Forskare vid Ruhr-Universität Bochum har utvecklat en ny metod för att bestämma ett lokalt pH-värde nära en specifik plats för en biomolekyl. En tillförlitlig mätning med en pH-mätare är endast möjlig i en större ensemble, eller homogen bulk. Det nya förfarandet, som är baserad på terahertz-spektroskopi, beskrivs av teamet från Resolv i journalen Angewandte Chemie International Edition , publiceras online i förväg den 6 november 2020.
Teamen från ordföranden för fysikalisk kemi II under ledning av professor Martina Havenith och från ordföranden för teoretisk kemi ledd av professor Dominik Marx samarbetade under arbetet. "Det finns ökade bevis för att biologiska reaktioner inte beror så mycket på de globala kemiska egenskaperna hos en lösning utan snarare att de lokala förhållandena i omedelbar närhet av ett enzym är avgörande, " säger Martina Havenith. Detta inkluderar, till exempel, pH-värdet eller det lokala laddningstillståndet.
"Det är viktigt för oss att inte bara kunna mäta dessa lokala egenskaper utan också att beräkna prediktivt - till exempel, om vi vill optimera solvatiseringsförhållandena för att använda enzymer som biokatalysatorer, säger Dominik Marx.
Tester med aminosyran glycin
Forskarna arbetade med en lösning av aminosyran glycin. Den har två funktionella grupper som kan plocka upp eller släppa ut protoner. Syran kan därför finnas i olika protonationstillstånd, som kan varieras genom att ändra lösningens pH.
Kemisterna undersökte glycinlösningar med terahertz (THz) spektroskopi. De använder sändningsstrålning i THz-frekvensen i lösningen, som absorberar en del av strålningen. Forskarna presenterar absorptionsmönstret i ett givet frekvensområde i form av ett spektrum. På samma gång, de simulerar också THz-spektra för dessa vattenlösningar för olika pH-förhållanden.
Olika spektra beroende på pH-värde
Spektran skilde sig signifikant beroende på protonationstillståndet för glycin. De två grupperna undersökte varför detta var fallet med hjälp av komplexa datorsimuleringar, kallade ab initio molekyldynamiksimuleringar. Den här metoden gör det möjligt för forskare att tilldela vissa områden i ett spektrum – kallade band – till rörelserna av olika bindningar i molekylen. På det här sättet, de visade hur de olika protonationstillstånden återspeglades i spektrumet. Medan deprotonerat glycin (högt pH) orsakar nästan ingen absorption i denna del av terahertzspektrumet, protonerat glycin (lågt pH) ger tydligt synliga absorptionsband. Spektrum av ett mellantillstånd, glycin zwitterjon (neutralt pH), var mitt emellan. Forskarna fick alltså ett slags fingeravtryck av protonation, mätt som en funktion av pH. De visade att intensiteten av spektrumet i intervallet 0 till 15 terahertz korrelerar med pH.
I ytterligare experiment, forskarna visade att metoden även fungerar för andra biomolekyler, dvs aminosyran valin och för små peptider. "I framtiden, detta grundläggande fynd kommer att öppna upp nya möjligheter för oss att icke-invasivt bestämma lokala laddningstillstånd på ytan av biomolekyler, " sammanfattar Martina Havenith.
