Protonen beim Tanzen zugeschaut …

„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