Måling af pH lokalt med terahertz spektroskopi

Forskere ved Ruhr-Universität Bochum har udviklet en ny metode til at bestemme en lokal pH-værdi nær et specifikt sted for et biomolekyle. En pålidelig måling med et pH-meter er kun mulig i et større ensemble, eller homogen bulk. Den nye procedure, som er baseret på terahertz-spektroskopi, er beskrevet af teamet fra Resolv i journalen Angewandte Chemie International Edition , offentliggjort online på forhånd den 6. november 2020.

Holdene fra formanden for Fysisk Kemi II ledet af professor Martina Havenith og fra formanden for Teoretisk Kemi ledet af professor Dominik Marx samarbejdede under arbejdet. "Der er øget bevis for, at biologiske reaktioner ikke afhænger så meget af en opløsnings globale kemiske egenskaber, men snarere at de lokale forhold i umiddelbar nærhed af et enzym er afgørende, " siger Martina Havenith. Dette inkluderer, for eksempel, pH-værdien eller den lokale ladningstilstand.

"Det er vigtigt for os at være i stand til ikke kun at måle disse lokale egenskaber, men også at beregne forudsigeligt - f.eks. hvis vi ønsker at optimere solvatiseringsbetingelserne for at bruge enzymer som biokatalysatorer, siger Dominik Marx.

Tester med aminosyren glycin

Forskerne arbejdede med en opløsning af aminosyren glycin. Den har to funktionelle grupper, der kan opfange eller frigive protoner. Syren kan derfor være til stede i forskellige protonationstilstande, som kan varieres ved at ændre pH i opløsningen.

Kemikerne undersøgte glycinopløsninger ved hjælp af terahertz (THz) spektroskopi. De bruger transmitterende stråling i THz-frekvensen i opløsningen, som absorberer en del af strålingen. Forskerne præsenterer absorptionsmønsteret i et givet frekvensområde i form af et spektrum. På samme tid, de simulerer også THz-spektrene for disse vandige opløsninger til forskellige pH-betingelser.

Forskellige spektre afhængig af pH-værdi

Spektrene afveg signifikant afhængigt af protonationstilstanden af ​​glycin. De to grupper undersøgte, hvorfor dette var tilfældet ved hjælp af komplekse computersimuleringer, kaldet ab initio molekylær dynamik simuleringer. Denne metode gør det muligt for forskere at tildele visse områder af et spektrum - kaldet bånd - til bevægelserne af forskellige bindinger i molekylet. På denne måde de viste, hvordan de forskellige protonationstilstande blev afspejlet i spektret. Mens deprotoneret glycin (høj pH) forårsager næsten ingen absorption i denne del af terahertz-spektret, protoneret glycin (lav pH) producerer klart synlige absorptionsbånd. Spektret af en mellemtilstand, glycin zwitterion (neutral pH), var midt imellem. Forskerne fik således et slags fingeraftryk af protonation, målt som funktion af pH. De viste, at intensiteten af ​​spektret i området fra 0 til 15 terahertz korrelerer med pH.

I yderligere forsøg, forskerne viste, at metoden også virker for andre biomolekyler, altså aminosyren valin og for små peptider. "I fremtiden, denne grundlæggende opdagelse vil åbne nye muligheder for os til ikke-invasivt at bestemme lokale ladningstilstande på overfladen af ​​biomolekyler, " opsummerer Martina Havenith.