Dodano: 29 marzec 2021r.

Wiązania wodorowe pomagają w przenoszeniu elektronów

Międzynarodowy zespół kierowany przez Polaka zaobserwował po raz pierwszy, że przeniesienie elektronów dalekiego zasięgu w obrębie cząsteczki chemicznej, może zachodzić poprzez wiązania wodorowe bez tzw. przeskakiwania (ang. hopping). Odkrycie to opublikowane w PNAS może nie tylko pomóc lepiej zrozumieć pracę białek, ale i projektować nowe materiały.

Wiązania wodorowe pomagają w przenoszeniu elektronów

 

Aby istniało życie, konieczne są procesy przekazywania energii i elektronów w ramach cząsteczek chemicznych i pomiędzy nimi. Podczas przeniesienia elektronów - a więc cząstek niosących ujemny ładunek elektryczny – przeskakują one z jednego miejsca w cząsteczce chemicznej w inne. Przeniesienie elektronów to choćby podstawa fotosyntezy, w której foton - cząstka światła - wzbudza cząsteczkę chlorofilu i wybija z niej elektron, który ucieka wtedy w inne miejsce. Zgromadzona w tym procesie energia w finale napędza pracę komórki. Proces przeniesienia elektronu jest też niezbędny do reperacji uszkodzonego DNA czy do pracy niektórych enzymów. Ma też jednak znaczenie w inżynierii - choćby w budowie ogniw fotowoltaicznych i technologiach fotonicznych.

Przeskakiwanie elektronów

Chemicy od dawna wiedzieli, że elektron może przeskakiwać na niewielkie odległości. Były też już jednak znane procesy przeskakiwania (ang. hopping) elektronów na większą odległość (to tzw. przeniesienie elektronów dalekiego zasięgu – ang. long-range electron transfer). Dotąd obserwowano tylko takie sytuacje, w których elektron skakał na sporą odległość, ale pod warunkiem, że miał na swojej drodze "schodki", miejsca w cząsteczce, po których mógł po drodze kolejno przeskakiwać, aby w rezultacie przebyć dłuższą trasę.

Teraz zespół naukowców pod kierunkiem prof. Daniela Gryko z Instytutu Chemii Organicznej PAN pokazał nowy sposób takiego przenoszenia elektronów poprzez tunelowanie (ang. tunneling) – tzn. bez tradycyjnych "schodków".

- W naszych badaniach po raz pierwszy udało się udowodnić, że proces przeniesienia elektronów może zachodzić pomiędzy przeciwległymi i położonymi daleko od siebie fragmentami, pod warunkiem, że w cząsteczce istnieje sieć wewnętrznych wiązań wodorowych - streszcza prof. Daniel Gryko. To kierownik zespołu, którego badania ukazały się w prestiżowym czasopiśmie "PNAS".

W badaniach brali udział badacze z IChO PAN: Rafał Orłowski (pierwszy autor pracy), prof. Agnieszka Szumna i dr Olga Staszewska-Krajewska, ale również badacze z Kalifornii (zespoły kierowane przez prof. Harrego Graya oraz przez prof. Valentine Vulleva).

Wiązania wodorowe

Pokazanie tego procesu było bardzo trudne - naukowcy musieli zaprojektować i wytworzyć cząsteczkę, w której dojdzie do takiego przeniesienia elektronów. Badania zajęły im trzy lata, ale trud ten się opłacił. W cząsteczce tej elektron przenosił się z jednego końca cząsteczki na drugi, chociaż byłoby to niemożliwe gdyby kształt cząsteczki był liniowy.

Kluczowe jest to, że cząsteczka zaprojektowana przez naukowców nie była liniowa ale raczej zawinięta w kształt skorpiona. Molekuła ta składająca się z kilku aminokwasów posiada w swojej budowie część bogatą w elektrony (donor), oraz ubogą w elektrony (akceptor). Elektrony z jednego końca cząsteczki miały więc "ochotę" dostać się na drugi jej koniec, ale podróż ładunku wzdłuż całej cząsteczki nie była możliwa. Jedyne, co się mogło tam zadziać, to skok elektronu z "głowy" skorpiona na jego "ogon". Badacze pokazali, że jest to możliwe - dzięki temu, że podczas skoku elektron mógł skorzystać z obecności wewnątrzcząsteczkowych wiązań wodorowych, które się znalazły na jego trasie - a więc sił, które spinały ogon i głowę skorpiona. Nowatorskim pomysłem było takie dobranie donora i akceptora, aby tworzyły wiązania wodorowe.

- Spodziewamy się, że inne zespoły wykorzystają ten model i naszą wiedzę, by zaprojektować swoje cząsteczki do innych celów - nie tylko chodzi o biologię molekularną, ale i o chemię materiałową - mówi prof. Gryko. Ma nadzieję, że nowa wiedza o przenoszeniu elektronów w cząsteczkach pomoże nie tylko lepiej zrozumieć działanie białek, ale również pomoże w opracowaniu nowych rozwiązań szczególnie powiązanych z ogniwami słonecznymi.

- W naszych badaniach pokazujemy, że krótkie peptydy, zawierające zaledwie cztery reszty aminokwasowe, zapewniają sieć wiązań wodorowych, która może pośredniczyć w przenoszeniu elektronów z niezwykle wysoką wydajnością. Praca ta nie tylko zmienia spojrzenie na projektowanie cząsteczek, w których zachodzi przeniesienie elektronu, ale także sugeruje motywy strukturalne pośredniczące w transmisji elektronów w białkach - podsumowuje prof. Gryko.

 

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, Ludwika Tomala, fot. R. Orłowski et al., PNAS 2021