Der Wasseraustausch in den Hydrationshüllen von Magnesiumionen beeinflusst biologische Prozesse

Atomistische Einblicke in die Austauschdynamik auf der Millisekunden-Zeitskala von Transition Path Sampling

6. Juli 2020

Die Dynamik des Wasseraustauschs in der ersten Hydratationshülle von Magnesium ist für eine Vielzahl biologischer Phänomene wichtig. Trotz der Bedeutung konnte der mikroskopische Mechanismus des Wasseraustauschs bisher nicht aufgelöst werden, da er für atomistische Simulationen unerreichbar ist. Forscher des Max-Planck-Instituts für Biophysik haben nun Transition Path Sampling verwendet, um atomistische Einblicke in die Austauschdynamik auf der Millisekunden-Zeitskala zu erhalten.

Betrachtung der freien Energie des Wasseraustauschs und Simulations-Schnappschüsse entlang des Wasseraustauschweges, die die beiden austauschenden Wassermoleküle (grün und blau) und die weiteren Wassermoleküle der ersten Hydratationshülle zeigen.

In wässrigen Lösungen sind Magnesiumionen mit einer Hydratationshülle von sechs Wassermolekülen umgeben, die anschließend von einer zweiten Hydratationshülle umhüllt wird. Der Wasseraustausch zwischen diesen Hüllen spielt eine wichtige Rolle bei biochemischen Prozessen. Da die Austauschdynamik für herkömmliche atomistische Simulationen unerreichbar ist, bleibt sie jedoch bisher wenig verstanden. Nadine Schwierz untersuchte anhand von Pfadproben die Dynamik des Wasseraustauschs zwischen den beiden Schalen.

Schwierz stellte fest, dass der Großteil dieser Austauschreaktionen über einen indirekten Mechanismus erfolgt: Wenn ein Wassermolekül die erste Hydratationshülle verlässt, füllt ein anderes Molekül aus der zweiten Hülle sofort seine Lücke auf und die verbleibenden Moleküle in der ersten Hülle ordnen sich gemeinsam neu an. Obwohl die Schalen selbst keine funktionelle Rolle spielen, beeinflusst der Transfer von Wassermolekülen zwischen den Schalen eine Vielzahl von biomolekularen Wechselwirkungen. "Der Wasseraustausch regelt jeden Prozess in wässrigen Lösungen, bei dem stark gebundener Wasserstoff im Wassermolekül aus der ersten Hydratationshülle ersetzt wird", sagt Schwierz. "Der Mechanismus ist daher für eine Vielzahl biochemischer Prozesse von der einfachen Ionenpaarbildung über katalysierte Reaktionen in Metalloenzymen bis hin zum Ionentransport durch Zellmembranen von entscheidender Bedeutung."

Um den Mechanismus des Wasseraustauschs zu charakterisieren, modellierte Schwierz ein einzelnes Mg2+-Ion, das von Wassermolekülen umgeben ist, und verwendete Transition Path Sampling, um eine große Anzahl von Austauschprozessen zu sammeln und zu analysieren. Diese Methode bietet Einblicke in die Austauschdynamik und ihrer Raten. Obwohl die Übergangszustandstheorie die Geschwindigkeit des Prozesses überschätzt, kann diese in Zukunft verwendet werden, indem zusätzliche Freiheitsgrade in das Modell eingeführt werden. Schwierz stellte fest, dass dies ein Schritt in Richtung verbesserter atomistischer Mg2+-Modelle für biomolekulare Simulationen ist und die Methodik an andere seltene Ereignisse angepasst werden kann.

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