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Publikation im Journal of Physical Chemistry Letters

Der Einschluss der Urea-Urease-Reaktion in ein Vesikel führt zu pH-Oszillationen mit stochastischem Rhythmus

Der Einschluss der Urea-Urease-Reaktion in ein Vesikel führt zu pH-Oszillationen mit stochastischem Rhythmus

Stochastische pH-Wert-Oszillationen treten in der urease-katalysierten Harnstoff-Hydrolyse auf, wenn man die Reaktion in ein Vesikel einschließt. Dieser langsam-schnellen Dynamik liegt ein Grenzzyklus zugrunde, der sich aus einem instabilen Fixpunkt und „canard”-artigem Verhalten ergibt.

News vom 05.10.2021

Die Urea-Urease-Reaktion ist eine chemische Uhr, bei der der pH-Wert von sauer nach basisch umschlägt. Sie kann zu einem pH-Oszillator werden, wenn sie in einem geeigneten offenen Reaktor abläuft. Wir untersuchen numerisch den Einschluss der Reaktion in Lipidvesikel, die den Austausch mit einem externen Reservoir durch differentiellen Transport ermöglichen, was den Rückgang des pH-Wertes ermöglicht und eine konstante Versorgung mit Harnstoffmolekülen gewährleistet. Bei mikroskopisch kleinen Vesikeln erfordert die Diskretheit der Anzahl der Moleküle eine stochastische Behandlung der Reaktionsdynamik. Unsere Analyse zeigt, dass intrinsisches Rauschen zu einer signifikanten statistischen Variation der Oszillationsperiode führt, die mit abnehmender Größe der Vesikel zunimmt. Die mittlere Periode erweist sich jedoch als bemerkenswert robust für Vesikelgrößen bis hin zu etwa 200 nm, jedoch wird die Periodizität des Rhythmus für kleinere Vesikel allmählich zerstört. Die beobachteten Oszillationen werden als ein „canard”-artiger Grenzzyklus erklärt, der sich von der breiten Klasse herkömmlicher Rückkopplungsoszillatoren unterscheidet.

(Übersetzt mit Unterstützung durch www.DeepL.com/Translator)

Publikation:
A. V. Straube, S. Winkelmann, Ch. Schütte, and F. Höfling,
Stochastic pH Oscillations in a Model of the Urea–Urease Reaction Confined to Lipid Vesicles,
J. Phys. Chem. Lett. 12, 9888 (2021).

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