Stichting FOM
21 mei 2010, 2010/17
Zouten zetten water vast
Als positief en negatief geladen zoutionen samenwerken, kunnen ze
watermoleculen sterk beïnvloeden. Onderzoekers van het FOM-instituut
AMOLF in Amsterdam hebben met femtoseconde (1 fs = 10-15 s)
lasertechnieken onderzocht hoe de dynamica van water beïnvloed wordt
door de aanwezigheid van ionen. Ondanks de essentiële rol van ionen op
water bij vele processen, zoals het functioneren van eiwitten, was tot
nu toe niet duidelijk wat deze invloed inhield en hoe ver deze reikte.
De onderzoekers publiceren hun resultaten op 20 mei 2010 in Science.
Figuur 1. Watermoleculen rondom een cation
vergroten Figuur 1. Watermoleculen rondom een cation
De dipoolassen van de watermoleculen wijzen radiaal weg van het
positief geladen ion. Reorientatie rondom de dipoolas leidt tot een
propellorachtige beweging: semi-rigide hydratatie.
Figuur 2: Watermoleculen rondom een anion
vergroten Figuur 2: Watermoleculen rondom een anion
Eén OH-groep van elk watermolecuul wijst naar het negatief geladen ion.
Reorientatie rondom de OH-as leidt tot een propellorachtige beweging:
semi-rigide hydratatie.
Figuur 3. Gezamenlijk effect
vergroten Figuur 3. Gezamenlijk effect
Door een gezamenlijk effect van cationen en anionen kan een groot
aantal watermoleculen als het ware vastgezet worden (neem voor een
grotere versie (5100x5100 pixels) van figuur 3 contact op met
erik.min@fom.nl, 030 6001 221).
Zowel het aardoppervlak als het menselijk lichaam bestaan voor het
grootste deel uit water, maar dat water komt zelden in zuivere vorm
voor. Over het algemeen bevat het opgeloste zouten, zoals bijvoorbeeld
keukenzout (NaCl). Deze zouten splitsen zich in positief (Na+) en
negatief (Cl-) geladen ionen. Bekend was dat de ionen effect hebben op
de dynamica en structuur van de watermoleculen waardoor ze worden
omgeven, maar er bestond nog steeds veel onduidelijkheid over de
grootte en reikwijdte van dit effect. Door twee ultrasnelle optische
meettechnieken te combineren - in een samenwerking van de
onderzoekgroepen van Huib Bakker en Mischa Bonn - is nu duidelijk
geworden op welke manier en hoe ver ionen de hun omringende
watermoleculen beïnvloeden.
Een watermolecuul (H2O) bestaat uit een licht negatief geladen
zuurstofatoom tussen twee licht positief geladen waterstofatomen. Door
dit ladingsverschil oriënteren watermoleculen zich anders rond positief
geladen ionen (cationen) dan rond negatief geladen ionen (anionen). Bij
cationen wijst het zuurstofatoom van een watermolecuul naar het ion
(zie figuur 1); bij anionen richt één van de twee OH-groepen van het
watermolecuul zich naar het ion en vormt een waterstofbrug (zie figuur
2). Deze interacties tussen het watermolecuul en het ion beïnvloeden de
beweeglijkheid van het watermolecuul, wat van belang is voor processen
die in het water plaatsvinden, zoals bijvoorbeeld (bio)chemische
reacties of conformatieveranderingen van eiwitten.
De onderzoekers hebben met speciale femtoseconde (1 fs = 10-15 s)
lasertechnieken gemeten hoe snel watermoleculen in verschillende
zoutoplossingen kunnen draaien (reoriënteren). Deze reoriëntatie vindt
plaats op picoseconde tijdschaal (1 ps = 10-12 s). Door twee technieken
te combineren die gevoelig zijn voor de reoriëntatie langs
verschillende assen van het watermolecuul - de p (dipool)-as en de m
(OH groep)-as - werd een compleet beeld van het effect van ionen op de
waterdynamica verkregen. Waar watermoleculen in bulk water alle kanten
op kunnen draaien blijkt dat watermoleculen naast ionen alleen nog maar
rond één specifieke as kunnen draaien (zie figuur 1 en 2).
Watermoleculen naast cationen blijken te draaien als een soort
propellertje rond de p-as, waarbij de twee OH-groepen de rotorbladen
zijn. Naast een anion vindt iets soortgelijks plaats: nu blijft één van
de OH-groepen naar het ion wijzen, terwijl de andere OH-groep het
rotorblad van de propeller vormt. Deze `semi-rigide hydratatie-schil'
van water rond ionen blijft over het algemeen beperkt tot de eerste
schil van watermoleculen rondom een ion. Afhankelijk van de sterkte van
de interactie van het ion met het water, kan het aantal watermoleculen
in de semi-rigide schil oplopen tot zes. Buiten deze schil gedraagt het
water zich zoals in puur water, wat betekent dat de watermoleculen
zowel snel rond de p-as als rond de m-as kunnen draaien.
Een fascinerende waarneming was dat de combinatie van positieve en
negatieve ionen die beide sterk interageren met water, kan leiden tot
een enorme starheid van een groot aantal watermoleculen. De ionen
werken dan samen in het immobiliseren van de draaiing rond beide
vectoren van een watermolecuul. Dit effect blijkt veel verder te reiken
dan alleen de eerste schil van watermoleculen rond ieder afzonderlijk
ion: er ontstaat een uitgestrekte rigide structuur van watermoleculen
tussen de ionen (zie figuur 3). Door deze samenwerking van ionen op
afstand worden dus veel meer watermoleculen dan alleen de eerste schil
beïnvloed, tot wel twintig moleculen.
Het is evident dat dit soort rigide waterstructuren belangrijk zijn
voor bijvoorbeeld chemische reacties in oplossingen van ionen die sterk
interageren met water. Het is ook denkbaar dat een dergelijke
coöperativiteit plaatsvindt tussen ionen (bijvoorbeeld Ca2+) en
tegengesteld geladen functionele groepen in biologische systemen. Het
effect van het ion op de functie van het biomoleculaire systeem vindt
dan mogelijk zijn oorsprong in een gezamenlijk effect van het ion en
het biomolecuul op de structuur en dynamica van de tussenliggende
watermoleculen.
Referentie
Cooperativity in Ion Hydration
K.J. Tielrooij, N. Garcia-Araez, M. Bonn and H.J. Bakker,
Science, 21 May 2010
Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Huib Bakker, telefoon 020 754 71 00 en/of
Klaas-Jan Tielrooij, telefoon 06 14 79 76 37.