15 mei 2009
Water helpt proton transport een handje
Een proton kan zich razendsnel door water bewegen. Onderzoekers van
het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben
aangetoond dat een verrassend groot aantal van ongeveer twintig
watermoleculen betrokken is bij proton transport, en dat er twee
soorten watermoleculen zijn die het proton bij dit proces assisteren.
Tot nu toe was niet bekend hoeveel watermoleculen het transport
hielpen en welke rol de verschillende watermoleculen hierbij spelen.
Proton transport is essentieel voor de energiehuishouding in (levende)
cellen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 15 mei 2009 in
het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Het mechanisme waarmee protonen door water bewegen.
vergroten Figuur 1. Het mechanisme waarmee protonen door water
bewegen.
Waterstofbruggen (gestippelde lijnen) worden omgezet in covalente
bindingen (dichte lijnen). Wit is een waterstofatoom en rood een
zuurstofatoom.
Figuur 2. Proton transport
vergroten Figuur 2. Proton transport
Proton transport, waarbij het hydronium ion (een water molecuul met
een extra proton, H O+) is omringd door drie sterk gebonden water
moleculen. Reorganisatie van de vele omringende water moleculen helpt
het transport een handje.
Proton overdracht in waterige systemen is een wijdverbreid en
belangrijk proces, dat de basis vormt voor de generatie en opslag van
energie in levende organismen en ten grondslag ligt aan de werking van
brandstofcellen. Protonen in water zijn uiterst mobiel - vele malen
mobieler dan gewone ionen. Dit is een gevolg van het feit dat proton
transport in water niet door gewone diffusie plaatsvindt, maar door
een proces waarbij waterstofbruggen tussen watermoleculen worden
omgezet in covalente bindingen, en vice versa (zie figuur 1 en filmpje
1). Het is dus niet het proton zelf dat wordt verplaatst: alleen de
lading van het proton wordt getransporteerd, en niet zijn massa. De
lading wordt als het ware doorgegeven van watermolecuul op
watermolecuul.
Proton transport is dus gebaseerd op een subtiel samenspel tussen het
proton en de omringende watermoleculen. Een belangrijke vraag is
hoevéél watermoleculen er precies betrokken zijn bij de overdracht van
het proton. Uit theoretische studies blijkt dat niet alleen de directe
buren van het proton een rol spelen bij het proton transport, maar ook
een aantal watermoleculen daarbuiten. Hoeveel watermoleculen dat zijn
en wat precies de rol is van deze moleculen was echter nog niet
bekend.
Onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij en collega's hebben dit nu opgehelderd
door met een zeer korte (ongeveer één picoseconde) electrische puls
(Terahertz puls) te onderzoeken hoe de aanwezigheid van protonen in
water de reorganisatie van watermoleculen beïnvloedt. Deze
experimenten maken gebruik van het feit dat in het watermolecuul het
zuurstofatoom een beetje negatief, en de waterstofatomen een beetje
positief geladen zijn: water heeft een groot dipoolmoment. Water
moleculen zijn daardoor gevoelig voor een extern opgelegd elektrisch
veld. Voor de watermoleculen die wisselwerken met het proton zal
gelden dat ze het extern opgelegde veld (de Terahertz puls) minder
goed kunnen volgen, omdat het proton de (re-)oriëntatie van water
sterk beïnvloedt.
Dat bleek inderdaad het geval: de meetresultaten laten zien dat er per
proton zo'n twintigtal watermoleculen het externe veld niet kunnen
volgen. Van deze twintig moleculen blijken er vier sterk gebonden aan
het proton: het proton is aanwezig als hydronium ion (een
watermolecuul met een extra proton, H O+), dat omringd is door drie
sterk gebonden watermoleculen. In de proton overdracht neemt één van
die drie watermoleculen de lading van het proton over. Dit proces
vereist de reoriëntatie en herschikking van de watermoleculen eromheen
omdat het nieuwe hydronium ion ook weer omringd moet zijn door drie
watermoleculen. Uit de metingen blijkt dat er zo'n vijftien
watermoleculen zijn die zichzelf opnieuw moeten rangschikken om proton
overdracht mogelijk te maken (zie figuur 2 en filmpje 2). Zo zijn er
dus twee rollen te verdelen voor de water moleculen in de omgeving van
het proton.
Een vervolgvraag dient zich onmiddelijk aan: wat gebeurt er met de
snelheid en het mechanisme van proton overdracht als er geen twintig
water moleculen in de buurt zijn of beschikbaar zijn? Dit is
bijvoorbeeld het geval in de porie van een membraan of als de naburige
watermoleculen in hun beweging worden gehinderd door de aanwezigheid
van andere moleculen of ionen. Op grond van de huidige resultaten is
te verwachten dat voor deze systemen proton overdracht òf veel
langzamer zal zijn òf via een ander mechanisme zal verlopen. Tielrooij
en zijn collega's zijn dit nu verder aan het bestuderen.
Referentie:
Structure and dynamics of the proton in liquid water probed with
Terahertz time-domain spectroscopy, Klaas-Jan Tielrooij, Rutger
Timmer, Huib Bakker en Mischa Bonn, Physical Review Letters, 15 Mei
2009. (http://prl.aps.org)
Voor de redactie:
Meer informatie bij Klaas-Jan Tielrooij, telefoon 020 - 608 12 25 of
06 14 79 76 37 of prof.dr. Mischa Bonn, telefoon 020 - 608 12 34.
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Melissa Breedijk