Chemie Wie Wasser dem Substrat ins Enzym hilft
Ein internationales Forschungsteam hat Wassermoleküle in einen winzigen Käfig eingesperrt – und dabei bislang unbekannte Eigenschaften entdeckt.
Warum Wasser die katalytische Aktivität einiger Moleküle erhöhen kann, haben Forscherinnen und Forscher aus Bochum und Berkeley untersucht. Mithilfe der Terahertz-Spektroskopie und komplexen Computersimulationen zeigten sie, dass Wasser besondere Eigenschaften entfaltet, wenn es in einen winzigen Raum eingesperrt ist – so wie er zum Beispiel in manchen Enzymen vorliegt. Das Wasser bildet ein Tröpfchen, das aus dem Käfig ausbrechen will, und erleichtert es so anderen Molekülen, seinen Platz einzunehmen, also zum katalytischen Zentrum zu gelangen. Das Forschungsteam beschreibt die noch nie zuvor beobachteten thermodynamischen Eigenschaften von Wasser in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, kurz PNAS, online veröffentlicht am 14. Dezember 2020.
Für die Arbeit kooperierte das Team um Prof. Dr. Martina Havenith, Leiterin des Lehrstuhls für Physikalische Chemie II an der Ruhr-Universität Bochum und Sprecherin des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv, mit Prof. Dr. Teresa Head-Gordon, Prof. Dr. Ken Raymond und Prof. Dr. Dean Toste von der University of California in Berkeley.
Wasser im Käfig weder fest noch flüssig
Einige große Moleküle besitzen einen mit Wasser gefüllten inneren Hohlraum, der katalytisch aktiv sein kann, also die Reaktion von bestimmten Molekülen erleichtern kann. Diese Bedingungen stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ihren Experimenten mit Nanokapseln nach, in die sie einige Wassermoleküle einsperrten, um dann ihre Eigenschaften zu untersuchen.
Eine kürzlich aufgestellte Theorie besagt, dass Wasser sich unter diesen Umständen zu stabilen kleinen Clustern formieren würde, ähnlich wie in Eis. Diese Theorie widerlegte das Team in der aktuellen Arbeit. Das Terahertz-Spektrum – eine Art chemischer Fingerabdruck – des eingesperrten Wassers sah anders aus als die Spektren von zuvor bekannten Phasen des Wassers. Es ähnelte weder dem Spektrum von Eis noch dem Spektrum von flüssigem Wasser, das einem hohen Druck ausgesetzt ist.
Unglückliches Wasser will frei sein
Es formte sich stattdessen ein Tröpfchen aus neun Wassermolekülen, die im Inneren durch Wasserstoffbrücken verbunden waren; an der Oberfläche des Tröpfchens war das Wasserstoffbrücken-Netzwerk hingegen gestört. „Das Wasser ist in einem Zustand, in dem es viel Energie besitzt, aber gleichzeitig stark eingeschränkt ist“, beschreibt Martina Havenith. „Mit diesem Zustand kann es nicht glücklich sein.“ Daher flieht das Wassertröpfchen aus dem Hohlraum, sobald es die Gelegenheit hat, und erleichtert dabei dem Ausgangsstoff für die katalytische Reaktion den Eintritt in den Hohlraum.
Das Team von Ken Raymond und Dean Toste synthetisierte den Nanokäfig für die vorliegende Studie. Anschließend analysierte die Gruppe um Martina Havenith das Wasserstoffbrückennetzwerk des eingesperrten Wassers mit der Terahertz-Spektroskopie. Teresa Head-Gordon überprüfte die experimentellen Befunde mit Computersimulationen, den sogenannten Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen.
