Kortlægning af ændringer i vandmolekylers dynamik og struktur i nærheden af ​​opløste stoffer

Kemikere ved Ruhr-Universität Bochum har udviklet en ny metode, der giver dem mulighed for at kortlægge ændringer i dynamikken og strukturen af ​​vandmolekyler i nærheden af ​​opløste stoffer. Med denne teknik, kaldet terahertz kalorimetri, de undersøgte egenskaberne af hydreringsskallen af ​​opløste alkoholmolekyler. I fremtiden, de ønsker også at bruge metoden til vandkortlægning omkring mere komplekse systemer såsom enzymer, hvilket kan være vigtigt for lægemiddeldesign.

Resultaterne blev offentliggjort af Prof Dr. Martina Havenith, formand for Fysisk Kemi II og talskvinde for cluster of excellence Resolv, med Dr. Fabian Böhm og Dr. Gerhard Schwaab i journalen Angewandte Chemie .

Metoden kan nu anvendes i realtid

Fundamentale biologiske processer såsom enzymatisk katalyse eller molekylær binding forekommer i vandig fase. Kalorimetri tjener som et stærkt biofysisk værktøj til at studere den molekylære genkendelse og stabilitet af biomolekylære systemer ved at måle ændringer i termodynamiske tilstandsvariabler, f.eks. ved proteinfoldning eller association, med det formål at udlede den varmeoverførsel, der er forbundet med disse ændringer. Kalorimetri bestemmer, entalpi og entropi, som er mål for varmeoverførslen og uorden i systemet.

Kalorimetri er begrænset til tidsskalaer på 1 til 100 sekunder. I modsætning, spektroskopiske processer, som er baseret på korte laserimpulser, er i stand til at udføre målinger på tidsskalaen en milliontedel eller en milliardtedel af et sekund. De Bochum-baserede kemikere viste, at begge tilgange er komplementære.

"Ved at etablere et terahertz-kalorimeter i et proof of concept-eksperiment, vi har nået det første mål, som vi havde arbejdet på ved at bruge Advanced Grant-midlerne fra Det Europæiske Forskningsråd, " forklarer Martina Havenith.

Bestemmelse af strukturen af ​​de vandige kuverter

En skal af omgivende vandmolekyler, hydreringsskallen, dannes omkring ethvert opløst molekyle. Det opløste stof påvirker det regelmæssige netværk af brintbroer mellem vandmolekylerne, hvilket får vandet i hydreringsskallen til at opføre sig anderledes end det frie vand. Strukturen af ​​hydreringsskallen afhænger af formen og den kemiske sammensætning af det opløste molekyle.

Haveniths team undersøgte hydreringsskallen af ​​fem forskellige alkoholkæder og var i stand til at klassificere forskelligt struktureret hydreringsvand ved hjælp af terahertz-kalorimetri. Eksponering for terahertz-impulser giver fingeraftryk af vibrationerne i vandnettet. Det her, på tur, giver forskerne mulighed for at udlede fundamentale størrelser som entropi og entalpi.

"Metoden giver os for første gang mulighed for spektroskopisk at kortlægge entropi og entalpi omkring opløste stoffer, som er afgørende parametre for at karakterisere molekylær genkendelse, " opsummerer Havenith.