Международная группа исследователей впервые детально разобралась, как именно происходит перенос протонов в соединениях фосфорной кислоты — ключевых молекулах, лежащих в основе работы всех живых организмов. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry A (JPCA).

Почему это важно

Фосфорная кислота и её производные присутствуют практически во всех биологических процессах: они входят в состав ДНК, РНК, клеточных мембран и молекулы АТФ — главного «энергетического валютного» клетки. Именно перенос протонов через эти соединения обеспечивает обмен веществ, генерацию энергии и передачу сигналов между клетками. Учёные называют этот процесс «протонной магистралью природы».

До сих пор механизм переноса оставался не до конца понятным на молекулярном уровне.

Как проводили эксперимент

Учёные из Института Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин), Лейпцигского университета и их американских коллег сосредоточились на ключевой структуре — отрицательно заряженном димере фосфорной кислоты H₃PO₄·H₂PO₄⁻. Именно эта структура, по предположениям, запускает «протонный шаттл» — процесс, при котором протоны не движутся свободно, а «перепрыгивают» по цепочке водородных связей между молекулами.

Эксперимент был проведён в экстремальных условиях: молекулу охладили почти до абсолютного нуля — до 0,37 Кельвина. При такой температуре тепловые колебания практически исчезают, что позволяет с высокой точностью изучать структуру вещества с помощью инфракрасной спектроскопии.

Полученные экспериментальные данные сопоставили с результатами квантово-химических расчётов.

Неожиданный результат

Теоретические модели предсказывали существование двух равновероятных конфигураций димера. Однако эксперимент показал только одну устойчивую структуру. Она представляет собой жёсткую систему из трёх водородных связей, объединённых общим атомом кислорода. Внутри этой структуры существуют энергетические барьеры, которые регулируют движение протонов.

Что это даёт науке и технологиям

Понимание точного механизма «протонной магистрали» открывает новые возможности:

  • Для разработки более эффективных материалов с высокой протонной проводимостью (протонопроводящие мембраны для топливных элементов и аккумуляторов нового поколения);
  • Для более глубокого понимания биоэнергетики живых клеток;
  • Для создания искусственных систем, имитирующих работу природных «энергетических магистралей».

Вкратце

Учёные впервые экспериментально подтвердили, как именно происходит перенос протонов в соединениях фосфорной кислоты — ключевых молекулах живых систем. Исследование показало, что перенос идёт по механизму «протонного шаттла» через строго определённую структуру димера с тремя водородными связями. Эксперимент проводился при сверхнизкой температуре (0,37 К), что позволило исключить тепловые помехи. Полученные результаты помогут разработать более эффективные топливные элементы и лучше понять фундаментальные процессы в клетках. Работа опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry A.