蛋白质结合水是决定性的

特定蛋白质可以将质子从细胞膜的一侧(摄取侧)转移到另一侧(释放侧)。这是生物能量转换的核心过程。在过去的Nature和AngewandteChemie版本中，来自生物物理系的研究人员已经发表了他们的观察结果，即在基态，释放侧的蛋白质结合水分子被最佳地排列以释放质子。“与多米诺骨牌一样，蛋白质引发质子的运动，最终导致它们被释放，”Gerwert教授解释道。为了开始另一个泵送循环，蛋白质如何重新达到其初始状态仍有待澄清。必须在蛋白质的摄取侧获得新的质子以取代释放的质子。

水分子引领潮流

这种蛋白质一石二鸟。在释放阶段水分子是无序的，这阻止了质子在错误的方向上传输。只有在摄取阶段，它们才能正确对齐并能传导质子。这些结果是关于为什么质子转移仅在摄取侧的一个方向上起作用以及为什么蛋白质能够有效和定向泵送的谜语的解决方案。“这篇论文连同前两篇出版物，现在构成了一个三部曲，为原子水平的质子泵浦循环提供了完整的解释，”Gerwert教授总结道。

实验物理与理论化学相结合

研究人员将实验物理学与理论化学相结合，能够在纳米级别观察具有高空间和时间分辨率的过程。SteffenWolf使用生物分子计算机模拟(分子动力学模拟)模拟蛋白质内的结构变化。ErikFreier随后使用由Gerwert教授开发的一种特殊振动光谱(时间分辨步进扫描FTIR光谱)实验验证了这些效应。“这种跨学科的相互作用，表明蛋白质的各个组成部分与机器的齿轮精确同步，是成功的关键，”Gerwert教授说。

如在水中，所以在蛋白质中

蛋白质巧妙地排列三个水分子，使用物理化学Grotthuss机制运输质子。在20世纪50年代，诺贝尔奖获得者曼弗雷德·艾根(ManfredEigen)阐明了这种机制，以解释水中极快速，无方向性的质子输运。令人惊讶的是，RUB研究人员的出版物现在揭示了与蛋白质结合的水分子结合的氨基酸可以使这种极快的运输成为一种运动方向。因此，Gerwert教授的团队能够增强ManfredEigen的结果并将其应用于蛋白质研究。

将光能有效转换为化学能

波鸿的研究科学家小组主要研究膜蛋白细菌视紫红质，它被某些细菌用来进行古老的光合作用。细菌视紫红质通过将质子从细胞内部传递到细胞外部而产生质子浓度梯度。其他蛋白质使用这种梯度来产生ATP，即通用细胞燃料。重要的是质子传输具有特定的方向并且防止质子的自发回流以确保可以有效地使用光能。