В зависимости от силы притяжения, оказываемого на связь между двумя атомами серы, механизм реакции, который расщепляет связь, изменяется. «Это было ранее неизвестно, и это особенно делает правильную интерпретацию экспериментальных данных намного более сложной, чем предполагалось», — говорит Доминик Маркс.Дисульфидные связи под напряжениемДисульфидные связи встречаются, например, в белках. Они удерживают их в определенных структурных положениях, а также служат переключателем биологических процессов.
Если они находятся в щелочном водном растворе и его нагревают, запускается следующая химическая реакция: гидроксид-ион (ОН-) атакует дисульфидную связь, образует новую связь с одним из атомов серы и, таким образом, разрывает связь. Ученые называют этот механизм щелочным гидролизом в воде.
Исследователи из Бохума исследовали, что происходит, когда серная связь также подвергается растягивающему напряжению. Они провели компьютерное моделирование соответствующей молекулы в водном растворе и фактически потянули за оба конца связи. «Такие механохимические процессы на самом деле происходят при небольших силах в клетках, или они используются для переработки старой резины», — объясняет Маркс.
Роль воды решающаяПри моделировании этих процессов было решающим, что роль окружающей воды принималась во внимание правильно. Ион гидроксида, который атакует дисульфидную связь, окружен слоем молекул воды, который сложным образом изменяется в ходе атаки.
Обычно теоретики используют методы, которые резко упрощают воздействие окружающей воды, чтобы уменьшить требуемые вычислительные усилия. Однако для реалистичного моделирования процессов воду необходимо вычислять квантово-механически, как и все другие молекулы.
Только тогда моделирование обеспечивает правильный поток энергии реакции в водном растворе.Огромные вычислительные усилияКлючом к успеху было особенно обширное компьютерное моделирование, так называемое ab-initio молекулярно-динамическое моделирование. «Они действительно требуют огромных вычислительных усилий», — объясняет Маркс. Им управлял один из самых быстрых компьютеров в Европе — компьютер IBM Blue Gene / Q "Juqueen" в суперкомпьютерном центре Julich Research Center.
Расчеты стали возможными благодаря крупному проекту Gauss Center for Supercomputing.Жестокая физика победила тонкую химию«Хотя сложные химические процессы происходят при увеличении растягивающего напряжения, что-то довольно простое происходит при максимальной силе», — объясняет Доминик Маркс.
Если на связь действует сильное натяжение, например сила в два наноньютона, щелочной гидролиз связи сера-сера больше не происходит. Вместо этого просто разрывается связь между одним из атомов серы и соседним атомом углерода.
Или, как резюмирует Маркс в некотором преувеличении: «Когда правит грубая сила, жестокая физика побеждает тонкую химию».