Il tempo delle molecole

Presentazione sul tema: "Il tempo delle molecole"— Transcript della presentazione:

1 Il tempo delle molecole
Mariano Venanzi

2 L'atomo di Idrogeno: un protone, un elettrone....
mP=1, × g me=9,10  × g Atomo di Idrogeno In prima approssimazione, i protoni sono considerati fermi durante il moto degli elettroni (Approssimazione di Born-Oppenheimer).

3 Secondo Bohr: = 5,291·10-9cm = 0,53Å

4 v = Z·vH=5.7·109cm·s-1 Velocità di percorrenza di un orbita 1s:
Tempo di percorrenza di un orbita 1s: Per un atomo di Ferro (PM=55.8, Z=26): v = Z·vH=5.7·109cm·s-1

5 Transizioni elettroniche
Ovvero: quanto tempo ci mette un elettrone per saltare da un’orbita all’altra?

6 Sempre secondo Bohr:

7 L’assorbimento di radiazione è un processo praticamente istantaneo che avviene in tempi dell’ordine dei femtosecondi (10-15 s)! Principio Franck-Condon: I nuclei rimangono fermi durante il tempo necessario per una transizione elettronica!

8 Le molecole in moto 3N moti possibili! 3 2 1 Molecola di Idrogeno

9 Traslazioni m(H2)=3,32 × 10-24 g Molecola di Idrogeno A T=300K:
1s per percorrere una distanza di 2km!

10 Rotazioni Una buona notizia:
sopra i 100K possiamo usare la meccanica classica! Molecola di Idrogeno

11 Vibrazioni Una cattiva notizia:
È necessario usare una trattazione quantistica! Molecola di Idrogeno

12 molecola k(Nm-1)  ν(Hz) (fs) HF 966 0.95 1.24·1014 8 CO 1902 6.86 6.51·1013 15 NO 1595 7.47 5.71·1013 17.5 ICl 238 27.4 1.15·1013 87

13 H2O O H Stretching simmetrico O Bending simmetrico H H
Più lente a piegarsi, che a stirarsi!

14 CO2 O C Stretching simmetrico Bending simmetrico

15 Un risultato generale: nel tempo di una rotazione avvengono un centinaio di vibrazioni molecolari!

16 Che fine fa l'energia assorbita?

17 Tutto il tempo che ci vuole...
Assorbimento: s (transizione Franck-Condon) 2) Transizioni permesse tra stati elettronici (IC): s 3) Rilassamento vibrazionale: s 4) Transizioni proibite tra stati elettronici (ISC): s 5) Fluorescenza (emissione di radiazione permessa): s 6) Fosforescenza (emissione di radiazione proibita): s

18 Spettro Infrarosso in fase gassosa

19 Spettro Infrarosso in soluzione

20 Processi di rilassamento intermolecolari
collisioni In fase gassosa: 1010 urti al secondo, 1 ogni 100 ps In soluzione: 1013 urti al secondo, 1 ogni 100 fs Tutte le collisioni sono in grado di trasferire energia rotazionale, ma solo 1 su 104 riesce a trasferire energia vibrazionale.

21 stati rotazionali stati vibrazionali
La struttura rotazionale non viene perturbata allo stato gassoso, ma è completamente persa per collisione in soluzione. stati vibrazionali (Tempo di collisione)·(efficienza di trasferimento)=10-13·104≈10-9s La struttura vibrazionale viene conservata anche in soluzione.

22 Processi di rilassamento intramolecolari
Rilassamento elettronico (IC = Conversione Interna) Rilassamento vibrazionale

23 Predissociazione

24 Processi radiativi Fluorescenza Fosforescenza
S1→S0 Un processo permesso! Fosforescenza T1→S0 Un processo proibito!

25 Fluorescenza

26 Spettro di emissione Antracene

27 Solvatazione

28

29 H = hexane CH = cyclohexane T = toluene EA = ethyl acetate Bu = butanol DNS = 4-dimethylamino-4’-nitrostilbene

30 Tempo di decadimento Single Photon Counting Decadimento ‘vero’
sperimentale Durata dell’ eccitazione

31 L = tempo di rilassamento spettrale
D = tempo di rilassamento dielettrico solvent T(°C) D(ps) L(ps) H2O 25 8.3 0.4 CH3OH 19 60 8.2 EtOH 90 12.4 n-PropOH 320 59 -20 1300 340 Glycerol 12 39 - -70 1100

32 solvente D1(ps) D2(ps) D3(ps) CH3OH 52 13 1.4 EtOH 191 16 1.6 n-PropOH 430 22 2 T=20°C Rotazione di molecole di solvente impegnate in legame idrogeno Rotazione di molecole di solvente libere Rotazione di gruppi OH

33 Anisotropia di fluorescenza
• La direzione del dipolo di emissione dipende dal tempo di rotazione della molecola.

34 Anisotropia di fluorescenza
Sorgente di luce Polarizzatore I// I┴ Polarizzatore Detector Coefficiente di anisotropia

35  z DiPhenylHexatriene  Anisotropia massima Tempo di decadimento
Tempo di rotazione Anisotropia misurata

36 Tempo di rotazione (ns)
Quanto ci mette una proteina a ruotare? Proteina Peso Molecolare Tempo di rotazione (ns) Apomyoglobin 17,000 8.3 -Lactogl. (monomer) 18,400 8.5 Trypsin 25,000 12.9 Chymotripsin 15.1 Carbonic Anhidrase 30,000 11.2 -Lactogl. (dimer) 36,000 20.3 Apoperoxidase 40,000 25.2 Serum albumin 66,000 41.7

37 Anisotropia risolta in tempo

38

39 Liver Alcohol DeHydrogenase 1=0.17 ns (0.50) 2=3.5ns (0.50)

40 Fluorescence Resonance Energy Transfer
D = donatore di energia A = accettore di energia Distanza donatore-accettore

41

42 Energy Transfer risolto in tempo
Misurare la dinamica conformazionale:

43 Protein folding

44

45 Oct-Aib-Gly-Leu-Aib-Gly-Gly-Leu-Aib-Gly-Ile-Lol
Venanzi et al. ChemBioChem (2008)

46 Aggregazione di peptidi amiloidi

47 Tempi caratteristici dei moti di biomolecole
Vibrazioni di atomi legati fs Moto delle basi nucleiche 10fs – 1ps Global stretching (DNA) ps Global twisting (DNA) Vibrazioni di regioni globulari ps Sugar puckering (acidi nucleici) 1ps - 1ns Rotazioni di catene laterali di residui esterni ps Moti torsionali di residui interni 10ps - 1 ns Moti relativi di domini proteici 10ps -100 ns Piegamenti globali (acidi nucleici) 100ps-100ns Rotazioni di catene laterali di residui interni 0.1ms-1s Transizioni allosteriche 10μs-1s Denaturazione locale 10μs-10s

48 15 ordini di grandezza Un viaggio dai femtosecondi ai secondi:
Se questo seminario è durato un’ora, 1015 ore equivalgono a 100 miliardi di anni. Non sarò stato così noioso!