Svag interaktion og kirurgi af biologiske molekyler • Igor Ivanov • Populære videnskabsopgaver på "Elements" • Fysik

Svag interaktion og chiralitet af biologiske molekyler

Fig. 1. Asymmetriske molekyler med forskellige atomer, såsom for eksempel aminosyrealaninet, der er afbildet her, kan eksistere i to rumlige konfigurationer, der er et spejlbillede af hinanden (to enantiomerer). Alle de atomkræfter, der virker i dem, er de samme, bortset fra det svage samspil, som fører til en lille forskel i enantiomernes energier i forhold til hinanden. Det ville være meget fristende at forklare det faktum, at biologiske molekyler er bygget på den samme type enantiomerer. Billede fra worldofbiochemistry.blogspot.com

På spørgsmålet om livets oprindelse er der blandt andet en gåde, der har tortureret forskere i et halvtreds år: Hvorfor er alle biologiske molekyler med venstre hånd og ikke retorienteret, med meget sjældne undtagelser? Hvis vi tager et ikke-symmetrisk molekyle bestående af flere forskellige atomer, kan det eksistere i form af to enantiomerer – rumlige konfigurationer, som adskiller sig fra hinanden ved spejlreflektion og ikke oversættes til hinanden ved nogen rotation (figur 1). Det ser ud til, at enantiomererne fra et kemisk synspunkt er absolut lige – og energierne i disse molekyler skal være de samme,og kemiske reaktioner med deres deltagelse skal fortsætte i samme hastighed, hvis selvfølgelig alle andre molekyler også afspejles. Og i virkeligheden opstår der i reaktionerne af syntesen af ​​asymmetriske molekyler fra symmetriske enantiomerer i form af en racemisk blanding, det er i lige så, og de og andre. Imidlertid er proteiner i levende organismer udelukkende bygget af aminosyrer med strengt defineret chiralitet. Hvordan kom det levende livs chirale renhed? Er der en ren chance bag den, eller er der nogen grundlæggende fysisk grund, der giver en af ​​enantiomerne en præference over den anden?

Indtil midten af ​​det 20. århundrede blev det antaget, at alle grundlæggende fysiske interaktioner ikke ændrede sig under spejlreflektion. I midten af ​​1950'erne ændrede situationen sig dramatisk: det blev forstået første teoretisk og derefter eksperimentelt, at en af ​​styrkerne, svage interaktioner, er meget asymmetriske for at erstatte højre til venstre. Selv om en svag vekselvirkning kun virker på kernen af ​​kernen og af individuelle elementære partikler, kan det også komme på atomer og molekylers egenskaber. Som følge heraf vil energien i de venstre- og højreorienterede molekyler afvige lidt, hvilket i sidste ende kunne gavne en af ​​enantiomererne.

I dette problem vil vi forsøge at estimere, i hvert fald i en vis tilnærmelse, forskellen i energi forårsaget af den svage interaktion. Selvfølgelig vil vi ikke komme ind i finesserne om at beskrive svage interaktioner, men vi vil formulere et sæt meget enkle "arbejdsregler" og følge dem.

Først og fremmest opstår uligheden mellem højre og venstre molekyler, fordi i hvert atom mellem elektronen og kernen virker ikke kun elektrisk attraktion, men også en yderligere kraft som følge af den svage interaktion. Vi vil beskrive denne ekstra kraft ved hjælp af potentiel energi.
.
her r – afstanden mellem elektronen og kernen q1, q2 – deres elektriske ladninger rw – Dette er en konstant, der karakteriserer rækkevidden af ​​den svage interaktion og er lig med omkring 10−18 m. Denne potentielle energi ligner den sædvanlige elektrostatiske attraktion mellem en elektron og en atomkerne.

og adskiller sig kun fra en ekstra eksponentiel faktor. Vi understreger endnu en gang, at denne tilnærmelse er meget uslebne, idet vi udeladt mange afhængigheder og kun efterladt den mest grundlæggende – et meget lille interval af det svage samspil.Endelig er den sidste regel dette: Vi mener, at de spejlet molekyler kun adskiller sig i, at i de venstre molekyler er den samlede potentielle energi i hvert atom skrevet som V + vw, og i højre – som V – Vw. Således opstår forskellen mellem disse molekylers energier kun på grund af den ekstra potentielle energi.

opgave

Baseret på dette sæt regler, stemme i størrelsesorden er forskellen energierne i højre og venstre molekyler.


hjælpe

Formlen for potentiel energi – hvad enten det er en almindelig elektrisk attraktion eller en ekstra kraft – er bare en formel, ikke et svar, fordi dette udtryk afhænger af r – afstanden mellem kernen og elektronen. For at få et svar fra det (i det mindste i størrelsesorden) er det påkrævet at korrekt estimere de typiske afstande, der karakteriserer elektroner i et atom og erstatte dem i formlen. (En lidt mere præcis formulering: vi skal tælle middelværdien af ​​denne energi i en bestemt elektronisk tilstand.)

Forestil dig, hvad en typisk elektronmoln ser ud, tegne en graf for yderligere potentiel energi og prøv at estimere dets gennemsnitsværdi i denne elektronsky.Substitue derefter den kendte størrelse af atomerne og radiusen af ​​den svage interaktion og estimer det relative additiv til elektronenergien i atomet. For enkelhed kan vi antage at ladningen af ​​kernen er lille.


beslutning

Jordens tilstand af en elektron i et atom er en mere eller mindre homogen sky med en størrelse på ca. a ≈ 10−10 Derfor er det tilstrækkeligt at erstatte, når man estimerer den gennemsnitlige potentielle energi i en elektrostatisk interaktion r ≈ a. Energien i dette tilfælde vil være E ≈ q1q2 / aog dette er den typiske energi af en elektron i et atom.

For at estimere den ekstra energi, der er forårsaget af den svage interaktion, skal du være opmærksom på den stærke skalaforskel. rw og en. Hvis i formlen for Vw at erstatte r = a, vil den eksponentielle multiplikator blive sindssyg lille, e−100 000 000, det vil sige i ingen eksperimenter kan det skelnes fra nul. Eksponentiel multiplikator e-R / rw markant forskelligt fra nul kun i afstande af ordren r. rw «A. Med andre ord, på skalaen af ​​størrelsen af ​​atomstørrelser, er den nye kraft faktisk fraværende.

Fig. 2. Grafer af potentiel energi ved elektrostatisk attraktion (til venstre) og den ekstra kraft, der skyldes svag interaktion (til højre). Over hver graf er en elektron sky skematisk afbildet; kun en meget lille del af elektron skyen mærkes, markeret med en cirkel

Dette betyder imidlertid ikke, at den er fraværende. generelt. En elektron er en sløret sky, og en meget lille del af den er meget tæt på kernen, herunder i afstande af rækkefølgen af rw (se fig. 2). For s-elektroner kan denne fraktion estimeres blot i volumen: rw3 mod selve atomets volumen en3. Svag interaktion på så tætte afstande stiger til ca. q1q2 / rwsandsynligheden for at finde en elektron så tæt er dog meget lille: (rw / a)3. Derfor vil den samlede effekt af denne nye kraft være så meget svagere: ΔE ≈ q1q2 rw2/ a3.

For at få noget nummer skriver vi relativ værdien af ​​denne energi: ΔE / E = (rw / a)2 = 10−16. Typiske energier på elektroniske niveauer er elektronvolt, så ΔE-værdien selv ligger i området 10−16 eV, som selvfølgelig er ganske lille. Inden for vores forenklede "arbejdsbestemmelser", ΔE, der er forøget flere gange, vil forskellen være i energierne i højre og venstre molekyler.


efterskrift

Vores model af molekylær opdeling på grund af svage interaktioner er selvfølgelig meget primitiv.Vi tog ikke hensyn til forskellen mellem den svage og elektriske ladning af kernen, afhængigheden af ​​den svage interaktion på antallet af protoner og neutroner, forklarede ikke, hvordan kræfterne i atomerne påvirker egenskaberne af højre og venstre molekyler, og hvor blev tallet rw10−18 Alt dette kræver i det mindste en undersøgelse af fundamentet for kvantemekanik. Imidlertid blev en nøgleideal illustreret: Svag interaktion kan påvirke atomernes og molekylernes egenskaber på bekostning af meget tætte, næsten kontakt interaktioner mellem elektronen og kernen. På grund af den kendsgerning, at den er kortvarig, opnås de energiforskydninger, der er forårsaget af det, af mange størrelser mindre end elektrostatisk energi.

Til reference siger vi, at de reelle beregninger af, hvordan svag interaktion påvirker egenskaberne af atomer og molekyler, afviger markant fra vores vurdering. For det første er den ekstra kraft meget stærkt afhængig af kernens ladning. Inden for enkelte atomer kan svage interaktionseffekter (for eksempel blanding af energiniveauer med forskellige symmetrier) nå værdier af størrelsesordenen 10−10 fra energierne selv. For det andet, i molekylære fænomener, sammenlignet med atomiske dem, er disse virkninger endnu mere svækket, og selv gevinsten fra en stor atomladning hjælper ikke engang dem.Realistiske beregninger viser, at den typiske opdeling mellem rigtige højre og venstre molekyler er ca. 10−18 eV og mindre. Ikke desto mindre blev disse virkninger opdaget eksperimentelt: i 1978 for individuelle atomer, i 1999 for molekyler-enantiomerer.

Bevæbnet med disse tal, lad os vende tilbage til det oprindelige spørgsmål: Kan svage interaktioner være årsagen til, at livet udelukkende er baseret på venstreorienterede aminosyrer? Ved første øjekast synes dette fuldstændig utroligt. Selvfølgelig er der i termisk ligevægt altid en fordel ved stater med lavere energi, da antallet af partikler med energi E normalt er proportional med e-E / kT. For rumtemperatur er værdien af ​​kT = 0,026 eV derfor med en energiforskelse på 10−18 eV venstre molekyler vil sejre over de rigtige i gennemsnit i ét tilfælde ud af et dusin quadrillioner. En sådan forskel er helt tabt på baggrund af almindelige udsving i antallet af partikler. For at gøre det mærkbart, skal du syntetisere mindst 1032 molekyler, det vil sige tusindvis af tonsvis af materie.

Men mere omhyggelig undersøgelse viser, at selv den svage overvejelse af en enantiomer over den anden kan gradvist ophobes,hvis der i lang tid er store reaktioner med chirale molekylers deltagelse. Så synes det allerede sandsynligt, at en af ​​de rumlige orienteringer forr eller senere vil sejre over den anden, og så skub den helt ud. Teoretiske skøn viser, at titusinder af år kan være nok til dette. Men mellem "der kan være nok" og "virkelig sker" – en stor afstand. Desuden er spørgsmålet om, hvorvidt den observerede chirale renhed af aminosyrer i det jordiske liv faktisk er forårsaget af denne grund – der er andre muligheder. Dette spørgsmål er endnu ikke blevet besvaret på trods af al dets tiltrækningskraft og trods mange eksperimentelle og teoretiske studier. En oversigt over situationen fra 2008 findes i bogen Oprindelse af chiralitet i livets molekyler. Således forbliver antagelsen om den rolle, svag interaktion i homokiraliteten hos de levende, meget interessant, men stadig en hypotetisk mulighed.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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