Mariano Venanzi

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Il tempo delle molecole
Mariano Venanzi venanzi_at_uniroma2.it
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L'atomo di Idrogeno un protone, un elettrone....
mP1,6726231 10-24 g me9,10  10-28 g
Atomo di Idrogeno
In prima approssimazione, i protoni sono
considerati fermi durante il moto degli elettroni
(Approssimazione di Born-Oppenheimer).
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Secondo Bohr
5,29110-9cm 0,53Å
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Velocità di percorrenza di un orbita 1s
Tempo di percorrenza di un orbita 1s
Per un atomo di Ferro (PM55.8, Z26)
v ZvH5.7109cms-1
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Transizioni elettroniche
Ovvero quanto tempo ci mette un elettrone per
saltare da unorbita allaltra?
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Sempre secondo Bohr
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Lassorbimento di radiazione è un processo
praticamente istantaneo che avviene in tempi
dellordine dei femtosecondi (10-15 s)!
Principio Franck-Condon I nuclei rimangono
fermi durante il tempo necessario per una
transizione elettronica!
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Le molecole in moto
3N moti possibili!
3
2
1
Molecola di Idrogeno
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Traslazioni
m(H2)3,32 10-24 g
Molecola di Idrogeno
A T300K
1s per percorrere una distanza di 2km!
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Rotazioni
Una buona notizia sopra i 100K possiamo usare
la meccanica classica!
Molecola di Idrogeno
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Vibrazioni
Una cattiva notizia È necessario usare una
trattazione quantistica!
Molecola di Idrogeno
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molecola k(Nm-1) ? ?(Hz) ?(fs)
HF 966 0.95 1.241014 8
CO 1902 6.86 6.511013 15
NO 1595 7.47 5.711013 17.5
ICl 238 27.4 1.151013 87
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H2O
Stretching simmetrico
O
Bending simmetrico
H
H
Più lente a piegarsi, che a stirarsi!
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CO2
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Un risultato generale nel tempo di una rotazione
avvengono un centinaio di vibrazioni molecolari!
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Che fine fa l'energia assorbita?
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Tutto il tempo che ci vuole...

• Assorbimento 10-15-10-16 s (transizione
  Franck-Condon)
• 2) Transizioni permesse tra stati elettronici
  (IC) 10-12-10-14 s
• 3) Rilassamento vibrazionale 10-12-10-13 s
• 4) Transizioni proibite tra stati elettronici
  (ISC) 10-7-10-8 s
• 5) Fluorescenza (emissione di radiazione
  permessa) 10-10-10-8 s
• 6) Fosforescenza (emissione di radiazione
  proibita) 10-3-10-1 s

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Spettro Infrarosso in fase gassosa
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Spettro Infrarosso in soluzione
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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.
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stati rotazionali
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)10-1310410-9s
La struttura vibrazionale viene conservata anche
in soluzione.
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Processi di rilassamento intramolecolari
Rilassamento elettronico
(IC Conversione Interna)
Rilassamento vibrazionale
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Predissociazione
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Processi radiativi
Fluorescenza
S1?S0 Un processo permesso!
Fosforescenza
T1?S0 Un processo proibito!
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Fluorescenza
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Spettro di emissione
Antracene
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Solvatazione
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(No Transcript)
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H hexane CH cyclohexane T toluene EA
ethyl acetate Bu butanol
DNS 4-dimethylamino-4-nitrostilbene
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Tempo di decadimento
Single Photon Counting
Decadimento vero
Decadimento sperimentale
Durata dell eccitazione
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?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 19 90 12.4
n-PropOH 19 320 59
-20 1300 340
Glycerol 12 39 -
-70 1100 -
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solvente ?D1(ps) ?D2(ps) ?D3(ps)
CH3OH 52 13 1.4
EtOH 191 16 1.6
n-PropOH 430 22 2
T20C
Rotazione di molecole di solvente impegnate in
legame idrogeno
Rotazione di molecole di solvente libere
Rotazione di gruppi OH
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Anisotropia di fluorescenza
La direzione del dipolo di emissione
dipende dal tempo di rotazione della molecola.
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Anisotropia di fluorescenza
z
I//
Sorgente di luce
Polarizzatore
I//
I-
Polarizzatore
Detector
Coefficiente di anisotropia
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Anisotropia massima
Tempo di decadimento
Tempo di rotazione
Anisotropia misurata
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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 25,000 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
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Anisotropia risolta in tempo
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(No Transcript)
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Liver Alcohol DeHydrogenase
?10.17 ns (0.50) ?23.5ns (0.50)
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Fluorescence Resonance Energy Transfer
D donatore di energia A accettore
di energia
Distanza donatore-accettore
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(No Transcript)
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Energy Transfer risolto in tempo
Misurare la dinamica conformazionale
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Protein folding
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(No Transcript)
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Oct-Aib-Gly-Leu-Aib-Gly-Gly-Leu-Aib-Gly-Ile-Lol
Venanzi et al. ChemBioChem (2008)
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Aggregazione di peptidi amiloidi
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Tempi caratteristici dei moti di biomolecole
Vibrazioni di atomi legati 10 - 100 fs
Moto delle basi nucleiche 10fs 1ps
Global stretching (DNA) 0.1 - 10 ps
Global twisting (DNA) 0.1 - 10 ps
Vibrazioni di regioni globulari 1 - 10 ps
Sugar puckering (acidi nucleici) 1ps - 1ns
Rotazioni di catene laterali di residui esterni 10 - 100 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
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Un viaggio dai femtosecondi ai secondi
15 ordini di grandezza
Se questo seminario è durato unora, 1015 ore
equivalgono a 100 miliardi di anni.
Non sarò stato così noioso!