Δεσμός υδρογόνου:Από τα βιολογικά συστήματα στο διαστρικό μέσο
Οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις είναι πολύ ζωτικής σημασίας για την αποσαφήνιση της δομής και των ιδιοτήτων πολλών βιολογικών μορίων όπως το νερό, το DNA, οι πρωτεΐνες κ.λπ. Είναι ενσωματωμένα σε χημικά και βιολογικά συστήματα από τη φύση τους.
Λόγω της σπουδαιότητάς τους, είναι καλά μελετημένα και κατανοητά ως ένα βαθμό. Μερικές από αυτές τις αλληλεπιδράσεις είναι κρίσιμες για τη διατήρηση της τρισδιάστατης δομής μεγάλων μορίων όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα. Επιτρέπουν σε ένα μεγάλο μόριο να συνδέεται ειδικά αλλά παροδικά με ένα άλλο, καθιστώντας τα έτσι τη βάση πολλών δυναμικών βιολογικών διεργασιών.
Μεταξύ των διαφορετικών διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, ο δεσμός υδρογόνου είναι καλά αναγνωρισμένος, μελετημένος και κατανοητός σε μεγάλο βαθμό λόγω της συντριπτικής επίδρασής του σε διαφορετικά συστήματα και φαινόμενα. Ο δεσμός υδρογόνου υπογραμμίζει τις χημικές και βιολογικές ιδιότητες του νερού. Λειτουργεί ως σταθεροποιητική δύναμη στα μακρομόρια. Η ομάδα εργασιών IUPAC όρισε τον δεσμό υδρογόνου ως « Ο δεσμός υδρογόνου είναι μια ελκυστική αλληλεπίδραση μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου από ένα μόριο ή ένα μοριακό θραύσμα X–H στο οποίο το Χ είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το Η, και ένα άτομο ή μια ομάδα ατόμων στο ίδιο ή διαφορετικό μόριο, στα οποία υπάρχουν ενδείξεις σχηματισμού δεσμού. ”
Άλλες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις που έχουν ταυτοποιηθεί περιλαμβάνουν δεσμούς αλογόνου, δεσμούς λιθίου, δεσμούς χαλκογόνου, αγωστικούς δεσμούς, δεσμούς πνικογόνου και δεσμούς άνθρακα. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν επίσης το σχεδιασμό του φαρμάκου, την κρυσταλλικότητα και το σχεδιασμό των υλικών, ιδιαίτερα με την αυτοσυναρμολόγηση και τη σύνθεση πολλών οργανικών μορίων. Το αν υπάρχει επίσης δεσμός υδρογόνου και παίζει ρόλο στη διαστρική χημεία θα φανεί σε αυτήν την εργασία
Η σημασία της χημείας στο διαστρικό μέσο (ISM) δεν μπορεί να υπερτονιστεί. Το ISM δεν είναι απλώς ένα ανοιχτό κενό διάστικτο με αστέρια, πλανήτες και άλλους ουράνιους σχηματισμούς όπως θεωρείται στη λαϊκή αντίληψη. μάλλον αποτελείται από ένα παράξενο μείγμα τόσο γνωστών μορίων όπως νερό, αμμωνία κ.λπ., και μεγάλο αριθμό εξωτικών μορίων όπως ρίζες, αλυσίδες ακετυλενικού άνθρακα, εξαιρετικά δραστικά κατιονικά και ανιονικά είδη, καρβένια και υψηλά μοριακά ισομερή που είναι τόσο άγνωστο στο επίγειο εργαστήριο που οι χημικοί και οι αστρονόμοι τα έχουν χαρακτηρίσει «μη επίγεια». Αυτά τα μόρια χρησιμεύουν ως ανιχνευτές αστροφυσικών φαινομένων.
Όσο σημαντικά κι αν είναι αυτά τα μόρια, δεν είναι γνωστά πολλά για το πώς σχηματίζονται υπό τις συνθήκες (χαμηλή θερμοκρασία και χαμηλή πυκνότητα) στο διαστρικό μέσο. Ως αποτέλεσμα αυτής της πρόκλησης, δεν υπάρχει σχεδόν συναίνεση ως προς το πώς σχηματίζονται τα περισσότερα από αυτά τα μόρια. Μεταξύ των γνωστών διαστρικών μοριακών ειδών υπάρχουν ορισμένα κοινά χημικά χαρακτηριστικά, όπως η ισομέρεια, η διαδοχική προσθήκη υδρογόνου, η κυριαρχία των ειδών που περιέχουν άνθρακα και οι περιοδικές τάσεις. Τα χαρακτηριστικά χρησιμεύουν για δείκτες διαφήμισης για το πώς σχηματίζονται αυτά τα μόρια στο ISM. Από αυτά τα χαρακτηριστικά, η ισομέρεια φαίνεται να είναι η πιο έντονη καθώς περίπου το 40% όλων των γνωστών διαστρικών μορίων έχουν ισομερή αντίστοιχα (με εξαίρεση τα διατομικά είδη, έναν αριθμό κορεσμένων ειδών με υδρογόνο και άλλα ειδικά είδη όπως το C3 , C5 , τα οποία δεν μπορούν να σχηματίσουν ισομερή).
Σε προηγούμενες μελέτες μας, ενώ προσπαθούσαμε να απαντήσουμε στο ερώτημα, "Γιατί ορισμένα σχετικά μοριακά είδη παρατηρούνται στον διαστρικό χώρο και άλλα όχι;" δείξαμε ότι υπάρχει μια σχέση μεταξύ της ενέργειας, της σταθερότητας και της αφθονίας (ESA) που επηρεάζει την αστρονομική παρατήρηση ορισμένων σχετικών μοριακών ειδών σε βάρος άλλων. Αυτή η σχέση ESA αποδείχθηκε ότι υπάρχει σε είδη ισομερών, γραμμικές διαστρικές αλυσίδες άνθρακα μεταξύ άλλων. Ωστόσο, μερικές αποκλίσεις παρατηρήσαμε στη σχέση ESA.
Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στην επιφάνεια των διαστρικών κόκκων σκόνης είναι οι κυρίαρχες διεργασίες που βοηθούν στο σχηματισμό διαστρικών μορίων. Τα μόρια του νερού αποτελούν περίπου το 70% του διαστρικού πάγου. Αυτά τα μόρια νερού χρησιμεύουν επίσης ως πλατφόρμα για δεσμούς υδρογόνου.
Η παρούσα μελέτη αναφέρει την πρώτη εκτενή μελέτη της ύπαρξης και των επιπτώσεων των διαστρικών δεσμών υδρογόνου. Οι ενέργειες δέσμευσης των συμπλοκών με δεσμούς υδρογόνου των διαστρικών μορίων με το μονομερές νερού που λαμβάνονται από υψηλού επιπέδου κβαντικές χημικές προσομοιώσεις δείχνουν μια άμεση σχέση μεταξύ των ενεργειών δέσμευσης ορισμένων ειδών (των οποίων ο σχηματισμός ελέγχεται κυρίως από τις αντιδράσεις της φάσης πάγου) και της διαστρικής αφθονίας των μορίων. Από τη σχέση, όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια δέσμευσης του διαστρικού μορίου που συνδέεται με το νερό, τόσο μικρότερη είναι η διαστρική αφθονία του σε σύγκριση με τα αντίστοιχα με χαμηλότερες ενέργειες δέσμευσης. Αυτό συμβαίνει επειδή όσο πιο ισχυρό είναι το μόριο που συνδέεται με την επιφάνεια των διαστρικών κόκκων σκόνης. τόσο περισσότερο ένα μεγαλύτερο τμήμα της συνδέεται με την επιφάνεια των κόκκων διαστρικής σκόνης, μειώνοντας έτσι την αφθονία της αέριας φάσης. Τα διαθέσιμα δεδομένα διαστρικών παρατηρήσεων το επιβεβαιώνουν. Οι διαστρικοί δεσμοί υδρογόνου ευθύνονται για τις αποκλίσεις από τις θερμοδυναμικά ελεγχόμενες διεργασίες (σχέση ESA), την καθυστέρηση στην ανίχνευση των πιο σταθερών ισομερών των οποίων τα λιγότερο σταθερά αντίστοιχα έχουν ανιχνευθεί, τη δυσκολία στην παρατήρηση αμινοξέων (π.χ. γλυκίνη).
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Interstellar hydrogen bonding, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advances in Space Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Emmanuel E. Etim από το Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο Wukari, Prasanta Gorai, Ankan Das και Sandip K. Chakrabarti από το Ινδικό Κέντρο Διαστημικής Φυσικής και Elangannan Arunan από το Ινστιτούτο Επιστημών της Ινδίας Bangalore.
