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.