Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle verformen sich bei Nässe

21.11.2016

Breitband-Rotationsspektroskopie enthüllt Strukturänderungen isolierter, gasförmiger Moleküle bei ihrer Bindung an Wasser

In zwei kürzlich erschienenen Veröffentlichungen im Journal of Chemical Physics und im Journal of Physical Chemistry Letters konnten Forscher um Melanie Schnell vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL und vom Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) zeigen, dass Wasser eine Strukturänderung von flexiblen Molekülen begünstigt – hier an den chemisch faszinierenden Beispielen Kronenether und Biphenyl-Moleküle studiert.


Die bevorzugte Struktur eines Kronenethers verändert sich, wenn Wassermoleküle daran binden (gestrichelte Linien).

© C. Pérez et al.


Ein Draht aus zwei Wassermolekülen verbindet die beiden Ringe eines Biphenyl-Systems (gestrichelte Linien) und verändert den Winkel zwischen den beiden Ringen (roter Pfeil).

© S. R. Domingos et al.

Kronenether sind entscheidende Systeme in Katalyse-, Trennungs- und Einschlussprozessen, während Biphenyl-basierte Systeme in der asymmetrischen Synthese und im Wirkstoffdesign für Arzneimittel Verwendung finden.

Wasser hat einen tiefgreifenden Einfluss auf unsere Welt. Durch seine bekannte – aber nicht vollends verstandene – Rolle in der Vermittlung von Proteinfaltungsdynamik und Protonentransport in Membranen nimmt Wasser eine Schlüsselrolle ein; es beeinflusst die Mechanik vieler biologischer und synthetischer Prozesse. In den aktuellen Studien verwenden die Wissenschaftler hochaufgelöste Rotationsspektroskopie, um die strukturellen Auswirkungen zu untersuchen, die Wasser in zwei Arten von Molekülsystemen hervorruft, welche im Bereich der Chemie unterschiedliche Rollen spielen.

Isolierte mikrosolvatisierte Moleküle in der Gasphase haben sich zu einem bevorzugten Untersuchungsgegenstand entwickelt, um die schrittweise Hydration molekularer Systeme aufzuzeigen. Die Hamburger Gruppe von Melanie Schnell folgt diesem Ansatz für die Aufdeckung der Effekte auf organische Moleküle, wenn sich die ersten Wassermoleküle an ihnen anlagern und die Grundlage für die sogenannte erste Solvatisierungshülle bilden.

Kronenether sind zyklische Moleküle, die von ihrer Struktur her einer Krone ähneln. Sie besitzen eine außergewöhnliche Selektivität für den Einschluss von Kationen innerhalb der Krone. Diese Funktion kann sowohl nützlich als auch schädlich sein, je nach Größe der Krone und der sich daraus ergebenden Fähigkeit, kleinere oder größere Kationen wie Kalium, Natrium oder Lithium an sich zu binden. Kronenether sind daher hochgradig funktionale Systeme. In der aktuellen Arbeit entdeckten die Autoren, dass sich die bevorzugte Gestalt der Kronenether bei der Bindung mit Wasser verändert.

„Die unerwartete strukturelle Veränderung durch die Hydration der Krone offenbart neue Möglichkeiten für Wirt-Gast-Wechselwirkungen“, sagt Cristóbal Pérez, Postdoktorand am MPSD und Erstautor der Arbeit. Die erwartete Effizienz für den Einfang anderer Molekülsorten kann sich durch die Anwesenheit von Wasser verändern. Angesichts der Häufigkeit von Wasser auf molekularer Ebene, auf der viele biologische Prozesse ablaufen, ist dies eine wichtige Erkenntnis für Chemiker, die sich mit Katalyse befassen und Kronenether verwenden.

Biphenyl-basierte Systeme bestehen im Zentrum aus zwei Benzolringen (C6H6), die über eine Achse verbunden sind. Durch Überwindung einer niedrigen Energiebarriere können sich die beiden Ringe gegeneinander verdrehen. Drehungen mit und entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugen Spiegelbilder desselben Moleküls, welche sich nicht überlagern lassen und daher als chiral bezeichnet werden. Die Fähigkeit, Spiegelbildvarianten chiraler Moleküle zu identifizieren und zuzuordnen, ist ein entscheidender Schritt im Wirkstoffdesign der pharmazeutischen Industrie. Biphenyle kommen beispielsweise in Wirkstoffen gegen Tuberkulose vor.

In der aktuellen Studie wird gezeigt, dass das Biphenyl-System bei Hydration zwei zusammenhängende Wassermoleküle anlagert, die die Autoren „water-wire“ nennen. Dieser „Wasser-Draht“ verbindet die beiden Biphenyl-Ringe und fixiert folglich ihre Position zueinander. Mit diesem Feststellmechanismus durch die Gegenwart des Wassers geht eine messbare Veränderung im Winkel zwischen den Ringen einher. „Das beobachtete Phänomen liefert uns neue Hinweise darüber, wie Wasser die Wechselwirkungen zwischen einem Molekül und einem potentiellen Rezeptor vermitteln kann“, sagt Sérgio Domingos, Postdoktorand am MPSD und Erstautor der Arbeit. Die beobachteten Wasser-induzierten Strukturänderungen sind aufschlussreich für die Rolle der Hydration bei der Regulierung komplexerer biologischer Prozesse, welche in Umgebungen stattfinden, in denen Wasser das vorherrschende Medium ist.

Ansprechpartner:

Dr. Cristóbal Pérez
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6233
cristobal.perez@mpsd.mpg.de

Dr. Sérgio Domingos
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6233
sergio.domingos@mpsd.mpg.de

PD Dr. Melanie Schnell
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6240
melanie.schnell@mpsd.mpg.de

Originalpublikationen:

C. Pérez, J. C. López, S. Blanco, and M. Schnell, "Water-Induced Structural Changes in Crown Ethers from Broadband Rotational Spectroscopy," The Journal of Physical Chemistry Letters 7 (20), 4053-4058 (2016); DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01939

S. R. Domingos, C. Pérez, and M. Schnell, "Communication: Structural locking mediated by a water wire: A high-resolution rotational spectroscopy study on hydrated forms of a chiral biphenyl derivative," The Journal of Chemical Physics 145 (16), 161103 (2016); DOI: 10.1063/1.4966584

Weitere Informationen:

https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b01939 Originalpublikation
https://dx.doi.org/10.1063/1.4966584 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/research/rg/ccm Forschungsgruppe von PD Dr. Melanie Schnell
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte