• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 06. 2006 | Katrine Meyn

Monte Carlo simulering – fra proteiner til cement

Kemiteknik01. 06. 2006 | Katrine Meyn

Vi har kastet kittel og murerarbejdstøj i ringen, og vil i stor magelighed studere proteiner, cement, DNA og havvand. Kan biomolekyler virkelig beskrives med simple, hårde kugler? Og hvad siger vores kollegaer til sådanne fantasifulde tilnærmelser? Læs mere her, hvor der gives en introduktion til molekylær modellering. 

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6/7, 2006. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Mikael Lund og Bo Jönsson – Teoretisk Kemi, Lunds Universitet

Hvad har proteiner og DNA tilfælles med havvand og cement? Ikke meget, vil nogen måske mene, og der er da ved første øjekast heller ikke mange ligheder. Men ser man lidt nærmere efter, viser det sig, at de deler den samme egenskab, nemlig at de er stærkt ioniske. Og netop ladninger i form af frie ioner og molekyler er uhyre vigtige for de fysiske og kemiske egenskaber. Et synligt eksempel er, når mælk og eddike blandes: pH-sænkningen foranlediger protonering af proteinet kasein, så det går fra at være negativt ladet til omtrent neutralt. Der er nu ikke længere nogen frastødende kraft mellem kaseinmolekylerne, og de udfælder derfor.
Den klassiske teori for ioniske opløsninger blev grundlagt i starten af 1900-tallet. Den nok mest berømte er Debye og Hückels vellykkede teori til beregning af aktivitetskoefficienter. Modellen de anvendte, behandler solventet som strukturløst (et dielektrisk kontinuum), mens ioner antages at være ladede, hårde kugler. Parvekselvirkningsenergien mellem to kugler kan derfor beskrives med Coulombs lov:
hvor z er ladningstallene (valens), r den indbyrdes afstand og e er solventets dielektricitetskonstant. For at beskrive systemets termodynamiske egenskaber skal man summere energierne for alle tænkbare molekylorienteringer og -positioner (mikrotilstande), hvorved den eftertragtede tilstandssum kan skrives som:
Det bliver hurtigt et ubehageligt regnestykke, og for at løse problemet måtte Debye og Hückel ty til både linearisering og middelfeltsteori (Poisson-Boltzmann). Disse tilnærmelser har betydning for opløsninger med multivalente ioner og/eller høj ionstyrke, og Debye-Hückel-teorien er da også kendt for at fejle for sådanne systemer.
I dag er sagen en ganske anden. Tilstandssummen – som er alfa og omega i statistisk mekanik – kan opnås ved at lade en eller mange computere udregne energierne for de utallige partikelkombinationer. For at beskrive en 0.1 M NaCl-opløsning kan man f.eks. tage 200 kugler – halvdelen positivt ladede, resten negative – og lægge dem i en virtuel, kubisk kasse med en sidelængde på 119 Ångstrøm (regn selv efter!) og dielektricitetskonstanten 80, svarende til vand. I en Monte Carlo (MC)-simulering kan mikrotilstandene herefter udforskes ved at udføre tilfældige kugleflytninger. Systemets energi udregnes før og efter hver flytning, og forskellen afgør om gerningen skal godkendes eller forkastes. Udvælgelsesmetoden er snedigt opbygget, så de konfigurationer, der bidrager mest til tilstandssummen (lavest energi), besøges oftere end dem, der giver et ubetydeligt bidrag (høj energi). Efter en stund med sådanne rokeringer opnår systemet termodynamisk ligevægt, og man kan nu – under stadig flytning – påbegynde undersøgelser af både mikro- og makroskopiske egenskaber. Slutresultatet er eksakt for den opsatte model, og simuleringen betegnes populært som et »computereksperiment«.

Havvand og drivhuseffekten
Lad os tage opløsningen af kuldioxid i havvand som et eksempel,
Med tilhørende dissociationskonstanter,
I fortyndede opløsninger, kan alle aktivitetskoefficienter, g sættes til 1, men i havvand er ionstyrken tæt på 1 M og de ovenstående g-brøker er hhv. 0,3 og 0,04. Disse afvigelser har naturligvis betydning for kuldioxids opløselighed i verdenshavene, og det er derfor vigtigt, at klimamodeller inkluderer præcise aktivitetskoefficienter. Sådanne målinger er dog ofte problematiske (T. Pedersen, Dansk Kemi 2000, nr. 9 og 10), og MC-simuleringer kan her hjælpe til [1]. Tabel 1 viser hhv. målte og beregnede middelaktivitetskoefficienter i kunstigt havvand1.

Proteiner som kugler:
Det er nu skitseret, hvordan ioniske opløsninger kan beskrives med kugler i en kasse, men der er ingen grund til at stoppe der. Kuglesystemet kan let bruges til at opbygge større molekyler som proteiner, DNA, miceller og polymerer. Figur 1 viser et billede fra en simulering af et protein i en vandig saltopløsning, hvor målet var at bestemme støkiometriske pKa-værdier for titrerbare residier [2]. Som det ses i figur 2, er titrerkurverne ofte i særdeles god overensstemmelse med det eksperimentelt bestemte resultat.
Der findes mange calciumbindende proteiner i biologiske systemer – et af dem er calbindin D9k, der binder to calciumioner. Bindingsprocessen er grundigt studeret med forskellige spektroskopiske metoder og ved at variere saltkoncentration, salttype og endda ved at mutere aminosyrer i proteinet. Man kan – næsten uden sved på panden – foretage tilsvarende eksperimenter på en computer, og som det fremgår af figur 3 er overensstemmelsen mellem teori og praksis særdeles god. Bemærk at systemet udelukkende er opbygget af små kugler.

Ion-ionkorrelation
Det er også muligt at studere to eller flere proteinmolekyler, hvorved opløsningens stabilitet kan følges under forskellige forhold som pH, saltkoncentration og valens [3]. Det har betydning for protein-krystallografer, som ofte prøver sig frem til de forhold, der giver fine krystaller. Følgende eksempel illustrerer en interessant mekanisme, der kan have stor indflydelse på protein-protein-vekselvirkninger.
Proteinet calbindin har ved pH 7 en ladning på -7, og den vandige opløsning er derfor ganske stabil, da molekylerne frastøder hinanden. Tilsættes NaCl, vil frastødningen gradvist mindskes, men man får ikke et fri energi minimum, der forårsager udfældning. Tilsættes derimod meget små mængder LaCl3, udfælder proteinet straks. Det skyldes ionkorrelationer, som ikke kan studeres med Poisson-Boltzmann-metoder, men kræver en eksplicit beskrivelse af frie ioner. Meget fundamentalt, mindskes energien i et elektroneutralt system (proteiner og modioner) altid, når ladningerne flyttes tættere sammen; elektrostatikken bidrager med en tiltrækkende kraft mellem molekylerne – til trods for at de har samme ladning. Det strider måske mod vanlig intuition, men er helt analogt med en saltkrystal, hvor de skiftende kat- og anioner sørger for gitterenergien. For at neutralisere to calbindinmolekyler kræves enten 14 natrium(I)-ioner eller ca. 5 lanthan(III)-ioner. Disse skal inddrages fra opløsningen, hvilket – da antallet af frihedsgrader mindskes – koster entropi, og de giver derfor et frastødende bidrag til protein-protein-vekselvirkningen. For Na+ er dette bidrag større end den elektriske tiltrækning, og proteinerne frastøder hinanden. For La3+ kræves der tre gange færre partikler, og prisen (entropi) er derfor mindre. Da trivalente ioner samtidig giver anledning til stærke parvekselvirkninger, dominerer den elektrostatiske energi, og proteinerne udfælder (figur 4).

Cement og DNA:
Ionkorrelationer er vigtige for systemer med høj ladning og di- eller trivalente ioner. Til trods for deres umiddelbare forskelle er både DNA og cement gode eksempler på sådanne systemer. DNA er en negativ ladet polymer, og ifølge gængse teorier burde det derfor være stift som en pind. Og det er da også, hvad man observerer, hvis der kun er Na+ til stede. I en biologisk celle findes der dog både tri- og tetravalente kationer (spermidin og spermin), der medfører, at DNA-strengen krøller sig sammen som vist i figur 5. Det er således ionkorrelationer, der gør det muligt at pakke de meget lange DNA-strenge i cellen [4].
Cement har været kendt siden antikken, og bygninger som Pantheon og Pont du Gare fryder den dag i dag vores øjne. Den antikke cement adskiller sig ikke nævneværdigt fra moderne Portlandcement, der har været i brug siden 1800-tallet. Hovedbestanddelen er tricalciumsilicat, som kan opløses i vand under dannelse af en stærk basisk opløsning. Efter en stund er ionkoncentrationen øget tilstrækkelig til at udfælde et andet mineral, calciumsilicathydrat (C-S-H). Udfældningen sker i form af nanostore lameller, der under basiske forhold har en meget høj ladning pga. titrerende silanolgrupper. Da der samtidig forefindes calciumioner, leder ionkorrelationer til en tiltrækkende vekselvirkning mellem de højt ladede C-S-H-lameller [5]. At simuleringerne virkelig formår at beskrive cementkohesionen, bevises i figur 6.
1) En vandig opløsning indeholdende de vigtigste komponenter af havvand (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl- og SO42-). Aktivitetskoefficienter for andre species antages udelukkende at afhænge af disse »hovedingredienser«.

Referencer:
1. Lund, M., Jönsson B. og Pedersen, T., Marine Chemistry 80, 95-101 (2003).
2. Lund, M. og Jönsson, B. Biochemistry 44, 5722-5727 (2005).
3. Lund, M. og Jönsson, B. Biophysical Journal 85, 2940-2947 (2003).
4. Khan, M. O., Melkinov, S. M., Jönsson, B. Macromolecules 32, 8836-8840 (1999).
5. Jönsson, B., Wennerström, H., Nonat, A., Cabane, B. Langmuir 20, 6702-6709 (2004)

Tabel 1. Middelaktivitetskoefficienter for en række salte i havvand. Salinitet: 35 promille.

Figur 1. Monte Carlo-simulering af et protein i en saltopløsning, hvor alle atomer og ioner er beskrevet med kugler.

Figur 2. Titreringskurve for ribonuclease A.

Figur 3. Målte og simulerede skift i Ca2+-bindingskonstanter til calbindin D9k ved forskellige pH, saltkoncentrationer og proteinmuteringer.

Figur 4. Ændring i fri energi som funktion af afstand mellem to calbindinmolekyler ved pH 7 og med hhv. mono- og trivalente modioner.

Figur 5. Simuleret DNA-streng med hhv. monovalente (venstre) og trivalente (højre) modioner.

Figur 6. Målt (venstre) og simuleret (højre) kraft mellem cementpartikler ved forskellige pH.

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

BranchenytMedicinalkemiOrganisk kemiTop12. 10. 2026

Nogle molekyler, såsom aminosyrer, findes i to varianter, der er hinandens spejlbilleder. Levende organismer indeholder imidlertid kun det ene af disse spejlbilleder. Hvordan en sådan kemisk asymmetri kunne være opstået, har længe været et mysterium for kemikere. Henri B. Kagan og Kenso Soai blev i

Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

AktueltBiologi12. 10. 2026

Alt er anderledes i rummet – også hvordan tarmene fungerer. Forstoppelse er en kendt bivirkning ved rumfart, men indtil nu har man vidst utroligt lidt om, hvorfor det sker. Nu har forskere fra Københavns Universitet i et samarbejde med NASA undersøgt blod fra astronauter og har et bud på, hvorfor

Grundstoffer med kant

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

Thomas Just Sørensen: Universets byggeklodser. 283 sider. Boganmeldelsen er bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Anmeldt af Søren Kiil, professor, DTU Kemiteknik Det periodiske system er kemiens

Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Ny viden og avanceret testning skal sikre mere holdbare og bæredygtige beskyttelsessystemer til fremtidens infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ziyou Li, Joshua

Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi07. 10. 2026

Tekstureret vegetabilsk protein bruges til at fremstille plantebaserede kødanaloger. pH og ionstyrke påvirker proteiners konformation og interaktion med vandmolekyler, så vi satte os for at undersøge, hvordan pH og ionstyrke påvirker rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein. Artiklen har

Hvad skal kalken bruges til?

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Fra en brønd på en jysk mark til borekerner i kælderen under Aarhus Universitet: 55 millioner år gammel vulkansk aske kan måske hjælpe med at gøre CO₂ til sten. Samtidig forsøger dansk industri at vende kalkens gamle kulstofkredsløb på hovedet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og

Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi07. 10. 2026

Ved at udnytte at reaktionen mellem formaldehyd og d-Biotin (et vitamin, og et naturligt forekommende N,N'-dialkylurinstof) er reversibel, kan oligomeriseringsreaktionen guides ved at tilsætte en templat. I dette bidrag forklarer jeg, hvordan dette er blevet udnyttet til at syntetisere makrocykler,

“I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

I dybden med kemi af Lone Brun Jakobsen og Klædt på til skriftlig kemi af Lone Brun Jakobsen m.fl. Begge udgivelser på Nucleus Forlag ApS, 2026, 1. udgave, 1. oplag. Boganmeldelsen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder (læs

Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Hvordan kan nogle af jordskorpens mest almindelige metaller omdanne lys til kemisk energi, og hvilke udfordringer skal løses, før de kan erstatte ruthenium og iridium i fremtidens lysdrevne teknologier? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Kvantekemi gav os evnen til at forstå kemiske processer på atomart niveau. AI gør det nu muligt at anvende denne forståelse på realistiske og komplekse systemer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Holm & Halby

    Autoklave Kørekort i Aarhus – sikker sterilisering i praksis

  • Holm & Halby

    Holm & Halby på Cleanroom EXPO 2026

  • Holm & Halby

    Frysetørringsseminar – få styr på teorien bag den gode proces

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Besøg Busch Vakuumteknik på FoodTech 2026

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Mikrolab – Frisenette overtager aktiviteterne i MD Scientific

  • DENIOS ApS

    Vil du opvarme dine materialer effektivt?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Reduktion af energiomkostninger og forlængelse af vakuumpumpens levetid i fødevarepakning

  • Holm & Halby

    VidensDag’26 hos Holm & Halby

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Tilbud på GreenTips pipettespidser fra nerbe plus

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Forudkonfigurerede R&D-pakker fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions til forenklet opsætning af undersøgelser

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

    12.10.2026

  • Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

    12.10.2026

  • Grundstoffer med kant

    07.10.2026

  • Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

    07.10.2026

  • Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

    07.10.2026

  • Hvad skal kalken bruges til?

    07.10.2026

  • Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

    07.10.2026

  • “I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

    07.10.2026

  • Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

    07.10.2026

  • Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

    07.10.2026

  • Fra elastik til batteri

    07.10.2026

  • Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

    06.10.2026

  • 30 års overvågning viser, at antibiotikaresistens kan presses tilbage

    05.10.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    29.09.2026

  • Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

    29.09.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}