Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hüpfende Protonen

14.04.2011
Dr. Burkhard Schmidt simuliert im MATHEON den Protonentransfer in Aminosäuren und kleinen Peptiden. Der Protonentransfer spielt eine Rolle bei der Konversion von Sonnenenergie oder der Energieumwandlung in Brennstoffzellen, die für den Energiefluss in Batterien interessant sind, aber auch bei der Entwicklung neuer Medikamente.

Wie kann man das Verhalten von Protonen und Aminosäuren im Computer simulieren, wie kann man Experimente darstellen, bei denen sich das Verhalten bei mehr oder weniger Zufuhr von Wasser untersuchen lässt? Die Antwort auf diese Frage scheint im Zeitalter von Hochleistungsrechnern banal. In der Realität aber zeigt sich, dass diese Aufgabe ohne neue mathematische Algorithmen bis heute fast nicht lösbar ist. Zu schnell, zu „unberechenbar“ verhalten sich diese Protonen.


Schnappschuss einer Initio Molecular Simulation
© Schmidt

Im Projekt „Modellierung und Optimierung funktionaler Moleküle“ des DFG-Forschungszentrum MATHEON arbeitet Dr. Burkhard Schmidt unter Leitung von Prof. Christof Schütte an diesem Problem. Er untersucht in der Computersimulation die Rolle des Wassers als Lösungsmittel, wenn es schrittweise zu Aminosäuren oder Peptiden hinzugefügt wird. Vor allem will er den Protonentransfer zwischen zwei Endgruppen - er führt zur Bildung sog. Zwitterionen - und den Protonentransfer zwischen geeigneten Seitenketten - er führt zur Bildung von sog. Salzbrücken - erforschen.

Noch sind Schmidts Arbeiten Grundlagenforschung, die Ergebnisse seiner Forschung aber haben für viele Bereiche eine große Bedeutung. So spielt der Protonentransfer eine Rolle bei der Konversion von Sonnenenergie oder der Energieumwandlung in Brennstoffzellen, sie sind für den Energiefluss in Batterien interessant, aber auch bei der Entwicklung neuer Medikamente.

Ein Zwitterion ist ein Molekül mit zwei oder mehreren funktionalen Gruppen, von denen eine Gruppe positiv und eine andere negativ geladen ist. Das Molekül ist somit insgesamt elektrisch neutral. Eine Aminosäure ist ein zunächst elektrisch neutrales Molekül. Werden Aminosäuren jedoch in Wasser gelöst, beginnen die Wasser-Protonen zu hüpfen und führen zur Ausbildung eines negativ und eines positiv geladenen Endes der Säure. Dabei sind die Protonen ständig in Bewegung und gehen laufend neue Verbindungen ein. Durch das Hüpfen der Protonen entlang benachbarter Moleküle können Ladungen auch über Entfernungen auf der Nanometer-Skala in sogenannten Wasserbrücken oder ”Wasserdrähten“ transportiert werden. All das passiert in sehr schnellen Zeitskalen.

Dr. Schmidt möchte mit seinem Projekt dazu beitragen, die Mechanismen des Protonentransfers auf mikroskopischer Basis zu verstehen. Dabei beschränkt er sich auf Aminosäuren und kleine Peptidketten. Sein Vorgehen beschreibt der Forscher so: „Obwohl die weitaus meisten biologischen Prozesse in wässriger Lösung auftreten, beginnen unsere Untersuchungen bei isolierten Aminosäuren und Peptiden, um so die intra- von den intermolekularen Prozessen trennen zu können. Anschließend werden in unseren Simulationen nach und nach einzelne Wassermoleküle hinzugefügt. Damit wollen wir den Einfluss des Lösungsmittels kontrolliert untersuchen.“ Ein ehrgeiziges Vorhaben, denn solche Untersuchungen sind nur in der Computersimulation und gar nicht oder nur schwer als Experiment durchzuführen.

Dabei will der Wissenschaftler zum Beispiel klären, wie viele Wassermoleküle erforderlich sind, um Aminosäuren oder Peptide von ihrer neutralen in ihre zwitterionische Form zu überführen. Untersuchen will er auch, was mit einer Salzbrücke passiert, wenn Wassermoleküle hinzugefügt werden. „Darüber hinaus ist es interessant, diese Prozesse in ihrer Zeitabhängigkeit zu simulieren, um so auch die Zeitskalen der untersuchten Prozesse studieren zu können. Wesentliche Fragen dabei sind, wie schnell Protonen von geeigneten Seitenketten abgelöst bzw. an diese angelagert werden können oder auf welcher Zeitskala Protonen zwischen Protein und Wasser übergeben werden und wie schnell der Transport von Protonen entlang von Wasserbücken ist,“ erklärt Burkhard Schmidt.

Bei seinen Untersuchungen will Schmidt Verfahren anwenden, bei denen in jedem Zeitschritt der Simulationen die Energien bzw. Kräfte aus der Elektronenstruktur berechnet werden. Das unterscheidet seine Arbeit von „herkömmlichen“ Computersimulationen, bei denen empirische Modelle zur Berechnung von Energien und Kräften zwischen den Atomen angewandt werden. „Neben der fragwürdigen Genauigkeit und Übertragbarkeit solcher empirischer Modelle besteht die wesentliche Einschränkung darin, dass das Brechen und Bilden chemischer Bindungen so nicht beschrieben werden kann. Damit kann ich mich nicht zufrieden geben“, sagt er. Seine jetzige Forschung baut auf ein vorhergehendes Projekt auf, bei dem Dr. Schmidt die Reaktionen eines Protons und eines Elektrons in einem Wassercluster untersucht hat. (Cluster=Mikrotröpfchen)

Dank seiner mathematisch/physikalischen Methoden gelingt es Burkhard Schmidt schon jetzt, die chemischen Vorgänge auf Großrechnern einige Pikosekunden (1 Pikosekunde = 0,000 000 000 001 Sekunden) zu rechnen. „Das ist schon sehr viel, mein Wunsch aber wäre Nanosekunden (0,000 000 001) zu erreichen“, sagt der Wissenschaftler.

Weitere Informationen:
Dr. Burkhard Schmidt,
Tel.: +49 30 838 75369,
Email: burkhard.schmidt@fu-berlin.de

Rudolf Kellermann | idw
Weitere Informationen:
http://www.matheon.de
http://www.math.fu-berlin.de/groups/biocomputing/people/burkhard_schmidt.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Superkondensatoren aus Holzbestandteilen
24.05.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Was einen guten Katalysator ausmacht
24.05.2018 | Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

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: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Geregelter Nano-Aufbau

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

24.05.2018 | Energie und Elektrotechnik

Produktiver und attraktiver Montage­arbeits­platz

24.05.2018 | Wirtschaft Finanzen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics