Wissenschaftler der Universit?t Paderborn ver?ffentlichen Ergebnisse in Nature Chemistry
Ionen sind in der Natur allgegenw?rtig. Die elektrisch geladenen Teilchen in Atomen oder Molekülen beeinflussen die Faltung und Entfaltung von Proteinen und Enzymen, chemische Gleichgewichte, sind für die ?bertragung von Nervensignalen verantwortlich und bestimmen die Effizienz elektrochemischer Reaktionen. Bei den meisten Prozessen spielen starke Wechselwirkungen zwischen Ionen und Wassermolekülen eine zentrale Rolle. Einer von ihnen ist die sogenannte Solvatisierung. 必威体育 ver?ndert die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften von u. a. Wasser. Bisher ist allerdings wenig über die genauen Vorg?nge, die bei der Solvatisierung zum Tragen kommen, bekannt. Wissenschaftler der Universit?t Paderborn, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und des IMDEA Nanoscience Institute in Madrid, Spanien, haben nun neue Einblicke in das Ph?nomen erlangt. Ihre Ergebnisse haben sie in dem renommierten Fachmagazin Nature Chemistry ver?ffentlicht.
Mikroskopischer Ursprung der Solvatisierung
?Es wird angenommen, dass der mikroskopische Ursprung der Solvatisierung in der ionenbedingten St?rung des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks von Wasser liegt. Mit unserer Studie bieten wir mikroskopische Einblicke in diesen Prozess, indem wir die Energieumwandlung in Salzl?sungen mit zeitaufgel?ster Terahertz-Raman-Spektroskopie beobachten“, sagt der an der Arbeit beteiligte Wissenschaftler Dr. Vasileios Balos vom IMDEA Nanoscience Institute. Laut dem Chemiker belegen die Ergebnisse, dass Kationen und Anionen die intermolekularen Wechselwirkungen von Wasser ver?ndern. ?Wir haben festgestellt, dass der intermolekulare Energietransfer zwischen Wassermolekülen, die zur ersten und zweiten Solvatationsschale von Ionen geh?ren, durch stark geladene Kationen verst?rkt und durch stark geladene Anionen drastisch reduziert wird. Die entgegengesetzten Auswirkungen von Kationen und Anionen auf die intermolekularen Wechselwirkungen von Wasser ?hneln den Auswirkungen von Ionen auf die Stabilisierung und Denaturierung von Proteinen“, so Balos weiter.
Umfangreiche theoretische und experimentelle Studien
Aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen st?ren die Ionen die Dynamik und die lokale Struktur des Wasserstoffbrückenbindungsnetzes von Wasser. Das tats?chliche Ausma? dieser Effekte sei allerdings noch nicht vollst?ndig verstanden, so Prof. Dr. Thomas D. Kühne, Chemiker an der Universit?t Paderborn. ?Wir haben umfangreiche theoretische und experimentelle Studien durchgeführt, die ohne den neuen Supercomputer Noctua 2 am Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) nicht m?glich gewesen w?ren, um einen mikroskopischen Einblick in die Ionensolvatisierung zu gewinnen. Aufgrund der Komplexit?t der zugrundeliegenden Prozesse und der selektiven Empfindlichkeit der verwendeten Methoden sind die Bilder, die sich ergeben haben, allerdings immer noch schwer fassbar und in vielen F?llen widersprüchlich“, so der Wissenschaftler.
Kühne h?lt fest: ?Unsere Erkenntnisse über die Schw?chung der Wasserstoffbrückenbindungen in Gegenwart starker Anionen k?nnten einen bisher nur vorgeschlagenen Mechanismus unterstützen, wonach die Anionen-induzierte Proteinstabilisierung durch Wasser vermittelt wird. Eine weniger effiziente Energieübertragung und schw?chere intermolekulare Wasser-Wasser-Wechselwirkungen k?nnen dazu führen, dass die Flüssigkeit durch starke Anionen in ein ?weniger gutes L?sungsmittel‘ umgewandelt wird, was die Proteine dazu bringen k?nnte, ihre für das L?sungsmittel zug?ngliche Oberfl?che durch Faltung zu minimieren.“
Originalpublikation
Balos, V., Kaliannan, N.K., Elgabarty, H. et al. Time-resolved terahertz–Raman spectroscopy reveals that cations and anions distinctly modify intermolecular interactions of water. Nat. Chem. (2022). https://doi.org/10.1038/s41557-022-00977-2
