Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Rechnung nicht ohne den Boten machen – Simulationen helfen protonierte Wassercluster zu vermessen

24.08.2010
Wassercluster bezeichnen Wassermoleküle, die sich kurzfristig zu größeren Molekülverbänden zusammenschließen. Diese Wassercluster können weitere positiv geladene Protonen aufnehmen und kommen dann als sogenannte protonierte Wassercluster auch etwa als funktionelle Gruppen in Proteinen vor. Mit Hilfe der Infrarotsprektroskopie lassen sich Bindungsstärke, die molekulare Geometrie und andere Eigenschaften protonierter Wassercluster bestimmen. Für die Messung der Schwingungsspektren sind Botenmoleküle nötig.

Ein Forscherteam um den LMU-Physiker Dr. Gerald Mathias und Professor Dominik Marx von der Ruhr-Universität Bochum, konnte nun erstmals nachweisen, wie diese Strukturen die Zuweisung der spektralen Banden bei der Infrarotspektroskopie beeinflussen. „Unsere Ergebnisse könnten dazu beitragen, solche Messungen besser zu verstehen“, sagt Mathias.

„Das ist wichtig, um beispielsweise die Funktion protonierter Wassercluster in Proteinen zu entschlüsseln. Weil Wassermoleküle praktisch überall vorkommen, könnten die verbesserten Messungen etwa auch bei chemischen Analysen der Erdatmosphäre oder in der Astrochemie zum Einsatz kommen.“ (Angewandte Chemie online, 23. August 2010)

Wassermoleküle sind nicht gern allein. Das verdanken sie einer chemischen Besonderheit: Ihre Atome tragen starke Ladungen, sodass sich benachbarte Wassermoleküle anziehen und über sogenannte Wasserstoffbrücken zu Ketten oder gar Clustern zusammenschließen. Darin sind die einzelnen Wassermoleküle nicht mehr frei beweglich, sondern stark gebunden. Deshalb benötigt das Verdunsten von Wasser, also der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, auch relativ viel Energie, um diese Bindungen zu brechen. Lagern sich zusätzlich Protonen an, also die positiv geladenen Atomkerne von Wasserstoff, so spricht man von protonierten Wasserclustern. Diese Strukturen sind wichtige Modellsysteme, um die Lösung von Protonen in Wasser zu untersuchen und so dessen pH-Wert und Leitfähigkeit zu verstehen.

Das kleinste protonierte Wassercluster ist das Hydronium-Kation: Es besteht nur aus einem einzelnen Wassermolekül und besitzt die chemische Struktur H3O+. Das Zundel-Ion ist mit einem Proton, das sich zwei Wassermoleküle teilen, dagegen deutlich komplexer. Mithilfe infrarotspektroskopischer Messungen lassen sich die Eigenschaften verschiedener Wassercluster bestimmen. Dabei werden in den Molekülen durch infrarotes Licht verschiedene Schwingungen angeregt, für welche die eingestrahlte Wellenlänge, also die Farbe des Lichts, jeweils charakteristisch ist. Daraus lassen sich dann Rückschlüsse auf die dreidimensionale Struktur des Moleküls und die Stärke der atomaren Bindungen ziehen.

Um die Schwingungsspektren der Wassercluster im gasförmigen Zustand messen zu können, benötigt man kleine Moleküle oder Edelgase wie Neon oder Argon als Boten, welche sich quasi als Spione an die Wassercluster anlagern und die Schwingungen detektieren. „Diese Spektren hängen aber von den Botenmolekülen ab, sodass diese Wechselwirkung bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden muss“, sagt Dr. Gerald Mathias von der Fakultät für Physik der LMU München. Zusammen mit Forscherkollegen um Professor Dominik Marx von der Ruhr-Universität Bochum konnte er nun zeigen, dass bereits beim Hydronium-Kation durch den Einfluss der Botenmoleküle unerwartete Effekte bei den spektralen Banden auftreten. Mit Hilfe von Simulationen der Dynamik dieser Komplexe aus protonierten Wasserclustern und Botenmolekülen konnte das Team die tatsächlichen Spektren aber aus den Ergebnissen reproduzieren.

„Noch interessanter waren die Ergebnisse beim Zundel-Kation, das ständig seine Form ändert“, sagt Mathias. „Wir konnten zeigen, dass diese Struktur in zwei verschiedenen Formen vorliegt. Im stark gebundenen Zustand lagern sich die Boten direkt an das Zundel-Kation an, beim schwach gebundenen Zustand umkreisen sie es nur. Im schwach gebundenen Zustand konnten wir aber nahezu dieselben Farbspektren beobachten wie beim ungebundenen Zundel-Kation – sodass die Spektren also nicht von den Botenmolekülen beeinflusst wurden.“ Dieses Ergebnis erlaubt nun ein besseres Verständnis der experimentellen Botenspektroskopie, die zur chemischen Analyse der Bestandteile der Erdatmosphäre oder des interstellaren Raumes im Weltall eingesetzt wird. Die Forscher erhoffen sich außerdem neue Rückschlüsse auf die Struktur und Funktion protonierter Wassercluster in Proteinen. (CA/suwe)

Publikation:
„Theoretical Messenger Spectroscopy of
Microsolvated Hydronium and Zundel Cations”;
Marcel Baer, Dominik Marx, Gerald Mathias;
Angewandte Chemie,
23. August 2010,
DOI: 10.1002/anie.201001672
„Structures and spectral signatures of protonated water networks in bacteriorhodopsin”,
G. Mathias und D. Marx,
PNAS USA, 104, 6980–6985,
24. April 2007,
Doi:10.1073/pnas.0609229104
Ansprechpartner:
Dr. Gerald Mathias
Fakultät für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 – 9228
Fax: 089 / 2180 – 9202
E-Mail: gerald.mathias@physik.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

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