Mariano Venanzi venanzi@uniroma2.it

1. Il tempo delle molecole Mariano Venanzi venanzi@uniroma2.it

2. L'atomo di Idrogeno: un protone, un elettrone.... mP=1,6726231 × 10-24 g me=9,10  × 10-28 g Atomo di Idrogeno In prima approssimazione, i protoni sono considerati fermi durante il moto degli elettroni (Approssimazione di Born-Oppenheimer).

3. Secondo Bohr: = 5,291·10-9cm = 0,53Å

4. Velocità di percorrenza di un orbita 1s: Tempo di percorrenza di un orbita 1s: Per un atomo di Ferro (PM=55.8, Z=26): v = Z·vH=5.7·109cm·s-1

5. Transizioni elettroniche Ovvero: quanto tempo ci mette un elettrone per saltare da un’orbita all’altra?

6. Sempre secondo Bohr:

7. L’assorbimento di radiazione è un processo praticamente istantaneo che avviene in tempi dell’ordine dei femtosecondi (10-15 s)! Principio Franck-Condon: I nuclei rimangono fermi durante il tempo necessario per una transizione elettronica!

8. Le molecole in moto 3N moti possibili! 3 2 1 Molecola di Idrogeno

9. Traslazioni m(H2)=3,32 × 10-24 g Molecola di Idrogeno A T=300K: 1s per percorrere una distanza di 2km!

10. Rotazioni Una buona notizia: sopra i 100K possiamo usare la meccanica classica! Molecola di Idrogeno

11. Vibrazioni Una cattiva notizia: È necessario usare una trattazione quantistica! Molecola di Idrogeno

13. O H H H2O Stretching simmetrico O Bending simmetrico H H Più lente a piegarsi, che a stirarsi!

14. Stretching simmetrico O C O Bending simmetrico O C O CO2

15. Un risultato generale: nel tempo di una rotazione avvengono un centinaio di vibrazioni molecolari!

16. Che fine fa l'energia assorbita?

17. Tutto il tempo che ci vuole... • Assorbimento:10-15-10-16 s(transizione Franck-Condon) • 2)Transizioni permessetra stati elettronici (IC):10-12-10-14 s • 3)Rilassamento vibrazionale:10-12-10-13 s • 4) Transizioni proibitetra 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

18. Spettro Infrarosso in fase gassosa

19. Spettro Infrarosso in soluzione

20. 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.

21. 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)=10-13·104≈10-9s La struttura vibrazionale viene conservata anche in soluzione.

22. Processi di rilassamento intramolecolari Rilassamento elettronico (IC = Conversione Interna) Rilassamento vibrazionale

23. Predissociazione

24. Processi radiativi Fluorescenza S1→S0Un processo permesso! Fosforescenza T1→S0Un processo proibito!

25. Fluorescenza

26. Spettro di emissione Antracene

27. Solvatazione

29. H = hexane CH = cyclohexane T = toluene EA = ethyl acetate Bu = butanol DNS = 4-dimethylamino-4’-nitrostilbene

30. Tempo di decadimento Single Photon Counting Decadimento ‘vero’ Decadimento sperimentale Durata dell’ eccitazione

31. L= tempo di rilassamento spettrale D = tempo di rilassamento dielettrico

32. T=20°C Rotazione di molecole di solvente impegnate in legame idrogeno Rotazione di molecole di solvente libere Rotazione di gruppi OH

33. Anisotropia di fluorescenza • La direzione del dipolo di emissione dipende dal tempo di rotazione della molecola.

34. Anisotropia di fluorescenza z I// Sorgente di luce Polarizzatore I// I┴ Polarizzatore Detector Coefficiente di anisotropia

35. z DiPhenylHexatriene   Anisotropia massima Tempo di decadimento Tempo di rotazione Anisotropia misurata

36. Quanto ci mette una proteina a ruotare?

37. Anisotropia risolta in tempo

39. Liver Alcohol DeHydrogenase 1=0.17 ns (0.50) 2=3.5ns (0.50)

40. Fluorescence Resonance Energy Transfer D = donatore di energia A = accettore di energia Distanza donatore-accettore

42. Energy Transfer risolto in tempo Misurare la dinamica conformazionale:

43. Protein folding

45. E~0.81 E ~0.37 Oct-Aib-Gly-Leu-Aib-Gly-Gly-Leu-Aib-Gly-Ile-Lol Venanzi et al. ChemBioChem (2008)

46. Aggregazione di peptidi amiloidi

47. Tempi caratteristici dei moti di biomolecole

48. Un viaggio dai femtosecondi ai secondi: 15 ordini di grandezza Se questo seminario è durato un’ora, 1015 ore equivalgono a 100 miliardi di anni. Non sarò stato così noioso!