Jediný elektronový malý skok zakončuje reakci na "molekulární opalovací krém"

Coldplay - Hymn For The Weekend (Official Video) (Červen 2019).

Anonim

V experimentech na laboratoři SLAC v laboratoři ministerstva energetiky byli vědci schopni vidět první krok procesu, který chrání stavební blok DNA z tyminu před poškozením slunečním zářením: Když je zasažen ultrafialovým světlem, jediný elektron přejde do mírně vyššího obíhá kolem jádra jediného atomu kyslíku.

Tento nekonečný skok vyústí v odpověď, která rozkládá jeden z tyminových chemických vazeb a znovu ji upevní na místo, vytvářející vibrace, které neškodně rozptýlí energii přicházejícího ultrafialového světla, takže nezpůsobují mutace.

Technika používaná k pozorování tohoto malého spínače na SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS) s rentgenovým elektronovým laserem může být aplikována na téměř jakoukoli organickou molekulu, která reaguje na světlo - ať už je to světlo dobrá věc, jako při fotosyntéze nebo lidské vidění nebo špatnou věc, jako u rakoviny kůže, uvedli vědci. Popisují studie v Nature Communications dnes.

"Všechny tyto organické molekuly citlivé na světlo mají tendenci absorbovat světlo v ultrafialovém záření. A to je důvod, proč máte slunění, ale také proto, že vaše plastová oční skla nabízejí určitou ochranu proti UV záření, " řekl Phil Bucksbaum, profesor na SLAC a Stanfordské univerzitě a ředitel Stanfordského Institutu PULSE ve společnosti SLAC. "Tyto efekty můžete dokonce vidět i v plastovém nábytku na trávníku - po několika ročních obdobích se může stát křehkou a zbarvenou jednoduše díky skutečnosti, že plast absorboval ultrafialové světlo po celou dobu a způsob, jakým absorbuje slunce, má za následek poškození jeho chemické vazby. "

Chytání elektronů v akci

Tymín a další tři stavební bloky DNA silně absorbují ultrafialové světlo, které může vyvolat mutace a rakovinu kůže, přesto se zdá, že tyto molekuly s minimálními škodami. V roce 2014 tým pod vedením Markuse Guera - tehdejšího vědeckého pracovníka společnosti SLAC a nyní na fakultě Univerzity v Potsdamu v Německu - uvedl, že našli odpověď: Roztáhnutí jediného pouta a následné ztráty energie vibrací, ke kterým došlo po 200 femtosekundách, nebo miliontiny miliardtiny sekundy po vystavení UV záření.

Ale co způsobilo, že dluhopis se protáhl? Tým věděl, že odpověď musí zahrnovat elektrony, které jsou zodpovědné za formování, změnu a rozbíjení vazeb mezi atomy. Takže vymysleli důmyslný způsob, jak zachytit specifické pohyby elektronů, které vyvolávají ochrannou odezvu.

Spoléhal na skutečnost, že elektrony neorodují jádro atomu v čistých soustředných kruzích, jako jsou planety obíhající slunce, ale spíše v rozmazaných mracích, které mají jiný tvar v závislosti na tom, jak daleko jsou z jádra. Některé z těchto orbitálů jsou ve skutečnosti podobné fuzzy sféře; jiné vypadají trochu jako barbells nebo začátek balónového zvířete. Zde můžete vidět příklady.

Silný signál by mohl vyřešit dlouhotrvající debatu

Pro tento nový experiment vědci udeřili tymínové molekuly pulsem UV laserového světla a vyladili energii rentgenových laserových impulzů LCLS, takže by se doma na reakci atomu kyslíku, který je na jednom konci protažení, pouto.

Energie z ultrafialového záření vzrušila jeden z atomových elektronů, aby se dostal do vyšší orbitální sítě. To zanechalo atom v jakémsi špatném stavu, kdy jen trochu více energie povzbudilo druhý elektron do vyšší orbitální; a že druhý skok je to, co odrazuje ochrannou odezvu, změnou tvaru molekuly jen tak, aby natáhla vazbu.

První skok, o kterém bylo známo, že se stalo, je obtížné zjistit, protože elektron přejde do poměrně rozptýleného oběžného oblaku, řekl Guehr. Ale druhá, která se nikdy předtím nepozorovala, byla mnohem snadněji viditelná, protože tento elektron skončil v oběžné dráze s výrazným tvarem, který vydal velký signál.

"Přestože se jednalo o velmi malé elektronové hnutí, na nás v experimentu vyskočil signál, " řekl Guehr. "Vždycky jsem měl pocit, že by to byl silný přechod, jen intuitivně, ale když jsme to viděli, byl to zvláštní okamžik, jeden z nejlepších okamžiků, kdy může experimentátor mít."

Usazení dlouhotrvající debaty

Vedoucí studie Thomas Wolf, vědecký pracovník SLAC, řekl, že výsledky by měly vyřešit dlouhotrvající debatu o tom, jak dlouho po expozici ultrafialovým zářením zasahuje ochranná reakce: Stává se 60 světelných bodů po UV záření. Tato doba je důležitá, řekl, protože čím déle atom tráví ve špičce mezi prvním skokem a druhým skokem, tím je pravděpodobnější, že podstoupí nějakou reakci, která by mohla molekulu poškodit.

Henrik Koch, teoretik v NTNU v Norsku, který byl v té době hostujícím profesorem v Stanfordu, vedl studii s Guehem. Vedl snahu modelovat, porozumět a interpretovat, co se stalo v experimentu, a podílel se na něm v neobvyklé míře, řekl Guehr.

"Má extrémní zkušenosti s aplikací teorie na vývoj metodologie a měl tuhle zvědavost, že to uvedl do našeho experimentu, " řekl Guehr. "Tento výzkum byl tak fascinován tím, že udělal něco zcela netradičního teoretika - přišel do LCLS do kontrolní místnosti a chtěl vidět data, která přicházejí. Bylo to úplně úžasné a velmi motivující. že některé z mých předchozích myšlenek byly naprosto správné, ale jiné aspekty byly úplně špatné a Henrik udělal správnou teorii na správné úrovni, abychom se z ní mohli naučit. "

menu
menu