Onderzoekers van Ruhr-Universität Bochum hebben een nieuwe methode ontwikkeld om een ​​lokale pH-waarde te bepalen in de buurt van een specifieke plaats van een biomolecuul. Een betrouwbare meting met een pH-meter is alleen mogelijk geweest in een groter ensemble, of homogene massa. De nieuwe werkwijze, die is gebaseerd op terahertz-spectroscopie, wordt beschreven door het team van Resolv in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie , vooraf online gepubliceerd op 6 november 2020.

De teams van de leerstoel Fysische Chemie II onder leiding van professor Martina Havenith en van de leerstoel Theoretische Chemie onder leiding van professor Dominik Marx werkten samen tijdens het werk. "Er is steeds meer bewijs dat biologische reacties niet zozeer afhangen van de globale chemische eigenschappen van een oplossing, maar eerder dat de lokale omstandigheden in de onmiddellijke nabijheid van een enzym cruciaal zijn, ", zegt Martina Havenith. Dit omvat, bijvoorbeeld, de pH-waarde of lokale ladingstoestand.

"Het is belangrijk voor ons om niet alleen deze lokale eigenschappen te kunnen meten, maar ook om voorspellend te berekenen, bijvoorbeeld als we de solvatatieomstandigheden willen optimaliseren voor het gebruik van enzymen als biokatalysatoren, ", zegt Dominik Marx.

Tests met het aminozuur glycine

De wetenschappers werkten met een oplossing van het aminozuur glycine. Het heeft twee functionele groepen die protonen kunnen opnemen of vrijgeven. Het zuur kan daarom in verschillende protoneringstoestanden aanwezig zijn, die kan worden gevarieerd door de pH van de oplossing te veranderen.

De chemici onderzochten glycine-oplossingen met behulp van terahertz (THz) spectroscopie. Ze gebruiken zendstraling in de THz-frequentie in de oplossing, die een deel van de straling absorbeert. De onderzoekers presenteren het absorptiepatroon in een bepaald frequentiebereik in de vorm van een spectrum. Tegelijkertijd, ze simuleren ook de THz-spectra van deze waterige oplossingen voor verschillende pH-omstandigheden.

Verschillende spectra afhankelijk van pH-waarde

De spectra verschilden aanzienlijk, afhankelijk van de protoneringstoestand van glycine. De twee groepen onderzochten waarom dit het geval was met behulp van complexe computersimulaties, ab initio moleculaire dynamica-simulaties genoemd. Met deze methode kunnen onderzoekers bepaalde gebieden van een spectrum, banden genaamd, toewijzen aan de bewegingen van verschillende bindingen in het molecuul. Op deze manier, ze lieten zien hoe de verschillende protonatietoestanden in het spectrum werden weerspiegeld. Terwijl gedeprotoneerd glycine (hoge pH) bijna geen absorptie veroorzaakt in dit deel van het terahertz-spectrum, geprotoneerde glycine (lage pH) produceert duidelijk zichtbare absorptiebanden. Het spectrum van een tussentoestand, het glycine zwitterion (neutrale pH), zat er tussen. Zo verkregen de onderzoekers een soort vingerafdruk van protonering, gemeten als functie van de pH. Ze toonden aan dat de intensiteit van het spectrum in het bereik van 0 tot 15 terahertz correleert met de pH.

Bij verdere experimenten, de onderzoekers toonden aan dat de methode ook werkt voor andere biomoleculen, d.w.z. het aminozuur valine en voor kleine peptiden. "In de toekomst, deze fundamentele bevinding zal ons nieuwe kansen bieden om op niet-invasieve wijze lokale ladingstoestanden op het oppervlak van biomoleculen te bepalen, ’ vat Martina Havenith samen.