Silpna biologinių molekulių sąveika ir chiralija • Igoris Ivanovas • Populiariosios mokslinės užduotys "Elementuose" • Fizika

Silpna biologinių molekulių sąveika ir chiralija

Pav. 1. Asimetriniai molekulės su skirtingais anglies atomų, pavyzdžiui, parodyta čia aminorūgščių alanino, gali egzistuoti dviem konfigūracijų erdvinių, kurios yra veidrodiniai vienas nuo kito (dviejų enantiomerų). Visos atominės jėgos, veikiančios jose, yra vienodos, išskyrus silpną sąveiką, dėl ko mažai skiriasi enantiomerų energija viena nuo kitos. Būtų labai viliojanti tai paaiškinti tuo, kad biologinių molekulių pastatytas į vienos rūšies enantiomerų. Paveikslėlis su worldofbiochemistry.blogspot.com svetainėje

Apie gyvenimo kilmės klausimas yra, be kita ko, yra viena paslaptis, kad kankina mokslininkams pusę amžiaus: kodėl, su retomis išimtimis, visi biologinių molekulių kairėje ir ne pravoorientirovannye? Jei ne imtis per simetrišką molekulę, sudarytas iš kelių skirtingų atomų, ji gali egzistuoti kaip dviejų enantiomerų – konfigūracijų erdvinių, kurie skiriasi vienas nuo kito veidrodinis atspindys, o ne transliuojamos viena į kitą nėra sukimosi (1 pav). Atrodo, iš chemijos požiūriu yra visiškai lygiavertės enantiomerai – ir energijos iš šių molekulių turėtų būti identiški,ir cheminės reakcijos su jų dalyvavimu turėtų vykti tokiu pačiu greičiu, jei, žinoma, visos kitos molekulės taip pat būtų atspindimos. Iš tiesų, asimetrinių molekulių sintezės reakcijose iš simetrinių enantiomerų atsiranda raceminio mišinio forma, ty jame vienodai, ir tie, ir kiti. Tačiau baltymai gyvuose organizmuose yra pagaminti tik iš griežtai apibrėžtos chiralinės aminorūgščių. Kaip prasidėjo chiralinis grynumas? Ar yra tikra galimybė už tai, ar yra kokių nors esminių fizinių priežasčių, dėl kurių pirmenybė teikiama vienam iš enantiomerų per kitą?

Iki XX a. Vidurio buvo manoma, kad visos pagrindinės fizinės sąveikos nepasikeitė pagal veidrodinį atspindį. 1950 m. Viduryje situacija labai pasikeitė: iš pradžių buvo suprantama teoriškai, o vėliau eksperimentiniais duomenimis, viena iš jėgų, silpna sąveika, yra labai asimetriška, kai keičiama dešinėn į kairę. Nors silpna sąveika veikia tik branduolio ir atskirų elementarių dalelių mastą, ji taip pat gali atsirasti dėl atomų ir molekulių savybių. Dėl to kairiųjų ir dešiniąja linkme esančių molekulių energija šiek tiek skirsis, o tai galiausiai gali būti naudinga vienam iš enantiomerų.

Šioje problemoje mes pabandysime bent jau apytiksliai įvertinti energijos skirtumą, kurį sukelia silpna sąveika. Žinoma, mes nepaslygsime į silpnų sąveikų apibūdinimo subtilybes, tačiau mes parengsime labai paprastas "darbo taisykles" ir atliksime jas.

Visų pirma, dešiniosios ir kairės molekulių nelygybė atsiranda dėl to, kad kiekvienas atomas tarp elektrono ir branduolio veikia ne tik elektros pritraukimą, bet ir papildomą jėgą, atsirandančią dėl silpnos sąveikos. Mes apibūdinsime šią papildomą jėgą potencialios energijos pagalba.
.
Čia r – atstumas tarp elektrono ir branduolio, q1, q2 – jų elektriniai mokesčiai, rw – tai yra pastovi, kuri apibūdina silpnos sąveikos spektrą ir yra lygi maždaug 10−18 m. Ši potenciali energija primena įprastą elektrostatikos trauką tarp elektrono ir atominio branduolio.

ir nuo jo skiriasi tik papildomu eksponentiniu veiksniu. Dar kartą pabrėžiame, kad šis artėjimas yra labai grubus, jame praleidome daugybę priklausomybių ir palikome tik pačią pagrindinę – labai mažą silpnosios sąveikos diapazoną.Galiausiai paskutinė taisyklė yra tokia: mes tikime, kad veidrodinės molekulės skiriasi tik tuo, kad kairėje molekulėse kiekviena atomo bendra potenciali energija parašyta kaip V + vw, o dešinėje – kaip V – Vw. Taigi skirtumas tarp šių molekulių energijos atsiranda tik dėl papildomos potencialios energijos.

Užduotis

Remdamasis šiais taisyklių rinkiniais, norma dydžio laipsniu skirtumas yra dešiniąją ir kairę molekulių energija.


Užuomina

Galimos energijos formulė – ar tai yra įprasta elektros pritraukimas ar papildoma jėga – yra tik formulė, o ne atsakymas, nes ši išraiška priklauso nuo r – atstumas tarp branduolio ir elektrono. Norint gauti atsakymą iš jo (bent jau iki dydžio), reikia teisingai įvertinti tipinius atstumus, apibūdinančius elektronus atomyje, ir pakeisti juos į formulę. (Šiek tiek tikslesnė formuluotė: turime skaičiuoti vidutinę šios energijos vertę tam tikroje elektroninėje būsenoje.)

Įsivaizduokite, ką atrodo tipiškas elektronų debesis, parengite papildomos potencialios energijos grafiką ir pabandykite įvertinti jo vidutinę vertę šiame elektroniniame debesyje.Tuomet pakeiskite žinomą atomų dydį ir silpnosios sąveikos spindulį ir apskaičiuokite santykinį papildymą elektronų energija atomai. Paprastumui mes galime manyti, kad branduolio krūvis yra mažas.


Sprendimas

Pagrindinis elektrono būvis būna atomai yra daugiau ar mažiau vienalytis debesis, kurio dydis yra apie a ≈ 10−10 Todėl, įvertinant elektrostatinės sąveikos vidutinę potencialią energiją, pakanka pakeisti r ≈ a. Šiuo atveju energija bus E ≈ q1q2 / air tai yra būdinga elektrono atomo energija.

Norėdami įvertinti papildomą energiją, kurią sukelia silpna sąveika, atkreipkite dėmesį į didelį skalės skirtumą. rw ir a. Jei formulėje yra Vw pakeisti r = a, eksponentinis daugiklis taps beprotiškai mažas, e−100 000 000, tai yra, jokiais eksperimentais jis negali būti atskirtas nuo nulio. Eksponentinis daugiklis e-R / rw žymiai skiriasi nuo nulio tik užsakymo atstumu r ~ rw «A. Kitaip tariant, atominių dydžių tvarkos skalėse nauja jėga iš tikrųjų nėra.

Pav. 2 Elektrostatikos pritraukimo potencialios energijos grafikai (kairėje) ir papildoma jėga, kurią sukelia silpna sąveika (dešinėje) Virš kiekvienos grafiko yra elektroninis debesys, schematiškai vaizduojamas; tik labai nedidelė elektronų debesies dalis yra apibūdinta ratu

Tačiau tai nereiškia, kad jo nėra. apskritai. Elektronas yra neryškus debesis, o jo labai maža dalis yra labai arti šerdies, taip pat ir nutolimo atstumu. rw (žr. 2 pav.). S-elektronų atveju šią frakciją galima apskaičiuoti tiesiog tūrio: rw3 prieš patį atomo tūrį a3. Silpna sąveika tokiais artimais atstumais padidėja iki maždaug q1q2 / rw, tačiau tikimybė rasti elektroną taip arti yra labai maža: (rw / a)3. Todėl bendras šios naujos jėgos poveikis bus kiek silpnesnis: ΔE ≈ q1q2 rw2/ a3.

Norėdami gauti tam tikrą numerį, rašome santykinis šios energijos vertė: ΔE / E = (rw / a)2 = 10−16. Tipiškos elektroninių lygių energijos yra elektronų-voltų, taigi ΔE reikšmė yra 10 srityje−16 eV, kuri, žinoma, yra gana maža suma. Pagal mūsų supaprastintas "darbo taisykles", ΔE, padidintas keletą kartų, bus skirtumas tarp dešinių ir kairiųjų molekulių energijos.


Po žodžio

Mūsų molekulinio skilimo modelis dėl silpnos sąveikos, žinoma, yra labai primityvus.Mes neatsižvelgėme į skirtumą tarp branduolio silpno ir elektrinio krūvio, silpnosios sąveikos priklausomybės nuo protonų ir neutronų skaičiaus, nepaaiškino, kaip jėgos viduje atomų įtakoja dešiniųjų ir kairiųjų molekulių savybes, o kur jų skaičius rw10−18 Visa tai reikalauja bent jau kvantinės mechanikos pagrindų tyrimo. Tačiau buvo parodyta viena pagrindinė mintis: silpna sąveika gali paveikti atomų ir molekulių savybes labai arti, beveik susisiekti elektrono ir branduolio sąveika. Atsižvelgiant į tai, kad tai yra artimojo nuotolio, dėl jo sukelti energijos pokyčiai daugeliu laipsnių yra mažesni už elektrostatinę energiją.

Pavyzdžiui, mes sakome, kad faktiniai skaičiavimai, kaip silpna sąveika veikia atomų ir molekulių savybes, labai skiriasi nuo mūsų įvertinimo. Pirma, papildoma jėga labai stipriai priklauso nuo branduolio krūvio. Atskirais atomais, silpni sąveikos efektai (pvz., Energijos lygių maišymas su skirtingomis simetrijomis) gali siekti 10−10 iš pačių energijų. Antra, molekulinėse reiškiniuose, palyginti su atominiais, šie padariniai dar labiau susilpnėjo, ir jie netgi nepadėjo per daug gauti iš didelio branduolinio krūvio.Realistiški skaičiavimai rodo, kad tipiškas dalijimas tarp tikrosios dešinės ir kairės molekulių yra apie 10−18 eV ir mažiau. Nepaisant to, šie poveikiai buvo aptikti eksperimentiniais būdais: 1978 m. Atskiriems atomams, o 1999 m. – molekulėms-enantiomerams.

Ginkluoti šiais skaičiais, leiskite mums grįžti prie pradinio klausimo: ar silpna sąveika gali būti priežastis, kad gyvenimas yra pagrįstas tik kairėje esančių amino rūgščių? Iš pirmo žvilgsnio tai atrodo visiškai neįtikėtina. Žinoma, šilumos pusiausvyroje visada yra tam tikrų pranašumų valstybės su mažesne energija, nes dalelių, kurių energija E, skaičius paprastai yra proporcingas e-E / kT. Tačiau kambario temperatūrai kT = 0,026 eV vertė, taigi energijos skirtumas yra 10−18 EV kairios molekulės viršys dešiniosios, vidutiniškai vienu atveju iš dešimties kvadrilijonų. Toks skirtumas visiškai prarastas dėl įprastų dalelių skaičiaus svyravimų. Kad tai būtų pastebima, reikia sintezuoti ne mažiau kaip 1032 molekulių, tai yra daugybė tūkstančių tonų medžiagų.

Vis dėlto kruopštesnis tyrimas rodo, kad net mažas vieno enantiomero dominavimas kitoje gali palaipsniui kauptis,jei ilgą laiką dideliame tūryje yra nuolatinės reakcijos, dalyvaujant chiralinėms molekulėms. Tada jau atrodo tikėtina, kad anksčiau ar vėliau viena iš erdvinių orientacijų bus dominuojanti už kitą, o tada visiškai išstumti. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad dešimtys tūkstančių metų tai gali pakakti. Tačiau tarp "gali būti pakankamai" ir "tikrai vyksta" – puikus atstumas. Be to, lieka klausimas, ar stebimas chiralinis amino rūgščių grynumas žemiškuoju gyvenimu buvo iš tikrųjų sukeliamas dėl šios priežasties – yra ir kitų galimybių. Nebuvo atsakyta į šį klausimą, nepaisant viso jo patrauklumo ir nepaisant daugelio eksperimentinių ir teorinių studijų. 2008 m. Situacijos apžvalga pateikta knygoje "Chiralijos kilmė gyvenimo molekulėse". Taigi, prielaida apie silpnosios sąveikos vaidmenį gyvenimo homohiralystėje išlieka labai įdomi, tačiau vis dar yra hipotetinė galimybė.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: