Water helpt protontransport op weg

 Tot nu toe was niet bekend hoeveel watermoleculen het transport hielpen en ook niet wat de functie was van het gewillige water. Protontransport speelt een belangrijke rol bij de energiehuishouding in (levende) cellen.
De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 15 mei in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters. Protonoverdracht in waterige systemen is een wijdverbreid en belangrijk proces, dat de basis vormt voor de generatie en opslag van energie in levende organismen en ten grondslag ligt aan de werking van brandstofcellen. Protonen in water zijn uiterst mobiel – vele malen mobieler dan gewone ionen. Dit is een gevolg van het feit dat protontransport in water niet door gewone diffusie plaatsvindt, maar door een proces waarbij waterstofbruggen tussen watermoleculen worden omgezet in covalente bindingen, en vice versa. Het is dus niet het proton zelf dat verplaatst: alleen de lading van het proton wordt getransporteerd, en niet zijn massa. De watermoleculen geven als het ware de lading door.
Protontransport is dus gebaseerd op een subtiel samenspel tussen het proton en de omringende watermoleculen. Een belangrijke vraag is hoevéél watermoleculen er precies betrokken zijn bij de overdracht van het proton. Uit theoretische studies blijkt dat niet alleen de directe buren van het proton een rol spelen bij het protontransport, maar ook een aantal watermoleculen daarbuiten. Hoeveel watermoleculen dat zijn en wat precies de rol is van deze moleculen was echter nog niet bekend.

Onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij en collega’s hebben dit nu opgehelderd door met een zeer korte (ongeveer één picoseconde) elektrische puls (Terahertz puls) te onderzoeken hoe de aanwezigheid van protonen in water de reorganisatie van watermoleculen beïnvloedt. Deze experimenten maken gebruik van het gegeven dat in het watermolecuul het zuurstofatoom een beetje negatief, en de waterstofatomen een beetje positief geladen zijn: water heeft een groot dipoolmoment. Watermoleculen zijn daardoor gevoelig voor een extern opgelegd elektrisch veld. Voor de watermoleculen die wisselwerken met het proton zal gelden dat ze het extern opgelegde veld (de Terahertz puls) minder goed kunnen volgen, omdat het proton de (her)oriëntatie van water sterk beïnvloedt. Dat bleek inderdaad het geval: de meetresultaten laten zien dat er per proton zo’n twintigtal watermoleculen het externe veld niet kunnen volgen. Van deze twintig moleculen blijken er vier sterk gebonden aan het proton: het proton is aanwezig als hydronium ion (een watermolecuul met een extra proton, H3O+), dat omringd is door drie sterk gebonden watermoleculen. In de protonoverdracht neemt één van die drie watermoleculen de lading van het proton over. Dit proces vereist de heroriëntatie en herschikking van de watermoleculen eromheen omdat het nieuwe hydronium ion ook weer omringd moet zijn door drie watermoleculen.
Uit de metingen blijkt dat er zo’n vijftien watermoleculen zijn die zichzelf opnieuw moeten rangschikken om protonoverdracht mogelijk te maken. Zo zijn er dus twee rollen te verdelen voor de directe buren van het proton.

Een vervolgvraag dient zich onmiddellijk aan: wat gebeurt er met de snelheid en het mechanisme van protonoverdracht als er geen twintig watermoleculen in de buurt zijn of beschikbaar zijn? Dit is bijvoorbeeld het geval in de porie van een membraan of als de naburige watermoleculen in hun beweging worden gehinderd door de aanwezigheid van andere moleculen of ionen. Op grond van de huidige resultaten is te verwachten dat voor deze systemen protonoverdracht òf veel langzamer zal zijn òf via een ander mechanisme zal verlopen. Tielrooij en zijn collega’s zijn dit nu verder aan het bestuderen.

 Referentie
Structure and dynamics of the proton in liquid water probed with Terahertz time-domain spectroscopy, Klaas-Jan Tielrooij, Rutger Timmer, Huib Bakker en Mischa Bonn, Physical Review Letters, 15 Mei 2009. (http://prl.aps.org)