Flujos de energía biológica, como en la fotosíntesis y la respiración, dependen de la transferencia de electrones de una molécula a otra. A pesar de su importancia para mantener la vida, factores que gobiernan la tasa de transferencia de electrones, especialmente en largas distancias, no se entienden bien porque los sistemas que median estos procesos ultrarrápidos son muy complejos. Una mejor comprensión de las tasas de transferencia de electrones ayudaría a los científicos a mejorar las transformaciones químicas, conversión de energía, dispositivos electrónicos, y tecnologías fotónicas.

Ahora, Un equipo internacional de investigadores dirigido por UC Riverside ha observado la transferencia de carga de picosegundos mediada por enlaces de hidrógeno en péptidos. Un picosegundo es una billonésima de segundo. Como análogos de proteínas de cadena corta, bloques de construcción de importancia crucial para los organismos vivos, los péptidos son cadenas de aminoácidos unidos químicamente. El descubrimiento muestra el papel de los enlaces de hidrógeno en la transferencia de electrones. Los resultados se publican en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Valentine Vullev, profesor de bioingeniería en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns de UC Riverside, junto con Daniel Gryko de la Academia de Ciencias de Polonia, y Harry Gray del Instituto de Tecnología de California, dirigió un equipo que descubrió una transferencia de electrones inusualmente ultrarrápida de un donante a una molécula aceptora conectada con enlazadores de oligopéptidos que se extienden hasta 20 enlaces covalentes. La transferencia de electrones suele tardar un microsegundo, o una millonésima de segundo, en péptidos con distancias de enlace pasante tan largas.

Los investigadores se sorprendieron al observar la transferencia de electrones de picosegundos, una tasa 1 millón de veces más rápida que la conocida anteriormente para tales sistemas.

"No debería funcionar, pero lo hace ", Dijo Vullev." La transferencia de carga de picosegundos que observamos contradice la biología estructural, asumiendo la distribución aleatoria esperada de estructuras de las cadenas de péptidos flexibles ".

El equipo eligió moléculas donantes y receptoras unidas por péptidos cortos que descubrieron que en realidad asumen estructuras bien definidas estabilizadas por enlaces de hidrógeno. Un análisis más detallado reveló que los enlaces de hidrógeno dentro de cada molécula acercaban al donante y al aceptor en una arquitectura molecular en forma de escorpión. permitiendo la transferencia de electrones de picosegundos.

"Este diseño revolucionario demuestra que los péptidos cortos no solo pueden asumir conformaciones secundarias bien definidas cuando se forman con una plantilla de componentes orgánicos, sino que también proporcionan una red de enlaces de hidrógeno que puede mediar la transferencia de electrones con eficiencias inusualmente altas, ", Dijo Vullev." Nuestro trabajo proporciona paradigmas sin precedentes para el diseño y desarrollo de vías de transferencia de carga a lo largo de puentes flexibles, así como información sobre motivos estructurales para mediar la transferencia de electrones en proteínas ".

Los hallazgos podrían conducir a avances en el almacenamiento de energía, así como estimular el desarrollo de componentes electrónicos orgánicos que utilicen polímeros conductores en lugar de minerales conductores.

"Uno de los aspectos más emocionantes y satisfactorios de trabajar en nuestro grupo es estar a la vanguardia de tales descubrimientos y observar estos espectaculares resultados, "dijo el coautor John Clark, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Vullev que hizo mediciones fotoquímicas para la investigación.

El papel, "Papel de los enlaces de hidrógeno intramoleculares en la promoción del flujo de electrones a través de conjugados de aminoácidos y oligopéptidos, "