当环境酸度升高时，蛋白质会逐步失去其保护性水合壳层。直到最近，这还只是理论上的推测。先进成像技术使马丁·路德大学哈勒-维滕贝格分校（MLU）的研究人员得以首次直接观察到单个水分子层面的这一过程。这解答了生物化学中一个困扰了50年的问题。

在《美国国家科学院院刊》发表的文章中，该团队指出，这一知识可能有助于开发更稳定的蛋白质。

蛋白质是细胞的核心部件，控制着生物体中的各种关键过程——从生长到代谢。它们的功能在很大程度上取决于其空间结构。蛋白质被一层水分子壳层包裹，而这层壳层又决定了它们的形状和功能。

不过直到现在，人们对蛋白质、水分子及其环境之间的具体相互作用仍知之甚少。

“早在1974年，欧文·昆茨和沃尔特·考兹曼就曾提出，降低pH值——换句话说，也就是增加酸化程度——会改变蛋白质的水化层。然而，这一假说此前一直没有直接证据，”MLU的生物化学家帕纳吉奥蒂斯·卡斯特里蒂斯教授解释说。

在这项新研究中，卡斯特里蒂斯的团队使用高分辨率低温电镜（cryo-EM）详细研究了这一过程。在低温电镜技术中，蛋白质被快速冷冻，然后用电子束扫描。产生的信号能生成超详细图像，再把这些图像拼起来做成3D模型。这能看清蛋白质在几个原子级别的结构。

研究人员研究了去铁铁蛋白，这种蛋白质在细胞中充当铁储存单元。他们在从9.0（微碱性）到3.5（酸性）的七个不同pH水平下对其进行了观察。利用冷冻电镜，他们逐一绘制了数千个水分子的图谱，并追踪了它们在酸度增加时的动态变化。实验还配合了计算机模拟，结果也印证了观察到的现象。

“我们的数据使我们能够绘制出每一个水分子的运动轨迹，并观察它如何响应pH水平的变化而移动。我们惊讶地发现规则很清晰：有些氨基酸会抓住水分子，有些则会放走水分子。这我们真没想到，”伊奥尼斯·斯卡利迪斯博士说，他在马丁·路德大学完成了博士学位，现在在乌得勒支大学担任研究员。

马丁·路德大学的法尔扎德·哈姆迪博士补充道：“我们是第一个在这么细的机制层面上拿出证据的团队。是的，这是一个老理论，但一直没直接证据支持它。”

其他发现也同样精确得出奇：pH值每降一个单位，蛋白质就少约100个水分子。研究人员甚至能说清组成蛋白质的每个氨基酸是咋动的。

谷氨酸和天冬氨酸一遇酸，头一个就把水分子甩掉了。别的氨基酸呢，不管pH值咋变，都死抓着这些分子不放，所以不管pH值咋样，里头总有个稳当的核心，差不多占所有水分子的四成。

还有个没想到的：pH值一降，不光脱铁铁蛋白外面的水膜变了，连铁离子待的地儿也跟着挪窝。这些铁离子就一点点从原来的位子上溜走。这就说明，蛋白里头有个结构上的门道：酸度一高，就能把金属离子从蛋白里挤出来——比方说，细胞里头管铁的事儿，就靠这个。

还需要开展其他研究，以确定该研究发现的规律是否也适用于其他蛋白质。“我们假设这一过程至少与其他蛋白质相似。此类知识可用于开发更稳定或对pH变化更耐受的蛋白质，”卡斯特里蒂斯表示。

这可能有助于改进工业酶或基于蛋白质的药物输送系统。