Vājā mijiedarbība un bioloģisko molekulu hiralitāte • Igors Ivanovs • Tautas zinātnes uzdevumi "Elementos" • Fizika

Vāja bioloģisko molekulu mijiedarbība un hiralitāte

Zīm. 1 Asimetriskas molekulas ar dažādiem atomiem, piemēram, šeit attēlots aminoskābes alanīns, var pastāvēt divās telpiskās konfigurācijās, kas ir viens otru spogulis (divi enantiomēri). Visi atomu spēki, kas darbojas tajos, ir vienādi, izņemot vājo mijiedarbību, kas noved pie nelielas atšķirības enantiomēru enerģijās salīdzinājumā ar otru. Ar to būtu ļoti vilinoši izskaidrot to, ka bioloģiskās molekulas tiek veidotas uz viena veida enantiomēriem. Attēls no worldofbiochemistry.blogspot.com

Runājot par dzīvības izcelsmi, cita starpā pastāv arī viena mīkla, kas zinātniekus spīdzināja pusotru gadsimtu: kāpēc, ar ļoti retiem izņēmumiem, visas bioloģiskās molekulas ir kreisās un nevis orientētas uz labo? Ja mēs ņemam ne pārāk simetrisku molekulu, kas sastāv no vairākiem dažādiem atomiem, tad tā var pastāvēt divu enantiomēru formā – telpisko konfigurāciju, kas spoguļattēlā atšķiras viena no otras un netiek pārvērsta savā starpā ar jebkādu rotāciju (1. att.). Šķiet, ka no ķīmijas viedokļa enantiomēri ir absolūti vienādi – un šo molekulu enerģijai jābūt vienādai,un ķīmiskās reakcijas ar viņu līdzdalību jāuzsāk tādā pašā ātrumā, ja, protams, arī visas citas molekulas ir atspoguļotas. Un patiesībā asimetrisko molekulu sintēzes reakcijās no simetriskiem enantiomēriem rodas racēmisks maisījums, tas ir, tajā pat, gan tie, gan citi. Tomēr olbaltumvielas dzīvajos organismos tiek būvēti tikai no stingri noteiktas hiralitātes aminoskābēm. Kā radās dzīvais hirālas tīrības līmenis? Vai tā ir tīša iespēja, vai ir kāds būtisks fizisks iemesls, kas dod priekšroku vienam no enantiomēriem pār otru?

Līdz 20. gadsimta vidum tika uzskatīts, ka visas fiziskās matemātiskās mijiedarbības nav mainījušās atspoguļojot spoguļattēlu. 1950. gadu vidū situācija būtiski mainījās: teorētiski vispirms tika saprasts, un pēc tam eksperimentāli tika noskaidrots, ka viens no spēkiem, vāja mijiedarbība, ir ļoti asimetrisks attiecībā uz labās un kreisās puses aizstāšanu. Lai gan vāja mijiedarbība darbojas tikai pēc kodola un atsevišķu elementāru daļiņu mēroga, tā var arī nonākt pie atomu un molekulu īpašībām. Rezultātā kreiso un labo orientēto molekulu enerģija nedaudz atšķiras, un galu galā tas varētu dot labumu vienam no enantiomēriem.

Šajā problēmā mēs mēģināsim novērtēt vismaz dažās aproksimācijās enerģijas starpību, ko izraisa vāja mijiedarbība. Protams, mēs neietilpsim vājās mijiedarbības apraksta smalkumā, bet mēs formulēsim ļoti vienkāršus "darba noteikumus" un sekosim tiem.

Pirmkārt, nevienlīdzība starp labo un kreiso molekulu rodas tāpēc, ka katrā atomā starp elektronu un kodolu darbojas ne tikai elektriskā pievilkšana, bet arī papildu spēks, kas rodas no vājās mijiedarbības. Mēs aprakstīsim šo papildu spēku ar potenciālās enerģijas palīdzību.
.
Šeit r – attālums starp elektronu un kodolu, q1, q2 – viņu elektriskās izmaksas, rw – tā ir nemainīga, kas raksturo vājās mijiedarbības diapazonu un ir vienāda ar apmēram 10−18 m. Šī potenciālā enerģija atgādina parasto elektrostatisko piesaisti starp elektronu un atomu kodolu.

un atšķiras no tā tikai ar papildu eksponenciālo faktoru. Mēs atkal uzsveram, ka šī tuvināšana ir ļoti nelīdzena, tajā mēs izlaiduši daudzas atkarības un atstājām tikai visvienkāršāko – ļoti mazu vājās mijiedarbības klāstu.Visbeidzot, pēdējais noteikums ir šāds: mēs uzskatām, ka spoguļās molekulas atšķiras tikai ar to, ka kreisajās molekulās katra atoma kopējā potenciālā enerģija ir rakstīta kā V + vw, un labajā pusē – kā V – Vw. Tādējādi starpība starp šo molekulu enerģiju rodas tikai papildu potenciālās enerģijas dēļ.

Uzdevums

Pamatojoties uz šo noteikumu kopumu, likme cik lielā mērā starpība ir labo un kreiso molekulu enerģija.


Padoms

Formula potenciālajai enerģijai, vai tā ir parastā elektriskā piesaiste vai papildu spēks, ir tikai formula, nevis atbilde, jo šī izteiksme ir atkarīga no r – attālums starp kodolu un elektronu. Lai no tā saņemtu atbildi (vismaz pēc lieluma), pareizi jānovērtē tipiskie attālumi, kas elektronus raksturo atometenī, un aizstāj tos formulā. (Nedaudz precīzāka formulēšana: mums jāaprēķina šīs enerģijas vidējā vērtība noteiktā elektroniskā stāvoklī.)

Iedomājieties, ko izskatās tipisks elektronu mākonis, izveidojiet papildu potenciālās enerģijas grafiku un mēģiniet novērtēt tā vidējo vērtību šajā elektronu mākonī.Tad aizstājiet zināmo atomu izmēru un vājās mijiedarbības rādiusu un aprēķiniet relatīvo piedevu elektronu enerģijā atome. Vienkāršības labad mēs varam pieņemt, ka kodola maksa ir maza.


Šķīdums

Elektrona pamatstāvoklis atomā ir vairāk vai mazāk viendabīgs mākonis, kura izmērs ir aptuveni a ≈ 10−10 Tāpēc, novērtējot elektrostatiskās mijiedarbības vidējo potenciālo enerģiju, pietiek aizstāt r ≈ a. Enerģija šajā gadījumā būs E ≈ q1q2 / aun tas ir tipisks elektronu enerģijas avots.

Lai novērtētu papildu enerģiju, ko izraisa vāja mijiedarbība, pievērsiet uzmanību ievērojamai mēroga atšķirībai. rw un a. Ja formula ir Vw aizstāt r = a, eksponenciālais reizinātājs kļūs insanely mazs, e−100 000 000, tas ir, bez eksperimentiem to var atšķirt no nulles. Eksponenciālais reizinātājs e-R / rw ievērojami atšķiras no nulles tikai pasūtījuma attālumos r ~ rw «A. Citiem vārdiem sakot, atomālo izmēru secības skalās jaunais spēks faktiski nav pieejams.

Zīm. 2 Elektrostatiskās piesaistes potenciālās enerģijas grafiki (pa kreisi) un papildu spēks, ko izraisa vāja mijiedarbība (labajā pusē) Virs katra diagrammas ir attēlots elektronis, ko shēmā attēlo; jūtama tikai ļoti maza elektronu mākoņa daļa, ko apzīmē aplis

Tomēr tas nenozīmē, ka tas nav. vispār. Elektrons ir neskaidrs mākonis, un daži ļoti maza daļa no tā ir ļoti tuvu kodolam, arī attālumā no rw (sk. 2. att.). S-elektronu gadījumā šo frakciju var aprēķināt pēc tilpuma: rw3 pret pašu atoma tilpumu a3. Vāja mijiedarbība pie šādiem tuviem attālumiem palielinās līdz apmēram q1q2 / rw, tomēr varbūtība atrast elektronu tik tuvu ir ļoti maza: (rw / a)3. Tāpēc šī jaunā spēka kopējā ietekme būs tikpat vājāka kā ΔE ≈ q1q2 rw2/ a3.

Lai iegūtu kādu numuru, mēs rakstām radinieks šīs enerģijas vērtība: ΔE / E = (rw / a)2 = 10−16. Tipiski elektronu līmeņu enerģija ir elektronu volti, tāpēc pašas ΔE vērtība atrodas 10 reģionā−16 eV, kas, protams, ir diezgan mazs. Mūsu vienkāršotajos "darba noteikumos", ΔE, kas vairākkārt palielinājās, būs atšķirība starp labo un kreiso molekulu enerģiju.


Pēcvārds

Mūsu molekulāro sadalīšanās modelis vājās mijiedarbības dēļ, protams, ir ļoti primitīvs.Mēs neievēroja atšķirību starp kodola vājo un elektrisko lādiņu, vājās mijiedarbības atkarību no protonu un neitronu skaita, nepaskaidroja, kā spēki aatomu iekšienē ietekmē labo un kreiso molekulu īpašības un kur to skaitlis rw10−18 Tas viss prasa vismaz pētījumu par kvantu mehānikas pamatprincipiem. Tomēr tika parādīta viena galvenā ideja: vāja mijiedarbība var ietekmēt atomu un molekulu īpašības uz ļoti tuvu, gandrīz kontakts mijiedarbība starp elektronu un kodolu. Sakarā ar to, ka tas ir tuvu diapazons, tās radītās enerģijas maiņas daudzos apjomos iegūst mazāk nekā elektrostatiskā enerģija.

Atsaucoties uz to, mēs sakām, ka faktiskie aprēķini par to, cik vāja mijiedarbība ietekmē atomu un molekulu īpašības, ievērojami atšķiras no mūsu vērtējuma. Pirmkārt, papildu spēks ir ļoti straujš atkarīgs no kodola uzlādes. Atsevišķu atomu iekšienē vāja mijiedarbība (piemēram, enerģijas līmeņu sajaukšana ar dažādām simetriskām) var sasniegt 10−10 no pašu enerģijas. Otrkārt, molekulārajos parādībās, salīdzinot ar atomu, šie efekti ir vēl vājāki, un tiem pat nav pārāk daudz palīdzējis iegūt lielu kodolenerģijas lādiņu.Reālistiskie aprēķini liecina, ka tipiskā sadalīšana starp reālajām labajām un kreisajām molekulām ir aptuveni 10−18 eV un mazāk. Tomēr šie efekti tika atklāti eksperimentāli: 1978. gadā atsevišķiem atomiem, 1999. gadā molekulām-enantiomēriem.

Apbruņojot ar šiem skaitļiem, atgriezīsimies pie sākotnējā jautājuma: vai vāja mijiedarbība var būt iemesls tam, ka dzīve balstās tikai uz kreisajām aminoskābēm? No pirmā acu uzmetiena tas šķiet pilnīgi neticami. Protams, siltuma līdzsvarā vienmēr ir dažas priekšrocības valstīm ar zemāku enerģiju, jo daļiņu skaits ar enerģiju E parasti ir proporcionāls e-E / kT. Tomēr telpas temperatūrai kT = 0,026 eV, tātad ar enerģijas starpību 10−18 eV kreisās molekulas pārsvarā dominēs virs pareizajiem, vienā gadījumā no desmitiem kvadriljoniem. Šāda atšķirība ir pilnībā zaudēta, ņemot vērā parasto daļiņu skaita svārstības. Lai padarītu to pamanāmu, jums ir nepieciešams sintezēt vismaz 1032 molekulas, tas ir, daudzi tūkstoši tonnu vielas.

Tomēr rūpīgāks pētījums parāda, ka pat viena enantiomēra pārsvars pār otru var pakāpeniski uzkrāt,ja lielā apjomā ilgstoši pastāv nepārtrauktas reakcijas, piedaloties hirālajām molekulām. Tad jau šķiet ticams, ka agrāk vai vēlāk viena no telpiskās orientācijas dominēs pār otru un pēc tam pilnīgi to izspiedīs. Teorētiskās aplēses liecina, ka šim nolūkam var būt pietiekami desmitiem tūkstošu gadu. Tomēr starp "tur var būt pietiekami daudz" un "patiešām notiek" – liels attālums. Turklāt paliek jautājums, vai aminoskābju hirālas tīrības pakāpe zemes dzīvē patiesībā bija radusies tieši tāpēc, ka ir arī citas iespējas. Uz šo jautājumu vēl nav atbildēts, neraugoties uz visu tā pievilcību un par spīti daudziem eksperimentāliem un teorētiskiem pētījumiem. Kopsavilkums par situāciju no 2008. gada ir atrodams grāmatā Chiralitātes izcelsme dzīves molekulās. Tādējādi pieņēmums par vājās mijiedarbības lomu dzīvo homohiralitātē joprojām ir ļoti interesants, bet joprojām hipotētisks.


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

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