Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Instytut Chemii Fizycznej
Polskiej Akademii Nauk
adres:
tel.:
fax/tel.:
email:
WWW:
ul. Kasprzaka 44/52
01-224 Warszawa
+48 22 3432000
+48 22 3433333, 6325276
[email protected]
http://www.ichf.edu.pl/
Warszawa, 21 grudnia 2010
Więcej da się zrobić szybciej i łatwiej niż mniej – w świecie kwantów
W świecie zjawisk kwantowych nic nie jest oczywiste. Już kilka lat temu
w Instytucie Chemii Fizycznej PAN odkryto zaskakujący fakt: dwa atomy wodoru
w centralnej części cząsteczki porficenu przemieszczają się łatwiej i szybciej razem
niż każdy z osobna. Dopiero teraz naukowcom udało się znaleźć odpowiedź
na pytanie, dlaczego tak się dzieje. Otrzymane wyniki mają nie tylko znaczenie
poznawcze, ale również mogą zostać użyte w nowoczesnych terapiach
medycznych, w tym do zwalczania nowotworów.
W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie od kilkunastu lat bada się pochodne
porfiryny, substancji obecnej m.in. w ludzkiej krwi. Jedną z nich jest porficen C 20H14N4. Cząsteczki
tego związku mają postać płaskiego pierścienia węglowego, z atomami wodoru na zewnątrz i
czterema atomami azotu wewnątrz. W pustej przestrzeni w centrum cząsteczki znajdują się dwa
atomy wodoru, ciągle tunelujące między atomami azotu. Pomiary przeprowadzone technikami
opracowanymi w IChF PAN pozwoliły uchwycić te ultraszybkie procesy. Ku zdziwieniu naukowców
okazało się, że oba wewnętrzne atomy wodoru tunelują łatwiej i szybciej, gdy robią to
jednocześnie. „Zakończona niedawno kolejna seria doświadczeń pozwoliła nam opracować model
teoretyczny wyjaśniający istotę tego zaskakującego zjawiska. Przy okazji zidentyfikowaliśmy
odmiany porficenu o właściwościach ważnych w zastosowaniach medycznych” – mówi prof. dr
hab. Jacek Waluk z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Mechanizm tunelowania wyjaśnia, dlaczego obiekty kwantowe potrafią pokonać bariery potencjału
bez konieczności zdobywania energii. „Wyobraźmy sobie, że stoimy przed ścianą. Aby przedostać
się za nią, powinniśmy najpierw zgromadzić energię, która pozwoli wspiąć się na ścianę. Cząstka
kwantowa potrafi jednak po prostu zniknąć po jednej stronie ściany i pojawić się po drugiej” –
opisuje dr Piotr Fita z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
„Już samo pytanie, czy w porficenie tunelują całe atomy wodoru czy same protony, wzbudza wiele
emocji w środowisku naukowym” – mówi prof. Waluk. Atom wodoru składa się z protonu oraz
znajdującego się wokół niego elektronu. Gdy wodór staje się fragmentem cząsteczki, elektron ten
dołącza do jej chmury elektronowej (pełni ona rolę kleju utrzymującego razem jądra atomowe).
Tunelowanie protonu oznaczałoby, że gęstość elektronów w chmurze po zakończeniu procesu
pozostałaby niezmieniona. Gdyby tunelował cały atom wodoru, elektron powinien podążyć za
protonem. „Rzeczywistość zwykle nie jest ani taka, ani taka” – wyjaśnia prof. Waluk. „Gdy proton
tuneluje w cząsteczce, podąża za nim tylko część gęstości elektronu w chmurze”.
Cząsteczka porficenu może drgać na 108 sposobów. Już wcześniej naukowcy z IChF pokazali, że
w zależności od stanu oscylacyjnego cząsteczki, tunelowanie protonów może przebiegać szybciej
lub wolniej. Najnowsze badania eksperymentalne oraz modele teoretyczne wykazały, że gdy
przenosi się jeden proton, energia cząsteczki się zmienia i musi ona odpowiednio zmodyfikować
swoją strukturę, natomiast gdy tunelują dwa protony jednocześnie, energia pozostaje
niezmieniona. Atomy w cząsteczce nie muszą się wówczas reorganizować i tunelowanie staje się
łatwiejsze.
Tunelowanie traktowano początkowo jako zjawisko rzadkie, zdarzające się tylko w wyrafinowanych
warunkach. Dziś dla coraz większej liczby chemików staje się oczywiste, że to proces powszechny,
zachodzący podczas większości – jeśli nie wszystkich – reakcji chemicznych. W podobny sposób
zmienia się podejście biologów. Przypuszcza się, że tunelowanie odgrywa istotną rolę podczas
przenoszenia wodoru w enzymach. Wydaje się przy tym, że nierzadko dochodzi do
synchronicznego tunelowania kilku protonów jednocześnie, co pomaga uniknąć reorganizacji
masywnego szkieletu cząsteczki. Podobny mechanizm może mieć znaczenie przy powstawaniu
mutacji DNA.
W najnowszych doświadczeniach przeprowadzonych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN i na
Wydziale Fizyki UW badano porficen w roztworach. Do śledzenia tunelowania wykorzystano
techniki laserowe pozwalające na pomiary z rozdzielczością czasową dochodzącą do 50
femtosekund (1 fs = 10-15 s, czyli jedna biliardowa część sekundy). Wykazano, że zachowanie
wodoru tunelującego w porficenie ma istotny wpływ na czas trwania fluorescencji, czyli emisji
światła przez wzbudzoną cząsteczkę. W temperaturze pokojowej w roztworach o dużej lepkości
fluorescencja wydłużała się nawet tysiąckrotnie: z pikosekund (1 ps = 10 -12 s) do nanosekund (1 ns
= 10-9 s).
Wzbudzona cząsteczka porficenu mogłaby służyć za sondę do pomiaru lepkości w mikro- i
nanoskali. Odpowiednio użyta, pozwalałaby obserwować wybrane części komórek oraz wykrywać
ich pewne stany chorobowe. Z uwagi na silną zależność własności utleniających od lepkości
roztworu, opisane przez naukowców z IChF PAN odmiany porfiryny otwierają także interesujące
możliwości w selektywnym niszczeniu komórek nowotworowych za pomocą terapii
fotodynamicznych.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych
instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii
fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład
Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie
i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.
KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:
prof. dr hab. Jacek Waluk
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 3433332
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ichf.edu.pl/
Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
http://www.ichf.edu.pl/press/
Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
IChF101221b_fot01s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221b_fot01.jpg
Dr hab. Jacek Dobkowski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie przy aparaturze pomiarowej używanej do badania
tunelowania wodoru w porficenie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
IChF101221b_fot02s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221b_fot02.jpg
Schemat cząsteczki porficenu. Gdy dwa atomy wodoru w centrum tunelują jednocześnie między dolnymi i górnymi atomami azotu,
proces zachodzi szybciej i łatwiej niż podczas tunelowania jednego wodoru. (Źródło: IChF PAN)
MATERIAŁY FILMOWE:
IChF101221c_mov01s.jpg
FILM: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221c_mov01.gif
Wizualizacja jednego ze stanów oscylacyjnych porficenu. Podczas drgań odległość między atomami azotu (niebieskie) na dole i górze
może się zmniejszyć, co sprzyja jednoczesnemu tunelowaniu obu atomów wodoru (białe, w centrum). (Źródło: IChF PAN)