Proteine sind die wichtigsten Werkzeuge unserer Zellen. Sie steuern den Zellstoffwechsel, kontrollieren biochemische Reaktionen, dienen als Botenstoffe und bilden die Basis für lebenswichtige Funktionen unseres Körpers. Ob ein Protein seine Funktion ausüben kann, hängt dabei auch von seiner dreidimensionalen Struktur ab. Diese wiederum wird durch eine dichte Hülle aus Wassermolekülen geprägt und stabilisiert. „Das Leben ist abhängig von Proteinen und Proteine brauchen das Wasser“, erklären Farzad Hamdi von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und seine Kollegen.
Einem Protein auf die Wassermoleküle geschaut
Umso erstaunlicher ist es, dass eine entscheidende Frage zur Wasserhülle der Proteine seit 50 Jahren unbeantwortet geblieben ist: Was passiert mit der wässrigen Schutzhülle der Proteine, wenn diese einem saurem Milieu ausgesetzt sind? „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“, erklärt Hamdis Kollege Panagiotis Kastritis.
Mithilfe der hochauflösenden Kryo-Elektronenmikroskopie ist es dem Team nun erstmals gelungen, diesen säurebedingten Wasserverlust bei einem Protein bis auf die Ebene einzelner Wassermoleküle mitzuverfolgen. Das Protein Apoferritin diente dabei als Testobjekt. Dieses ähnelt einer Hohlkugel aus Proteinketten und dient in unseren Zellen als Eisenspeicher. An verschiedenen Stellen des Proteins können sich einzelne Eisenatome anlagern und über Komplexverbindungen gespeichert werden.
Für ihr Experiment setzten Hamdi und seine Kollegen diese Proteine sieben unterschiedlichen pH-Werten aus, von leicht basisch bis stark sauer (pH 3,5), froren sie durch Schockgefrieren ein und untersuchten die molekulare Konfiguration im Elektronenmikroskop. Ergänzt wurden die Experimente durch Computersimulationen, die das beobachtete Verhalten erklären.
Diese Grafik fasst die bei sinkenden pH-Wert beobachteten Veränderungen am Apoferritin-Protein und seiner Wasserhülle zusammen. © Hamdi et al./ PNAS, CC-by 4.0
Pro pH-Stufe rund 100 Wassermoleküle weniger
Die Aufnahmen zeigten: Bis zu einem Säuregrad von etwa pH 5 veränderte sich die Struktur des Apoferritins zwar kaum und auch das Grundgerüst des Proteins blieb stabil. Doch in der Wasserhülle zeigten sich erste Auflösungserscheinungen: Nach und nach gingen immer mehr Wassermoleküle verloren. „Wir sehen einen klaren Trend, bei dem das Protein pro pH-Einheit rund 100 Wassermoleküle verliert“, berichten die Forschenden. „Wird der pH-Wert von 9 auf 3,5 gesenkt, verringert sich dadurch die Zahl der Wassermoleküle im Abstand von bis zu fünf Angström von der Proteinoberfläche um die Hälfte.“
Ab etwa pH 4 zeigt dieser Wasserverlust deutliche Folgen für das Apoferritin: Die komplexe räumliche Struktur beginnt sich zu verändern. Die Wasserhülle ist nun sehr unregelmäßig und auf eine dünne Hydratschicht an den Proteinketten beschränkt. “Wir sahen Hunderte von Wassermolekülen, die die Proteinstruktur verließen, bis nur noch rund 40 Prozent von ihnen übrigblieben“, schreibt das Team. Diese Beobachtungen bestätigen die seit 50 Jahren bestehende Theorie zum säurebedingten Wasserverlust von Proteinen, „Wir sind die erste Gruppe, der dieser Nachweis gelungen ist“, sagt Hamdi.
Einige Aminosäuren sind hartnäckiger als andere
Überraschend war jedoch das Muster dieses Wasserverlusts. „Uns hat überrascht, dass es offenbar klare Regeln gibt: Bestimmte Aminosäuren halten Wasser, andere lassen es los. Das war so nicht erwartet“, sagt Co-Autor Ioannis Skalidis von der Universität Utrecht in den Niederlanden. So binden die Seitenketten der Aminosäuren Glutamat und Aspartat unter normalen Bedingungen die meisten Wassermoleküle, geben sie aber bei Ansäuerung als Erste ab. Auch die Aminosäuren Lysin und Arginin sowie – in geringerem Maße – Aminosäuren mit polaren Molekülteilen erwiesen sich als relativ anfällig.
Andere Proteinbausteine halten ihre Wassermoleküle hingegen weiter fest: Unabhängig vom pH-Wert bleibt die Wasserhülle bei Aminosäuren mit unpolaren Seitenketten wie Alanin, Leucin, Phenylalanin oder Tryptophan weitgehend intakt. Diese Proteinbestandteile binden zwar von Anfang an weniger Wassermoleküle an sich, dafür halten sie sie hartnäckiger fest, wie die kryo-elektronenmikroskopischen Aufnahmen enthüllten.
Auch eingelagerte Eisenatome wandern
Ein weiterer, unerwarteter Befund: Mit sinkendem pH-Wert veränderte sich nicht nur die Wasserhülle des Apoferritins, sondern auch die Position der im Protein gebundenen Eisenionen. Diese verschoben sich schrittweise aus ihren ursprünglichen Bindungsstellen weiter ins Innere des Proteinkomplexes. „Dieses Verhalten ist hochgradig spezifisch für Eisen und zeigt sich beispielsweise nicht beim in der Struktur verbauten Magnesium“, berichten Hamdi und seine Kollegen. Dies liefert Hinweise darauf, wie der Säuregrad auch die Metallfreisetzung von Proteinen beeinflussen kann.
“Unsere Resultate klären damit eine seit langem bestehende Frage der Biochemie und enthüllen einfache Regeln dafür, wie der Säuregrad die Solvatisierung von Proteinen beeinflusst“, schreiben die Forschenden. Noch haben sie diese Proezessse zwar nur am Apoferritin beobachtet. „„Wir gehen aber davon aus, dass dieser Prozess für andere Proteine zumindest ähnlich ist. Dieses Wissen kann daher helfen, Proteine gezielt stabiler oder pH-toleranter zu gestalten“, sagt Kastritis.
Quelle: Farzad Hamdi (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; doi: 10.1073/pnas.2525949123
