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(00153) 06.06.2001 10:04

Protonen beim Tanzen zugeschaut ...


Bochum, 06.06.2001
Nr. 154

Protonen beim Tanzen zugeschaut ...
„ab initio“-Simulation berücksichtigt alle Quanteneffekte
RUB-Chemiker untersuchen Protonentransfer im „Virtuellen
Labor“


Mit Hilfe eines neuen aufwändigen Computerprogramms ist es
nun möglich, den Protonentransfer im Computer - im
virtuellen Labor - zu simulieren und beobachten. Gelungen
ist dies kürzlich Prof. Dr. Dominik Marx (Lehrstuhl für
Theoretische Chemie der RUB) in Zusammenarbeit mit Prof.
Mark E. Tuckerman (Department of Chemistry and Courant
Institute of Mathematical Sciences, New York University).
Sie berücksichtigen bei ihrer Simulation des Moleküls
Malonaldehyd auch Quanteneffekte von „Schweratomen“, die
normalerweise zur Vereinfachung der Simulation
vernachlässigt werden. Die Ergebnisse wurden vor wenigen
Tagen (Montag, 21.5.2001) veröffentlicht: Physical Review
Letters, Volume 86, issue 21, page 4946-4949, 21. 2001.

Bild im Internet

Zu dieser Presseinformation gibt es ein Bild zum
Herunterladen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressemitteilungen/ (heutiges
Datum)

Große Bedeutung für Biologie, Medizin und
Materialwissenschaft

Mit den neuen Berechnungsmethoden könnten in Zukunft auch
größere Moleküle ab initio simuliert werden. So könnte man
z.B. biologisch relevante Prozesse wie den Protonentransfer
durch Proteinkanäle untersuchen. Der Transfer von Protonen
(Wasserstoffatome ohne Elektron) hat in so verschiedenen
Gebieten wie der Materialwissenschaft (Brennstoffzellen),
der Biophysik (Protonenpumpen) und der Biochemie
(Enzymkatalyse) große Bedeutung.

Simulation „ab initio“

Für die Simulation von Malonaldehyd wurde der Computer nur
mit den physikalischen Grunddaten der beteiligten Atome
„gefüttert“, man nennt dies „ab initio“-Simulation. Um die
physikalischen Eigenschaften möglichst genau zu
„beschreiben“, kombinierten die Wissenschaftler zwei sehr
verschiedene Formeln numerisch: Wellenfunktionen nach
Schrödinger und Pfadintegrale nach Feynman. Dieser Trick
macht die quantenmechanische Berechnung komplexer chemischer
Probleme überhaupt erst möglich. Aber schon bei einem so
kleinen Molekül wie Malonaldehyd ist der Aufwand für solche
Untersuchungen immens und nur auf Supercomputern –
insbesondere Parallelrechnern – durchführbar.

Nicht nur das Proton tanzt

Das Ergebnis dieser aufwändigen Berechnung „tanzt“ im
Internet unter
http://www.theochem.ruhr-uni-bochum.de/go/malon.html. Beim
Protonentransfer bewegt sich nicht nur das Proton – das
gesamte Molekül ist fortwährend in Bewegung. Die Abbildung
(siehe Bild im Netz ) zeigt ein „Standbild“ der Simulation
der Molekülbewegungen zusammen mit der Elektronenstruktur
(blaue Wolken). Malonaldehyd besteht aus drei
Kohlenstoffatomen (schwarz), drei am Protonentransfer nicht
beteiligten Wasserstoffen (grau) und zwei Sauerstoffen
(rot), zwischen denen das Proton (gelb) beständig hin und
her wechselt. Auf der Abbildung ist genau der Moment des
Übergangs zwischen den beiden Sauerstoffatomen – also der
Protonentransfer – zu sehen.

Ab durch den Tunnel

Eigentlich ist der Bereich zwischen den beiden Sauerstoffen
für das Proton eine „verbotene Zone“. Für den Transfer
müsste das Proton eine Energiebarriere - wie einen Berg
-überwinden, das Proton hat aber selbst gar nicht genug
Energie dazu. Für die Bewegung von sehr kleinen Teilchen
(z.B. Elektronen und Protonen) gelten nun aber besondere
Gesetze. Die klassische Mechanik, die z.B. für die Bewegung
von Planeten gilt, wird hier durch die so genannte
Quantenmechanik abgelöst. Die Simulation berücksichtigt
diese quantenmechanischen Eigenschaften des Protons. Es
gelangt auf die andere Seite des „Energie-Berges“ ohne ihn
zu überwinden. Es benutzt dabei gleichsam einen Tunnel,
dieser quantenmechanische Effekt wird daher als
„Tunneleffekt“ bezeichnet.

Tanzende Umgebung regt an

Prof. Marx und Prof. Tuckerman berücksichtigen in ihren
Berechnungen die Quanteneffekte aber nicht nur für die
kleinen Teilchen, sondern  - und das ist ungewöhnlich und
neu - auch für die schwereren Atome, die das Molekülgerüst
bilden. Dabei stellte sich heraus, dass man ihre so genannte
Nullpunktsbewegung (auch ein quantenmechanischer Effekt)
nicht vernachlässigen kann. Alle Teilchen, auch die schweren
Atome, im Molekül bewegen sich fortlaufend und regen durch
ihre Bewegung das Proton an: Seine Energie erhöht sich.
Durch diesen „Tanz“ des ganzen Moleküls wird der
Protonentransfer noch einmal um den Faktor zwei
beschleunigt.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät
für Chemie, 44780 Bochum, Tel. 0234/32- 28083, Fax:
0234/32-14045, E-Mail:
dominik.marx@theochem.ruhr-uni-bochum.de
http://www.theochem.ruhr-uni-bochum.de/go/malon.html.




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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 32-22830, -23930
Fax: + 49 234 32-14136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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