Dwa atomy wodoru w centralnej części cząsteczki porficenu przemieszczają się łatwiej i szybciej razem niż każdy z osobna. Zjawisko to wyjaśnili naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Otrzymane wyniki mogą zostać użyte w nowoczesnych terapiach medycznych, w tym do zwalczania nowotworów. O wyniku badań informuje biuro prasowe instytutu w swoim komunikacie.



Naukowcom z IChF PAN udało się lepiej zrozumieć mechanizm tunelowania atomów wodoru w cząsteczce porficenu. 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" - wyjaśnia dr Piotr Fita z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Naukowcy z IChF PAN tunelowanie analizowali na przykładzie porficenu (C20H14N4), czyli pochodnej porfiryny obecnej m.in. w ludzkiej krwi. Cząsteczki porficenu 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, które nieustannie tunelują między atomami azotu. Pomiary przeprowadzone technikami opracowanymi w IChF PAN pozwoliły uchwycić te ultraszybkie procesy. Okazało się, że oba wewnętrzne atomy wodoru tunelują łatwiej i szybciej, gdy robią to jednocześnie.

Najnowsze badania eksperymentalne oraz modele teoretyczne wykazały, że gdy tunelowany jest jeden proton, energia cząsteczki się zmienia i molekuła musi 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.

W najnowszych doświadczeniach przeprowadzonych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN i na Wydziale Fizyki UW badano porficen w roztworach. Naukowcy wykazali, 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 do -12 s) do nanosekund (1 ns = 10 do -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.

IChF PAN zaznacza, że badacze początkowo traktowali tunelowanie jako zjawisko rzadkie, zdarzające się tylko w trudnych do uzyskania 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. LT

PAP - Nauka w Polsce

krf/bsz