I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum hanno sviluppato un nuovo metodo per determinare un valore di pH locale vicino a un sito specifico di una biomolecola. Una misurazione affidabile con un pHmetro è possibile solo in un insieme più ampio, o massa omogenea. La nuova procedura, che si basa sulla spettroscopia terahertz, è descritto dal team di Resolv sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale , pubblicato online in anticipo il 6 novembre 2020.

Durante i lavori hanno collaborato i team della Cattedra di Chimica Fisica II guidata dalla Professoressa Martina Havenith e dalla Cattedra di Chimica Teorica guidata dal Professor Dominik Marx. "C'è una maggiore evidenza che le reazioni biologiche non dipendono tanto dalle proprietà chimiche globali di una soluzione, ma piuttosto che le condizioni locali nelle immediate vicinanze di un enzima sono cruciali, " dice Martina Havenith. Questo include, Per esempio, il valore del pH o lo stato di carica locale.

"È importante per noi essere in grado non solo di misurare queste proprietà locali, ma anche di calcolare in modo predittivo, ad esempio, se vogliamo ottimizzare le condizioni di solvatazione per l'utilizzo di enzimi come biocatalizzatori, "dice Dominik Marx.

Test con l'aminoacido glicina

Gli scienziati hanno lavorato con una soluzione dell'aminoacido glicina. Ha due gruppi funzionali che possono raccogliere o rilasciare protoni. L'acido può quindi essere presente in diversi stati di protonazione, che può essere variato variando il pH della soluzione.

I chimici hanno esaminato le soluzioni di glicina utilizzando la spettroscopia terahertz (THz). Usano la radiazione trasmessa nella frequenza THz nella soluzione, che assorbe parte della radiazione. I ricercatori presentano il modello di assorbimento in un determinato intervallo di frequenza sotto forma di spettro. Allo stesso tempo, simulano anche gli spettri THz di queste soluzioni acquose per diverse condizioni di pH.

Spettri diversi a seconda del valore del pH

Gli spettri differivano significativamente a seconda dello stato di protonazione della glicina. I due gruppi hanno studiato perché questo fosse il caso utilizzando complesse simulazioni al computer, chiamate simulazioni ab initio di dinamica molecolare. Questo metodo consente ai ricercatori di assegnare determinate aree di uno spettro, chiamate bande, ai movimenti di diversi legami nella molecola. In questo modo, hanno mostrato come i diversi stati di protonazione si riflettessero nello spettro. Mentre la glicina deprotonata (pH elevato) non provoca quasi nessun assorbimento in questa parte dello spettro terahertz, la glicina protonata (pH basso) produce bande di assorbimento chiaramente visibili. Lo spettro di uno stato intermedio, la glicina zwitterion (pH neutro), era nel mezzo. I ricercatori hanno così ottenuto una sorta di impronta digitale della protonazione, misurato in funzione del pH. Hanno mostrato che l'intensità dello spettro nell'intervallo da 0 a 15 terahertz è correlata al pH.

In ulteriori esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che il metodo funziona anche per altre biomolecole, cioè l'aminoacido valina e per piccoli peptidi. "Nel futuro, questa scoperta fondamentale ci aprirà nuove opportunità per determinare in modo non invasivo stati di carica locali sulla superficie delle biomolecole, " riassume Martina Havenith.