Geometrien und ihre Dynamik

Dynamische Sonden für Ionen in Wechselwirkung mit Biomolekülen

Wissenschaftler zeigen, dass sich über die Schwingungsanregungen von Phosphatgruppen Ionengeometrien in Wasserumgebung unterscheiden lassen.

Ionenpaare aus negativ geladenen Phosphatgruppen und positiven Magnesiumionen sind ein wichtiges Strukturelement von DNA und RNA in wässriger Umgebung. Schwingungen der Phosphatgruppen wurden jetzt als selektive Sonden solcher Kontakt-Ionenpaare etabliert und geben Einblick in Wechselwirkungen und Strukturen auf der ultraschnellen Zeitskala molekularer Dynamik.

DNA-Doppelhelix in einer Wasserhülle (gewinkelte kleine Moleküle, nicht maßstäblich). Die kugelförmigen roten Strukturen auf der Helixoberfläche stellen die Sauerstoffatome der negativ geladenen Gruppen dar, die blauen Kugeln positiv geladene Ionen in der Umgebung. © MBI Berlin

DNA und RNA sind geladene Polymere, die genetische Informationen in einer Doppelhelixstruktur kodieren und eine Schlüsselrolle bei der Biosynthese von Proteinen spielen. Ihre negativen Ladungen sind im molekularen Rückgrat angeordnet, das aus ionischen Phosphatgruppen (PO2-) und Zuckerringstrukturen besteht. Eine Stabilisierung der makromolekularen DNA- und RNA-Strukturen erfordert die Kompensation der stark abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Phosphatgruppen (gleicher Ladung) durch Ionen entgegengesetzter, d. h. positiver Ladung. Hierbei sind Magnesiumionen Mg2+ besonders wichtig, da sie über die Stabilisierung der Strukturen hinaus auch externe Bindungspartner erkennen und als katalytische Zentren dienen. Veränderungen der makromolekularen Struktur sind bei Faltungsprozessen mit einer Umordnung der positiven Ionen und der umgebenden Wasserhülle verbunden.

Anzeige

Positive Ionen in der Umgebung von DNA und RNA existieren in unterschiedlichen Geometrien: in sog. Kontakt-Ionenpaaren ist ein positives Ion in direkter räumlicher Nachbarschaft eines Sauerstoffatoms der Phosphatgruppe angeordnet. Hingegen besteht die sog. äußere Ionenatmosphäre aus positiven Ionen, die durch mindestens eine Schicht aus Wassermolekülen von den Phosphatgruppen getrennt sind. Die funktionellen Eigenschaften der verschiedenen Geometrien und ihre Wechselwirkungen sind bisher nur teilweise verstanden. Eine tiefere Einsicht auf molekularem Niveau erfordert hochempfindliche Sonden, welche die verschiedenen Geometrien unterscheiden, ohne sie zu verändern, und ihre Dynamik auf der ultrakurzen Zeitskala molekularer Bewegungen verfolgen können.

In einer kürzlich erschienenen Publikation zeigen Wissenschaftler des Max-Born-Instituts (MBI), dass Schwingungsanregungen der Phosphatgruppen empfindliche nichtinvasive Sonden darstellen, mit denen sich Ionengeometrien in einer Wasserumgebung unterscheiden lassen. In den Experimenten wurde Dimethylphosphat (DMP, (CH3O)2PO2-), ein etabliertes Modellsystem für das DNA- und RNA-Rückgrat, in Wasser mit einem Überschuss von Mg2+ Ionen präpariert und mittels nichtlinearer Schwingungsspektroskopie im Femtosekundenzeitbereich untersucht (1 fs = 10-15 s). Die Experimente beruhen auf zweidimensionaler Infrarot (2D-IR)-Spektroskopie – einer ausgereiften und sehr aussagekräftigen Methode, um ionische Wechselwirkungen und Geometrien zu studieren.

Neue Bande im 2D-IR-Spektrum
In den Experimenten werden Mg2+ Ionen in direktem Kontakt mit einer PO2- Gruppe erstmals durch eine neue separate Bande im 2D-IR-Spektrum nachgewiesen. Die Kopplung an das Mg2+ Ion verschiebt die asymmetrische PO2- Streckschwingung zu einer höheren Frequenz als in Abwesenheit von Magnesiumionen. Die Linienform und die zeitliche Entwicklung der neuen Bande machen Fluktuationen der Ionenpaar-Geometrie und der umgebenden Wasserhülle auf der Zeitskala einiger hundert Femtosekunden sichtbar, während die Paargeometrie selbst für viel längere Zeit erhalten bleibt (~10-6 s). Eine genaue theoretische Analyse zeigt, dass die subtile Balance zwischen anziehenden elektrischen (Coulomb-) Kräften und abstoßenden Kräften, die von der quantenmechanischen Austauschwechselwirkung herrühren, die Frequenzposition der Phosphatschwingung bestimmt.

Mit der Charakterisierung der kurzreichweitigen Phosphat-Ionen-Wechselwirkung in Lösung durch 2D-IR-Spektroskopie steht ein neuartiges analytisches Werkzeug zur Verfügung, das statische Techniken der Strukturaufklärung erweitert. Eine Anwendung dieses neuen Konzepts auf DNA und RNA und ihre ionische Umgebung erscheint vielversprechend und wird zur Aufklärung der Mechanismen beitragen, die Biomoleküle im Gleichgewicht stabilisieren und Faltungsprozesse treiben.

Originalpublikation:
Jakob Schauss, Fabian Dahms, Benjamin P. Fingerhut, Thomas Elsaesser: Phosphate-magnesium ion interactions in water probed by ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy. J. Phys. Chem. Lett. 10, 238 - 243 (2019). https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.8b03568

Weitere Bilder und Informationen:
www.mbi-berlin.de/de/current/index.html#2019_01_01

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Herpesviren

Luft-getragene Viren überleben im Wasser

Bisher dachte man, dass Herpesviren außerhalb ihres Wirtes kaum überlebensfähig sind. WissenschaftlerInnen des Berliner Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) zeigen in ihrer aktuellen Studie, dass Pferde-Herpesviren unter...

mehr...
Anzeige

EIN MUSS FÜR LABOREXPERTEN: LABSOLUTIONS

Am 04.09.2019 erwarten Sie bei der Th. Geyer Laborfachmesse LABSOLUTIONS in der MesseHalle Hamburg-Schnelsen 60 namhafte Aussteller, 22 Fachvorträge, ein Gewinnspiel und Catering. Unbezahlbare Vorteile komplett kostenfrei für Sie. Infos und Anmeldung unter www.thgeyer.de. Wir freuen uns auf Sie!

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Mikrobielles Arbeiten unter definierter Atmosphäre
Die A25 ist platzsparend, aber spart nicht an Funktionen! Die "kleine" Arbeitsstation verfügt über stulpenlose Handeingänge, einen Farb-Touchscreen und eine Schleuse, aber bietet dennoch strengste anaerobe Bedingungen.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

NEU: LABO Kompass
HPLC Anwenderwissen im August 2019

Kompakte Orientierung in Ihrem Laboralltag. Richten Sie sich richtig aus! Anwenderwissen, Produkt- und Firmenpräsentationen, Anbieterverzeichnis, Trends, Termine uvm.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige
Anzeige
Anzeige