Interaksi lemah dan kesejukan molekul biologi • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik

Interaksi lemah dan kesejukan molekul biologi

Rajah. 1. Molekul asimetrik dengan atom yang berlainan, seperti contoh alanine asid amino digambarkan di sini, boleh wujud dalam dua konfigurasi spatial yang merupakan imej cermin antara satu sama lain (dua enantiomer). Semua daya atom yang bertindak di dalamnya adalah sama, kecuali untuk interaksi yang lemah, yang membawa kepada sedikit perbezaan dalam tenaga enantiomer relatif terhadap satu sama lain. Akan sangat menggoda untuk menjelaskan dengan ini fakta bahawa molekul biologi dibina pada jenis enantiomer yang sama. Imej dari worldofbiochemistry.blogspot.com

Mengenai persoalan kehidupan, ada antara satu teka-teki yang telah menyiksa penyelidik selama satu setengah abad: mengapa, dengan pengecualian yang sangat jarang, adalah semua molekul biologi kidal dan tidak berorientasikan yang betul? Jika kita mengambil molekul tidak simetris yang terdiri daripada beberapa atom yang berlainan, maka ia boleh wujud dalam bentuk dua enantiomer – konfigurasi spatial yang berbeza antara satu sama lain dengan refleksi cermin dan tidak diterjemahkan ke dalam satu sama lain oleh sebarang putaran (Rajah 1). Nampaknya dari sudut pandangan kimia, enantiomer sama-sama sama – dan tenaga molekul-molekul ini harus sama,dan tindak balas kimia dengan penyertaan mereka perlu diteruskan pada kadar yang sama, jika, tentu saja, semua molekul lain juga dicerminkan. Dan sememangnya, dalam tindak balas sintesis molekul asimetrik dari enantiomet simetri timbul dalam bentuk campuran racemik, iaitu, di dalamnya, sama, dan yang lain dan lain-lain. Walau bagaimanapun, protein dalam organisma hidup dibina semata-mata daripada asid amino dari keadaan yang jelas. Bagaimanakah kesucian kiral hidup datang? Adakah peluang tulen di belakangnya, atau adakah ada sebab fizikal asas yang memberi keutamaan kepada salah satu enantiomer terhadap yang lain?

Sehingga pertengahan abad ke-20, ia dipercayai bahawa semua interaksi fizikal asas tidak berubah di bawah refleksi cermin. Pada pertengahan 1950-an, keadaan berubah dramatik: ia difahami secara teoritis pertama dan kemudian secara eksperimen bahawa salah satu daripada pasukan, interaksi lemah, sangat tidak simetris tentang menggantikan yang kanan-ke-kiri. Walaupun interaksi yang lemah bertindak hanya pada skala nukleus dan zarah-zarah asas individu, ia juga boleh berlaku pada sifat-sifat atom dan molekul. Akibatnya, tenaga molekul kiri dan kanan berorientasikan sedikit berbeza, yang pada akhirnya dapat memberi manfaat kepada salah satu enantiomer.

Dalam masalah ini, kita akan cuba untuk menganggarkan, sekurang-kurangnya dalam beberapa perkiraan, perbezaan tenaga yang disebabkan oleh interaksi yang lemah. Sudah tentu, kita tidak akan masuk ke dalam subtleties menggambarkan interaksi yang lemah, tetapi kita akan merangka satu set "peraturan kerja" yang sangat mudah dan mengikutinya.

Pertama sekali, ketidaksamaan antara molekul kanan dan kiri timbul kerana setiap atom di antara elektron dan nukleus bertindak bukan sahaja daya tarikan elektrik, tetapi juga daya tambahan yang timbul daripada interaksi lemah. Kami akan menerangkan tenaga tambahan ini dengan bantuan potensi tenaga.
.
Di sini r – jarak antara elektron dan nukleus, q1, q2 – caj elektrik mereka, rw – ini adalah pemalar yang menyerupai pelbagai interaksi yang lemah dan sama dengan kira-kira 10−18 m. Tenaga potensi ini menyerupai tarikan elektrostatik biasa antara elektron dan nukleus atom.

dan berbeza dengan faktor eksponen tambahan. Kami menekankan sekali lagi bahawa penghampiran ini adalah sangat kasar, di dalamnya kita mengabaikan banyak kebergantungan dan hanya meninggalkan yang paling asas – rangkaian sangat kecil interaksi yang lemah.Akhirnya, peraturan terakhir adalah ini: kami percaya bahawa molekul cermin hanya berbeza dalam fakta bahawa dalam molekul kiri jumlah tenaga potensi dalam setiap atom ditulis sebagai V + vw, dan di sebelah kanan – sebagai V – Vw. Oleh itu, perbezaan antara tenaga molekul ini timbul hanya kerana potensi tenaga tambahan.

Tugas

Berdasarkan peraturan ini, kadar mengikut magnitud, perbezaannya adalah tenaga molekul kanan dan kiri.


Petunjuk

Formula untuk potensi tenaga – sama ada tarikan elektrik biasa atau daya tambahan – hanyalah rumusan, bukan jawapan, kerana ungkapan ini bergantung pada r – jarak antara nukleus dan elektron. Untuk mendapatkan jawapan daripadanya (sekurang-kurangnya mengikut magnitud), diperlukan untuk menganggarkan jarak yang tipikal yang mencirikan elektron dalam atom, dan menggantikannya menjadi formula. (Rumusan yang agak lebih tepat: kita mesti mengira nilai purata tenaga ini dalam keadaan elektronik tertentu.)

Bayangkan apa awan elektron biasa seperti, lukis graf potensi tenaga tambahan dan cuba untuk menganggarkan nilai purata dalam awan elektron ini.Pengganti kemudian diketahui saiz atom dan jejari interaksi yang lemah dan menganggarkan aditif relatif kepada tenaga elektron dalam atom. Untuk kesederhanaan, kita boleh menganggap bahawa pertuduhan nukleus adalah kecil.


Penyelesaian

Keadaan dasar elektron dalam atom adalah awan yang lebih kurang homogen dengan saiz kira-kira a ≈ 10−10 Oleh itu, apabila menganggarkan purata potensi tenaga interaksi elektrostatik, ia cukup untuk menggantikan r ≈ a. Tenaga dalam kes ini akan E ≈ q1q2 / adan ini adalah tenaga khas elektron dalam atom.

Untuk menganggarkan tenaga tambahan yang disebabkan oleh interaksi lemah, perhatikan perbezaan yang kuat dalam skala. rw dan a. Jika dalam formula untuk Vw untuk menggantikan r = a, pengganda eksponen akan menjadi insanely kecil, e−100 000 000, iaitu, tanpa eksperimen ia boleh dibezakan dari sifar. Pengganda eksponen e-R / rw ketara berbeza daripada sifar hanya pada jarak pesanan r ~ rw «A. Dalam erti kata lain, pada skala susunan saiz atom, kekuatan baru sebenarnya tidak hadir.

Rajah. 2 Grafik tenaga berpotensi tarikan elektrostatik (di sebelah kiri) dan daya tambahan yang disebabkan oleh interaksi lemah (di sebelah kanan). Di atas setiap graf ialah awan elektron digambarkan secara skematik; hanya sebahagian kecil daripada awan elektron yang dirasakan, ditandakan dengan bulatan

Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna ia tidak wujud. secara umum. Satu elektron adalah awan kabur, dan beberapa bahagian yang sangat kecil itu sangat dekat dengan inti, termasuk pada jarak perintah rw (lihat rajah 2). Untuk s-elektron, pecahan ini boleh dianggarkan hanya dengan isipadu: rw3 terhadap isipadu atom itu sendiri a3. Interaksi lemah pada jarak dekat begitu meningkat q1q2 / rwWalau bagaimanapun, kebarangkalian mencari elektron begitu dekat sangat kecil: (rw / a)3. Oleh itu, jumlah kesan daya baru ini akan menjadi lebih lemah: ΔE ≈ q1q2 rw2/ a3.

Untuk mendapatkan beberapa nombor, kami menulis saudara nilai tenaga ini: ΔE / E = (rw / a)2 = 10−16. Tenaga biasa tahap elektronik adalah voltan elektron, jadi nilai ΔE itu sendiri terletak di rantau 10−16 eV, yang sememangnya agak kecil. Di dalam "peraturan kerja" kami yang mudah, ΔE, meningkat beberapa kali, akan menjadi perbezaan tenaga molekul kanan dan kiri.


Selepas perkataan

Model pemisahan molekul kami kerana interaksi lemah tentu saja sangat primitif.Kami tidak mengambil kira perbezaan antara caj lemah dan elektrik nukleus, pergantungan interaksi lemah terhadap bilangan proton dan neutron, tidak menjelaskan bagaimana daya di dalam atom mempengaruhi sifat-sifat molekul kanan dan kiri dan di manakah nombor rw10−18 Semua ini memerlukan sekurang-kurangnya kajian mengenai asas-asas mekanik kuantum. Walau bagaimanapun, satu idea utama digambarkan: interaksi yang lemah dapat menjejaskan sifat-sifat atom dan molekul dengan perbelanjaan yang sangat hampir, hampir hubungi interaksi antara elektron dan nukleus. Disebabkan hakikat bahawa ia adalah jarak pendek, perubahan tenaga yang disebabkan olehnya diperolehi oleh banyak pesanan magnitud yang kurang daripada tenaga elektrostatik.

Sebagai rujukan, kami mengatakan bahawa pengiraan sebenar bagaimana interaksi lemah mempengaruhi sifat-sifat atom dan molekul berbeza dengan ketara dari penilaian kami. Pertama, daya tambahan sangat bergantung kepada pertuduhan nukleus. Di dalam atom individu, kesan interaksi lemah (contohnya, mencampurkan tahap tenaga dengan simetri yang berbeza) dapat mencapai nilai-nilai urutan 10−10 dari tenaga sendiri. Kedua, dalam fenomena molekul, berbanding dengan atom, kesan ini lebih lemah, dan keuntungan dari nuklear yang besar bahkan tidak membantu mereka.Pengiraan yang realistik menunjukkan bahawa pembahagian biasa antara molekul kanan dan kiri adalah kira-kira 10−18 eV dan kurang. Walau bagaimanapun, kesan ini ditemui secara eksperimen: pada tahun 1978 untuk atom individu, pada tahun 1999 untuk molekul-enantiomer.

Bersenjata dengan nombor-nombor ini, marilah kita kembali kepada soalan asal: boleh interaksi lemah menjadi alasan bahawa hidup didasarkan semata-mata pada asid amino kidal? Pada pandangan pertama, ini seolah-olah tidak masuk akal. Sudah tentu, dalam keseimbangan terma selalu ada kelebihan dari negara-negara dengan tenaga yang lebih rendah, kerana bilangan zarah dengan tenaga E biasanya berkadar dengan e-E / kT. Walau bagaimanapun, untuk suhu bilik, nilai kT = 0.026 eV, oleh itu, dengan perbezaan tenaga sebanyak 10−18 eV kiri molekul akan mengatasi lebih tepat pada purata dalam satu kes daripada sedozen quadrillions. Perbezaan tersebut benar-benar hilang terhadap latar belakang turun naik biasa dalam bilangan zarah. Untuk menjadikannya nyata, anda perlu mensintesis sekurang-kurangnya 1032 molekul, iaitu beribu-ribu tan perkara.

Walau bagaimanapun, kajian yang lebih teliti menunjukkan bahawa walaupun kekuasaan yang rendah daripada satu enansiomer ke atas yang lain secara beransur-ansur dapat dikumpulkan,jika dalam jumlah besar untuk masa yang lama terdapat tindak balas berterusan dengan penyertaan molekul kiral. Maka ia sudah pasti masuk akal bahawa satu atau lebih masa akan datang salah satu daripada orientasi spasial akan mengatasi yang lain, dan kemudian benar-benar menolaknya. Anggaran teoritis menunjukkan bahawa puluhan ribu tahun mungkin cukup untuk ini. Bagaimanapun, antara "ada cukup" dan "benar-benar berlaku" – jarak yang jauh. Di samping itu, persoalannya tetap sama ada kesucian kiral yang diamati asid amino dalam kehidupan duniawi sebenarnya disebabkan oleh sebab ini – ada kemungkinan lain. Soalan ini belum dijawab, walaupun semua daya tarikannya dan walaupun banyak kajian eksperimen dan teoretikal. Gambaran keseluruhan keadaan pada tahun 2008 dapat dijumpai dalam buku The Origin of Chirality dalam Molekul Kehidupan. Oleh itu, andaian mengenai peranan interaksi lemah dalam homoiriti kehidupan masih sangat menarik, tetapi masih ada kemungkinan hipotetis.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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