Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Protonen beim Tanzen zugeschaut ...

06.06.2001


"ab initio"-Simulation berücksichtigt alle Quanteneffekte
RUB-Chemiker untersuchen Protonentransfer im "Virtuellen Labor"



Mit Hilfe eines neuen aufwändigen Computerprogramms ist es nun möglich, den Protonentransfer im Computer - im virtuellen Labor - zu simulieren und beobachten. Gelungen ist dies kürzlich Prof. Dr. Dominik Marx (Lehrstuhl für Theoretische Chemie der RUB) in Zusammenarbeit mit Prof. Mark E. Tuckerman (Department of Chemistry and Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University). Sie berücksichtigen bei ihrer Simulation des Moleküls Malonaldehyd auch Quanteneffekte von "Schweratomen", die normalerweise zur Vereinfachung der Simulation vernachlässigt werden. Die Ergebnisse wurden vor wenigen Tagen (Montag, 21.5.2001) veröffentlicht: Physical Review Letters, Volume 86, issue 21, page 4946-4949, 21. 2001.

Große Bedeutung für Biologie, Medizin und Materialwissenschaft
Mit den neuen Berechnungsmethoden könnten in Zukunft auch größere Moleküle ab initio simuliert werden. So könnte man z.B. biologisch relevante Prozesse wie den Protonentransfer durch Proteinkanäle untersuchen. Der Transfer von Protonen (Wasserstoffatome ohne Elektron) hat in so verschiedenen Gebieten wie der Materialwissenschaft (Brennstoffzellen), der Biophysik (Protonenpumpen) und der Biochemie (Enzymkatalyse) große Bedeutung.
Simulation "ab initio"
Für die Simulation von Malonaldehyd wurde der Computer nur mit den physikalischen Grunddaten der beteiligten Atome "gefüttert", man nennt dies "ab initio"-Simulation. Um die physikalischen Eigenschaften möglichst genau zu "beschreiben", kombinierten die Wissenschaftler zwei sehr verschiedene Formeln numerisch: Wellenfunktionen nach Schrödinger und Pfadintegrale nach Feynman. Dieser Trick macht die quantenmechanische Berechnung komplexer chemischer Probleme überhaupt erst möglich. Aber schon bei einem so kleinen Molekül wie Malonaldehyd ist der Aufwand für solche Untersuchungen immens und nur auf Supercomputern - insbesondere Parallelrechnern - durchführbar.

Nicht nur das Proton tanzt
Beim Protonentransfer bewegt sich nicht nur das Proton - das gesamte Molekül ist fortwährend in Bewegung.
Malonaldehyd besteht aus drei Kohlenstoffatomen (schwarz), drei am Protonentransfer nicht beteiligten Wasserstoffen (grau) und zwei Sauerstoffen (rot), zwischen denen das Proton (gelb) beständig hin und her wechselt. Auf der Abbildung ist genau der Moment des Übergangs zwischen den beiden Sauerstoffatomen - also der Protonentransfer - zu sehen.
Ab durch den Tunnel
Eigentlich ist der Bereich zwischen den beiden Sauerstoffen für das Proton eine "verbotene Zone". Für den Transfer müsste das Proton eine Energiebarriere - wie einen Berg -überwinden, das Proton hat aber selbst gar nicht genug Energie dazu. Für die Bewegung von sehr kleinen Teilchen (z.B. Elektronen und Protonen) gelten nun aber besondere Gesetze. Die klassische Mechanik, die z.B. für die Bewegung von Planeten gilt, wird hier durch die so genannte Quantenmechanik abgelöst. Die Simulation berücksichtigt diese quantenmechanischen Eigenschaften des Protons. Es gelangt auf die andere Seite des "Energie-Berges" ohne ihn zu überwinden. Es benutzt dabei gleichsam einen Tunnel, dieser quantenmechanische Effekt wird daher als "Tunneleffekt" bezeichnet.
Tanzende Umgebung regt an
Prof. Marx und Prof. Tuckerman berücksichtigen in ihren Berechnungen die Quanteneffekte aber nicht nur für die kleinen Teilchen, sondern - und das ist ungewöhnlich und neu - auch für die schwereren Atome, die das Molekülgerüst bilden. Dabei stellte sich heraus, dass man ihre so genannte Nullpunktsbewegung (auch ein quantenmechanischer Effekt) nicht vernachlässigen kann. Alle Teilchen, auch die schweren Atome, im Molekül bewegen sich fortlaufend und regen durch ihre Bewegung das Proton an: Seine Energie erhöht sich. Durch diesen "Tanz" des ganzen Moleküls wird der Protonentransfer noch einmal um den Faktor zwei beschleunigt.
Weitere Informationen
Prof. Dr. Dominik Marx, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Chemie, 44780 Bochum, Tel. 0234/32- 28083, Fax: 0234/32-14045, E-Mail: dominik.marx@theochem.ruhr-uni-bochum.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.theochem.ruhr-uni-bochum.de/go/malon.html

Weitere Berichte zu: Molekül ProTon Protonentransfer Simulation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zirkuläre RNA wird in Proteine übersetzt
24.03.2017 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

nachricht Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen
24.03.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise