatischen Seite (Protonenaufnahme) nachweisen. Dabei handelt es sich nicht um einen protonierten Wassercluster wie auf der extracellulären Seite (Protonenabgabe), sondern um eine Kette aus drei Wassermolekülen, die im Fotozyklus aufgebaut wird und den Transport eines Protons durch einen im Grundzustand hydrophoben Hohlraum ermöglicht. Zum Aufbau dieser Kette müssen keine zusätzlichen Wassermoleküle aus dem umgebenden Medium in das Protein einströmen. Proteininterne Wassermoleküle werden durch Seitenkettenbewegungen gezielt umgeordnet und bilden so den Leiter aus. Wir konnten sowohl die spektralen Signaturen der Wassermoleküle als auch des Leiters identifizieren und so Aufbau und Funktion beschreiben. Dies wurde durch Simulationen unterstützt, welche darüber hinaus eine anschauliche Darstellung der notwendigen proteininternen Bewegungen liefert. Mit der Aufklärung der Protonenabgabe auf der extracellulären Seite beschäftigten wir uns bereits in der ersten Periode des Projektes. Die dort gewonnenen und veröffentlichen Erkenntnisse stießen bereits auf gute Resonanz. Im Rahmen der zweiten Periode waren wir in der Lage, ein weiteres Funktionselement der Protonenabgabe zu identifizieren und zu beschreiben: die Protonendiode. Dieses Element stellt keinen Protonenspeicher – wie der protonierte Wassercluster – oder einen reinen Protonenleiter – wie der transiente Protonenleiter – dar, sondern ein protonen(strom)richtendes Element. Es trägt damit (auf der Protonenabgabeseite) zur Direktionalität des Protonentransports in bR bei und isoliert gleichzeitig sowohl den protonierten Wassercluster als auch das Gegenion (Asp85) von dem umgebenden Medium, beides erhöht die Effektivität der lichtgetriebenen Protonenpumpe, besonders unter extremen Umgebungsbedingungen (z.B. niedrige pH Werte). Der Großteil dieser Erkenntnisse wurde erst durch die sehr intensive Interaktion zwischen dem Experimenten (den spektroskopischen Untersuchungen und der Röntgenstrukturanalyse) und den Simulationen möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2004) Biophysical Journal, 87, 2676-2682
Garczarek, F., Wang, J., El-Sayed, M. A., Gerwert, K.
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(2005) Proc. Natl. Acad. Sci USA, Vol. 102, No. 10, 3633-3638
Garczarek, F., Brown, L.S., Lanyi, J.K., Gerwert, K.
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(2006) Biochemistry, 45(46) 13741-13749
Hermes, S., Stachnik, J.M., Onidas, D., Remy, A., Hofmann, E., Gerwert, K.
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(2006) JACS, 128(1), 28-29
Garczarek, F., Gerwert, K.
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(2006) Nature, 439, 109-112
Garczarek, F., Gerwert, K.
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(2008) Chemphyschem, 9(18), 2772-2778
Wolf, S., Freier, E., Gerwert, K.
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(2010) Angew Chem Int Ed Engl, 49(38), 6889-6893
Wolf, S., Freier, E., Potschies, M., Hofmann, E., Gerwert, K.
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(2011) Proc. Natl. Acad. Sci USA, Vol. 108, No. 28, 11435- 11439
Freier, E., Wolf, S., Gerwert, K.
