Методические материалы, статьи

Ныряя под барьер!

«Странный мир» — так назвал Даниил Данин физический микромир, где даже пустота (точнее — вакуум) обладает энергией, где материальные тела — частицы «размазываются» по своей орбите, а иные из них, оставаясь частицей, обретают свойства волны. К его странностям и неизбежности нас приучило торжество квантовой механики в последние полвека. Теперь выясняется, что его странности действуют и в микромире жизни — там, где в динамике сложных молекул рождается таинство живой материи.

Российские физики использовали один из квантово-механических эффектов для создания прибора совершенно нового типа. Автор публикуемой ниже статьи знакомит с действием этого эффекта в мире биологических макромолекул, составляющем основу жизни.

Туннелирование — не-виртуальная реальность

Так уж повелось, что по многим методам исследования биология движется в фарватере фундаментальных естественных наук, точных по своему определению. Хотя в принципе ее «квантование», то есть переход на количественные рельсы, началось задолго до возникновения новой физики нашего века.

Речь идет, конечно же, о количественном подходе к биологической проблеме, который использовал Грегор Мендель в своих теперь знаменитых опытах с горохом. Подход этот не был близок биологам XIX века, и недаром его «проглядел» Дарвин, который тоже занимался скрещиванием растений.

Плодотворная теория тем и хороша, что она позволяет провидеть направление развития экспериментальных подходов решения задач. В качестве примера можно привести концепцию светового кванта, фотона, который воздействует на хромофор — окрашенную молекулу ретиналя, — в зрительном пурпуре сетчатки нашего глаза. Энергия, приносимая фотоном, изменяет форму молекулы, сигнал об этом изменении передается молекулой белка через мембрану внутрь клетки. Так генерируется нервный импульс, передающийся в наш мозг. Из миллионов отдельных «вспышек» нервных импульсов и складывается то, что мы называем зрением.

Белковая цепь фермента с туннельным каналом в центре.
Фотон «выбивает» и электрон магния, без которого хлорофилл растений не был бы зеленым. Электрон затем «разбивает» воду на кислород и водород. Без первого мы не можем жить, а второй «заряжает» клетку энергией АТФ, без которой невозможен фотосинтез органики, представляющей основу нашего питания. Так что, как видим, квантовый подход оказался весьма продуктивным в биологии. Можно было бы привести массу других примеров, но вот — одно из самых недавних исследований. Оно основано на совершенно уникальном приложении так называемого принципа туннелирования к работе ферментов, обеспечивающих ту сложность и эффективность живых систем, какие мы видим в реальности.

Туннелированием в квантовой и атомной физике называется «подпороговое» проникновение легких частиц. Речь идет не о преодолении энергетического барьера, «запирающего» самопроизвольное протекание реакций и процессов, а как бы о протекании под ним. Представьте себе морскую волну у берега. Встречая препятствие, она может, разбившись, перелететь через него. А может просочиться снизу, если там есть щель. В физическом микромире такой эффект связан с дуалистической или двойственной природой материи, построенной из частиц-волн. Это, как известно, краеугольный камень основания всей квантовой физики.

Туннельный микроскоп позволил увидеть атомы на поверхности образца.

В норме при обычных условиях — той же комнатной температуре — газ на кухне самопроизвольно не возгорается (если у вас не особая горелка). Так же спокойно лежат и спички: горение органики, то есть ее соединение с кислородом воздуха, невозможно без преодоления энергетического барьера, то есть подведения к системе определенной энергии (газ вспыхивает только после поднесения к нему зажженной спички).

Но иногда процессы протекают и без подведения полной энергии активации. В качестве аналогии можно привести пример испарения воды. Она бурно испаряется при кипении, но медленное испарение — «высыхание» — происходит и при комнатной температуре. Проход материальной частицы под пиком энергетического барьера получил название туннелирования. Де Бройль установил, что оно связано с длиной волны частицы, например того же электрона. Длина волны обратно пропорциональна корню квадратному из массы. Между тем электрон в 1836 раз легче протона — вот почему есть сканирующий электронный туннельный микроскоп, но пока еще нет протонного.

Принцип работы туннельного микроскопа связан со способностью электрона проскакивать по туннелю зазор между кончиком иглы «пробника» и поверхностью образца. При приближении иглы к «холму» расстояние уменьшается и по туннелю устремляется большее число электронов — ток возрастает. Для его выравнивания иглу приходится поднимать, потом снова опускать. Так путем последовательных «рейсов» иглы осуществляется сканирование поверхности. Если игла слишком приблизилась к атому или молекуле, то последние «прилипают» к ней, что дает возможность перемещать частицы с места на место. Можно также разрезать молекулу, что и было однажды проделано. Но мы несколько увлеклись…

Но нас интересуют протоны…

Итак, электронный микроскоп работает, но нас-то сейчас интересуют протоны, потому что именно протоны играют решающую роль во многих биохимических процессах в клетке.

Естественно, что туннелирование облегчается при снижении температуры. В.И.Гольданский еще в 1979 году опубликовал в журнале «Нейчур» статью, где дал расчет, согласно которому значительное туннелирование протона водорода происходит только при 160 К и более низких температурах (напомним, что комнатная температура составляет 293-298 К).

Казалось бы, туннелирование протонов остается сугубо физическим процессом, поскольку ферменты уже при 200 К практически полностью «замораживаются». Физики называют такое состояние «стеклянным переходом», когда расплав при остывании остекленевает. В белковых молекулах ферментов прекращается всякое колебание атомов, а это останавливает его связывание с субстратом и течение реакции.

Потоки энергии через туннели на поверхности ферментного кристалла (компьютерная графика).
Но наука не была бы наукой, если бы она не умела взглядывать на проблему с другой стороны. Итак: если охлаждение белков ведет к полному прекращению жизни, то, может, следует их нагреть?!

Сейчас известно достаточное количество так называемых термофилов, то есть микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Один из таких микробов одарил науку знаменитой ДНК-полимеразой «Так» (сокращение от названия микроорганизма «Термофилюс акватикус»), которая сохраняет свою активность при 900С, то есть чуть ли не в кипятке!

С помощью этой самой «Так» наладили не менее знаменитую ЦПР — цепную полимеразную реакцию, которая позволяет наработать любые количества ДНК с образца, исчисляемого микрограммами. С помощью ЦПР теперь проводят идентификацию отцовства и преступников, костных останков и т.д.

Другой такой термофил — «Бациллюс стеаротермифилюс», у которого имеется фермент дегидрогеназа, — он отщепляет водород от молекулы алкоголя и переносит его на никотинамиддинуклеотид (НАД), входящий в состав очень важного витамина никотиновой кислоты.

Дегидрогеназа бациллы проявляет свою максимальную активность при температуре 650С, а при комнатной температуре он «застывает».

Эксперименты, проведенные в Беркли, показали, что основным механизмом перехода протонов водорода является в ферменте туннелирование, а не преодоление энергетического барьера!

Биохимики давно уже предполагали, что уникальные свойства биокатализаторов, к коим относятся ферменты, обусловлены их способностью каким-то образом снижать барьер. На самом же деле, действительность оказалась еще более интригующей: ферменты проводят частицы вообще под барьером — именно это и позволяет им ускорять протекание реакций в миллионы раз.

Чрезмерная жесткость мешает работе

Был подтвержден и другой принцип квантовой химии, который гласит: для протекания реакции важна также и ориентация связей относительно друг друга.

Отрыв водорода от молекулы требует «стретчинга» — растягивания связи С-Н вдоль ее координаты (все знакомы с платьями «стретч» на милых девушках, которые вынуждены время от времени одергивать слишком уж сжавшиеся кверху юбки). Растягивание связи С-Н можно сравнить с попытками «разорвать» палку, схватившись за ее концы, — гораздо легче сломать ее пополам о колено. Но связь о колено не переломишь, вот и приходится подвергать ее стретчингу.

Тут-то на первый план и выходят движения и колебания частей белковой молекулы. Они тоже очень важны для осуществления реакции стретчинга. Тонкие методы исследования показывают, насколько велика степень колебаний белкового «скелета». Еще больше, естественно, колеблются боковые цепи аминокислотных остатков, из которых построена цепь белка.

Однако скелет термофильного энзима оказывается менее гибким, чем у обычного фермента. Поэтому при охлаждении термофила до комнатной температуры интенсивность движений структурных элементов белковой молекулы заметно убывает, что приводит к снижению стретчинга и падению ферментативной активности.

Это важно также и для преодоления энергетического барьера, ширина которого зависит от расстояния между атомами двух молекул, между которыми протон перебрасывается. Интересно отметить, что термофил активен в достаточно широком температурном «формате» от 65 до 30 градусов Цельсия, но при снижении температуры еще на 5 градусов его просто «заклинивает». Это происходит в результате весьма существенного динамического перехода, который нарушает туннелирование. Вот вам и ответ на вопрос. Подобное явление для другого фермента было описано одновременно с исследованиями в Беркли.

Рассматривая особенности действия ферментов, биохимики уже давно научились оперировать со структурой их «активных центров» — того инструмента, которым фермент, собственно, и действует. Теперь им придется учитывать также и колебания белковых молекул, без которых немыслима модуляция последовательных химических «шагов» в организации ферментативной реакции.

О чем говорит новое открытие? Прежде всего, говорят авторы, необходимо по-новому взглянуть на всю нашу парадигму — систему привычных концепций и гипотез, — касающуюся ферментативного катализа.

Уже несколько лет ученые разных стран пытаются сымитировать работу ферментов с помощью каталитических антител. Это белки иммунной системы, обладающие специфичностью по отношению к тем или иным молекулам. Однако «наши» антитела оказываются значительно менее активными, чем ферменты «в натуре». Почему? Возможно, потому, что антитела «придуманы» природой для совсем других целей, а именно для фиксации молекул и их частей, что требует меньшей подвижности, нежели в молекуле фермента. Так что, как говорится, мы работаем совсем в ином, чем нужно, формате.

Странные выводы: переход в социальную сферу

От себя хотелось бы добавить нечто социальное. С одной стороны, наука должна быть гораздо гибче в своем подходе к изучению природы. Закоснелость и жесткая несклонность к изменениям старых взглядов и парадигм не идет ей на пользу. Однако финансирование современной довольно дорогой науки осуществляется ригидными государственными структурами, часто довольно жестко централизованными. Отсюда можно только приветствовать децентрализацию и дать возможность науке зарабатывать самой. Пример самого богатого человека в мире Билла Гейтса, личный капитал которого в середине июля 1999 года перевалил за 100 миллиардов долларов (пять бюджетов РФ, компания его «Майкрософт» — девятая в мире по «валовому продукту», занимает место после Испании), показывает, что это вполне возможно, для начала хотя бы в отдельно взятой стране США.

Другой комментарий более общего свойства. Термофилы живут и «работают» в экстремальных условиях, что приводит к большей жесткости их белковых структур. В условиях постоянного аврала они достигают вроде бы большей эффективности при использовании квантового эффекта туннелирования.

Однако эволюция жизни ушла из этих экстремальных очагов в более щадящие условия, где гораздо важнее оказывается гибкость и изобретательность. Так и напрашиваются аналогии с нашей историей, которая вот уже на протяжении скольких поколений проходит на фоне постоянного аврала.

Но термофилы так и не пошли по пути усложнения связей, то есть колонизации, разделения и усложнения структуры и функции клеток. Они так и застыли — при весьма эффективном, повторим, использовании квантово-механического процессинга молекул, — на низшей стадии эволюции, не дали разнообразия форм и функций, которое характерно для их более «нормальных» потомков.

Так и в обществе: авральная жизнь и работа на износ требует закономерной жесткости структур. Отказ от преодоления порога этой самой жесткости ведет к закоснелости и потере творческого стимула, без которого невозможно развитие жизни и общества в целом.

Мы пережили эпоху жесткости и окостенелости общественных структур и вроде бы постепенно и медленно возвращаемся в нормальное русло протекания социальных процессов. Осталось, кажется, немного: понизить общественную температуру и осуществить динамический переход, после чего начнется истинное развитие с его естественными колебаниями и вибрациями, столь необходимыми для нормального осуществления самых разных процессов на самых разных уровнях, начиная с квантового…

Игорь Лалаянц



См. также:
Популярность онлайн-казино в России
Сравнение онлайн и офлайн-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ЦТК 5 и ЦТК 8 данные. ЦТК 5 и ЦТК 8.;пледы турция arya
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005