Prosím čekejte...
Nepřihlášený uživatel
Nacházíte se: VŠCHT Praha  → Ozářená voda plná radikálů
iduzel: 5737
idvazba: 6492
šablona: stranka
čas: 12.11.2019 10:04:02
verze: 4621
uzivatel:
remoteAPIs:
branch: trunk
Obnovit | RAW

Ozářená voda plná radikálů

Výzkum  vzešlý ze spolupráce vědců z VŠCHT Praha a z berlínského Helmholtzova centra pro materiály a energie odhalil vznik neočekávaných radikálů ve vodě působením rentgenového záření. Tyto radikály vznikají prostřednictvím doposud nepoznaného děje, kterým se voda zbavuje přebytečné energie. Objevený děj vrhá nové světlo na mechanismus poškození biologických molekul ionizujícím zářením.  Výzkum by mohl vést k vývoji molekulárních „bomb“ určených k likvidaci nádorů.

Jedním z prvních objektů, na které nechal Wilhelm Conrad Röntgen působit své nově objevené paprsky X, byla jeho manželka. Röntgen v té chvíli nevěděl, jak moc jsou tyto paprsky pro živé organismy nebezpečné. Foton rentgenového záření má totiž ohromnou energii a z molekul dokáže vyrazit i vnitřní elektron, tedy elektron pohybující se v blízkosti atomového jádra. Následuje kaskáda dějů, které v organismech vedou až k rozpadu základních biologických molekul, jako jsou nukleové kyseliny. O podstatě toxicity rentgenového záření se ale i po více než 100 letech ví poměrně málo. Tým doc. Petra Slavíčka z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze v úzké spolupráci s laboratoří dr. Bernda Wintera z berlínského synchrotronu nyní objevil doposud neznámý děj iniciovaný ve vodě rentgenovými paprsky. Výsledky jejich výzkumu byly otištěny v červencovém čísle prestižního časopisu Nature Chemistry.

Biologické molekuly jsou ionizujícím zářením poškozovány hlavně prostřednictvím vody. V ozářené vodě se vytváří řada radikálů a jiných reaktivních částic, které potom útočí na okolní molekuly. „Rentgenové fotony samozřejmě vyrážejí elektrony ze všech molekul, ale člověk je ze dvou třetin voda a ta jich proto schytá nejvíce,“ říká doc. Slavíček. Základní otázku je, jakým způsobem se molekula vody zbaví gigantické energie, kterou ji dodá rentgenový foton. Laboratoř dr. Wintera je jedním z mála míst, kde je možné účinky ionizujícího záření na kapalnou vodu sledovat na molekulární úrovni. „Potřebujete k tomu totiž synchrotron a také musíte umět z vody vytáhnout vznikající elektrony. Bernd Winter vyvíjí techniku kapalných mikrotrysek, díky které to zvládne,“ doplňuje Petr Slavíček. Měření na berlínském synchrotronu ukázala na výrazné rozdíly mezi běžnou vodou a vodou těžkou, ve které je jeden z vodíků nahrazen deuteriem (těžkým vodíkem, který má v atomovém jádře kromě protonu i jeden neutron). Petr Slavíček se svým kolegou dr. Milanem Ončákem pak na základě kvantově-mechanických simulací ukázali, že v kapalné vodě dochází po vyražení vnitřního elektronu k extrémně rychlé výměně protonů mezi sousedními molekulami vody. Tato výměna je rychlejší u vody normální než u vody těžké. Přebytečnou energii odnese elektron, který je vypuzen z fragmentu, který z molekuly vody vzniknul odštěpením protonu.

Výsledky jsou to dosti překvapivé. Až do nedávné doby se totiž předpokládalo, že molekula obsahující velké množství energie vzniklá po ozáření Rentgenovým zářením se přebytečné energie zbavuje sama. Práce německo-českého týmu naproti tomu ukazuje, že sousední molekuly vody si mezi sebou vyměňují energii, náboj i atomy. Děje se tak s neuvěřitelnou rychlostí několika femtosekund (1 femtosekunda je 10-15 s, tedy miliontina miliardtiny sekundy). Výsledkem je vznik jiných reaktivních částic, než se doposud přepokládalo. Tyto částice pak reagují s biologicky významnými molekulami a ničí je.

Výsledky mohou mít i praktické využití. „Pokud ovládneme přenos energie mezi sousedními molekulami, můžeme „odpálit“ energetickou nálož v blízkosti struktur, které chceme zničit, například rakovinných buněk,“ naznačuje doc. Slavíček. Rentgenové záření je pro „dálkové ovládání odpalu“ velmi vhodné, snadno totiž proniká tkáněmi a přitom je možné působit selektivně na jednotlivé atomy. Není to ale jediná aplikace, z inženýrského hlediska je porozumění účinkům Rentgenového záření na vodu důležité například k pochopení fungování jaderných elektráren za provozních podmínek.  

Původní práce:  
On the Nature and Origin of a Reactive Molecular Species Formed in Liquid Water upon X-ray Irradiation S. Thürmer, M. Ončák, N. Ottosson, R. Seidel, U. Hergenhahn, S. E. Bradforth, P. Slavíček*, B. Winter*, 5, 590 (2013).

O autorech:('
Doc. Petr Slavíček působí na katedře fyzikální chemie a na Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v.v.i. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK. Po několikaletém postdoktorandském působení ve Spojených státech (University of Illinois) založil v roce 2006 na VŠCHT Praha vlastní pracovní skupinu. Zaměřuje se na teorii chemické struktury a reaktivity, se zvláštním zaměřením na děje vyvolané světlem. Kromě své vědecké a pedagogické práce se věnuje také popularizaci chemie a podílí se na organizaci chemických olympiád na národní i mezinárodní úrovni. Dr. Milan Ončák absolvoval v roce 2013 na VŠCHT Praha doktorské studium fyzikální chemie. V současné době působí na Humboldtově univerzitě v Berlíně ve skupině prof. Joachima Sauera, kde se věnuje katalýze a výzkumu nových materiálů.

Obrázky:

Bez názvu_1.png

Obr. 1: Rentgenový foton vyrazí elektron z molekuly vody (fáze 1). Vyražením se okamžitě spustí přenos protonu k sousední molekule vody za vzniku radikálu OH ve vysoce vzbuzeném stavu a kationtu H3O+ (fáze 2). Krátce poté dochází k vyzáření druhého elektronu, kterým se odnese přebytečná energie (fáze 3). Atomy kyslíku jsou zobrazeny červenou barvou, atomy vodík šedivou.

Bez_n__zvu_1.png
  

Bez_n__zvu_3.png
Obr 2: Detekovat elektrony vzniklé po ozáření vody je možné díky technice kapalných mikrotrysek vyvíjené v laboratoři dr. Wintera. Tenký paprsek kapaliny je vstřikován do vakua, kde se po krátké chvíli mění v led. Mezitím je možné měřit elektrony vzniklé ozářením kapalné vody. Ultra-vysoké vakuum je pro měření nezbytné, za normálních podmínek by totiž byla většina elektronů zachycena při srážkách s molekulami vody ve vodní páře. Foto: Bernd Winter.

Aktualizováno: 19.9.2014 11:26, Autor:

VŠCHT Praha
Technická 5
166 28 Praha 6 – Dejvice
IČO: 60461373
DIČ: CZ60461373

Datová schránka: sp4j9ch

Copyright VŠCHT Praha
Za informace odpovídá Oddělení komunikace, technický správce Výpočetní centrum

VŠCHT Praha
na sociálních sítích
zobrazit plnou verzi