Wie Proteine in saurem Milieu ihr Wasser verlieren

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