Interacțiunea slabă și chiralitatea moleculelor biologice • Igor Ivanov • Probleme de știință populară
Fig. 1.Moleculele asimetrice cu atomi diferiți, cum ar fi aminoacidul alanina prezentat aici, pot exista în două configurații spațiale care sunt imagini în oglindă una ale celeilalte (doi enantiomeri). Toate forțele atomice care acționează în ele sunt aceleași, cu excepția interacțiunii slabe, care duce la o ușoară diferență a energiilor enantiomerilor unul față de celălalt. Ar fi foarte tentant să explicăm prin aceasta faptul că moleculele biologice sunt construite pe enantiomeri de același fel. Imagine de pe worldofbiochemistry.blogspot.com
În întrebarea originii vieții, există, printre altele, o ghicitoare care îi chinuie pe cercetători de un secol și jumătate: de ce, cu rare excepții, toate moleculele biologice sunt orientate spre stânga, și nu către dreapta? Dacă luăm o moleculă care nu este prea simetrică, constând din mai mulți atomi diferiți, atunci ea poate exista sub forma a doi enantiomeri - configurații spațiale care diferă unele de altele prin reflectarea în oglindă și nu pot fi convertite unul în celălalt prin nicio rotație (Fig. .1). S-ar părea că din punct de vedere al chimiei, enantiomerii sunt complet egali - iar energiile acestor molecule ar trebui să fie aceleași, iar reacțiile chimice cu participarea lor ar trebui să se desfășoare în aceeași viteză, cu excepția cazului în care, desigur, toate celelalte molecule sunt de asemenea oglindită. Și într-adevăr, în reacțiile de sinteză a moleculelor asimetrice din enantiomeri simetrici apar sub forma unui amestec racemic, adică conține în mod egal pe acelea și pe altele. Cu toate acestea, proteinele din organismele vii sunt construite exclusiv din aminoacizi cu o chiralitate strict definită. Cum a apărut o asemenea puritate chirală a celor vii? Este pură șansă în spatele asta sau există ceva fizic fundamentalmotivul favorizării unuia dintre enantiomeri în detrimentul celuilalt?
Până la mijlocul secolului al XX-lea, se credea că toate interacțiunile fizice fundamentale nu se schimbă în timpul reflectării în oglindă. La mijlocul anilor 1950, situația s-a schimbat dramatic: s-a înțeles mai întâi teoretic, apoi experimental, că una dintre forțe - interacțiunea slabă - este foarte asimetrică în ceea ce privește înlocuirea dreptei cu stânga. Deși interacțiunea slabă acționează numai la scara nucleului și a particulelor elementare individuale, ea poate afecta și proprietățile atomilor și moleculelor. Ca rezultat, energia moleculelor orientate spre stânga și spre dreapta va fi ușor diferită, ceea ce ar putea oferi în cele din urmă un avantaj unuia dintre enantiomeri.
În această problemă, vom încerca să estimăm, cel puțin într-o anumită aproximare, diferența de energie cauzată de interacțiunea slabă. Desigur, nu vom intra în complexitatea descrierii interacțiunii slabe, dar vom formula un set de „reguli de lucru” foarte simple și vom respecta ele.
În primul rând, inegalitatea dintre moleculele din dreapta și din stânga apare deoarece în fiecare atom dintre electron și nucleu există nu numai o atracție electrică, ci și o forță suplimentară care decurge din interacțiunea slabă. Vom descrie această forță suplimentară cu ajutorul energiei potențiale . Aici,reste distanța dintre electron și nucleu,q1,q2 sunt sarcinile lor electrice,rweste o constantă , care caracterizează domeniul de interacțiune slabă și egală cu aproximativ 10 −18 m. Această energie potențială seamănă cu atracția electrostatică obișnuită dintre un electron și un nucleu atomic și diferă de aceasta doar printr-un plus. factor exponenţial. Subliniem încă o dată că această aproximare este foarte grosieră, în ea am omis multe dependențe șia lăsat doar cele mai elementare - o rază foarte mică a interacțiunii slabe. În sfârșit, ultima regulă este următoarea: considerăm că moleculele în oglindă diferă doar prin aceea că în moleculele din stânga, energia potențială totală din fiecare atom este scrisă caV + Vw, iar în dreapta, caV − Vw. Astfel, diferența dintre energiile acestor molecule apare doar din cauza energiei potențiale suplimentare.
Pe baza acestui set de reguli,evaluațiîn ordinea mărimii diferența dintre energiile moleculelor din dreapta și din stânga.
Formula pentru energia potențială - indiferent dacă este o atracție electrică normală sau o forță suplimentară - este doar o formulă, nu un răspuns, deoarece această expresie depinde der- distanța dintre nucleu și electron. Pentru a obține un răspuns de la acesta (cel puțin în ordinea mărimii), este necesar să se estimeze corect distanțele tipice care caracterizează electronii dintr-un atom și să le înlocuiască în formulă. (Formulare puțin mai precisă: trebuie să calculăm valoarea medie a acestei energii într-o anumită stare electronică.)
Imaginați-vă cum arată un nor de electroni tipic, desenați un grafic al energiei potențiale suplimentare și încercați să estimați valoarea medie a acestuia în acest nor de electroni. Înlocuiți apoi dimensiunile cunoscute ale atomilor și raza interacțiunii slabe și estimați adaosul relativ la energia electronului din atom. Pentru simplitate, putem presupune că sarcina nucleară este mică.
Starea fundamentală a unui electron dintr-un atom este un nor mai mult sau mai puțin omogen cu o dimensiune de ordinula ≈10 −10 m. Prin urmare, la estimarea energiei potențiale medii a interacțiunii electrostatice, aceasta este suficient pentru a înlocuir ≈ a. În acest caz, energia va fiE ≈ q1q2 /a, iar aceasta este energia tipică a unui electron dintr-un atom.
Pentru a estima energia suplimentară cauzată de interacțiunea slabă, acordați atenție diferenței puternice de scară dintrerwșia. Dacăr = aeste înlocuit în formula pentruVw, atunci factorul exponențial va deveni incredibil de mic,e-100.000.000 , adică nu va fi posibil în orice experimente distinge de zero. Factorul exponențiale -r/rweste vizibil diferit de zero numai la distanțe de ordinulr
rw ≪ a. Cu alte cuvinte, la scări de ordinul dimensiunilor atomice, noua forță este practic absentă.
Fig. 2.Grafice ale energiei potențiale de atracție electrostatică (stânga) și forței suplimentare cauzate de interacțiunea slabă (dreapta). Un nor de electroni este prezentat schematic deasupra fiecărui grafic; doar o fracțiune foarte mică din norul de electroni, marcată cu un cerc, simte o forță suplimentară
Totuși, aceasta nu înseamnă că este absentîn general. Un electron este un nor mânjit și o parte foarte mică a acestuia este foarte aproape de nucleu, inclusiv la distanțe de ordinulrw(vezi Fig. 2). Pentru electronii s, această fracție poate fi estimată pur și simplu prin volum:rw3 față de volumul atomului însușia3 . Interacțiunea slabă la distanțe atât de apropiate crește la aproximativq1q2 /rw, dar probabilitatea de a găsi un electron atât de aproape este foarte mică: (rw /a) 3 . Prin urmare, efectul general al acestei noi forțe va fi la fel de mult mai slab: ΔE ≈q1q2 rw2/a3.
Pentru a obține un număr, să scriemvaloarea relativăa acestei energii: ΔE/E = (rw /a) 2 = 10 −16 . Energiile tipice ale nivelurilor electronice sunt electronvolți, astfel încât valoarea lui ΔE în sine se află în regiunea de 10-16 eV, care, desigur, este o valoare absolut slabă. În cadrul nostrusimplificat „reguli de lucru” ΔE, a crescut de mai multe ori și va fi diferența în energiile moleculelor din dreapta și din stânga.
Postfaţă
Modelul nostru de împărțire a nivelurilor moleculare din cauza interacțiunii slabe este, desigur, foarte primitiv. Nu am luat în considerare diferența dintre sarcinile slabe și electrice ale nucleului, dependența interacțiunii slabe de numărul de protoni și neutroni, nu am explicat modul în care forțele din interiorul atomilor afectează proprietățile moleculelor din dreapta și din stânga și de unde provine numărulrw ≈10 −18 m Toate acestea necesită cel puțin un studiu al fundamentelor mecanicii cuantice. Cu toate acestea, a fost ilustrată o idee cheie: interacțiunea slabă poate afecta proprietățile atomilor și moleculelor datorită unei interacțiuni foarte strânse, practicde contactîntre un electron și un nucleu. Datorită faptului că este cu rază scurtă de acțiune, deplasările de energie cauzate de acesta sunt cu multe ordine de mărime mai mici decât energia electrostatică.
Pentru referință, să spunem că calculele reale ale modului în care interacțiunea slabă afectează proprietățile atomilor și moleculelor diferă semnificativ de estimarea noastră. În primul rând, forța suplimentară depinde foarte mult de sarcina nucleară. În cadrul atomilor individuali, efectele slabe de interacțiune (de exemplu, amestecarea nivelurilor de energie cu diferite simetrii) pot atinge valori de ordinul a 10-10 din energiile în sine. În al doilea rând, în fenomenele moleculare, în comparație cu cele atomice, aceste efecte sunt și mai slăbite, și nici măcar nu sunt prea ajutate de amplificarea dintr-o sarcină nucleară mare. Calculele realiste arată că împărțirea tipică dintre moleculele drepte și stângaci adevărate este de ordinul a 10 -18 eV sau mai puțin. Cu toate acestea, aceste efecte au fost descoperite experimental: în 1978 pentru atomi individuali, în 1999 pentru molecule-enantiomeri.
Înarmați cu aceste numere, să revenim la întrebarea inițială: deciAr putea fi forța slabă motivul pentru care viața se bazează exclusiv pe aminoacizii stângaci? La prima vedere, acest lucru pare complet neplauzibil. Desigur, în echilibrul termic există întotdeauna un oarecare avantaj de a scădea stările de energie, deoarece numărul de particule cu energie E este de obicei proporțional cue-E/kT . Cu toate acestea, pentru temperatura camerei, valoarea lui kT = 0,026 eV, prin urmare, cu o diferență de energie de 10 −18 eV, moleculele stângaci vor prevala față de cele drepte în medie într-un caz din zece cvadrilioane. O astfel de diferență se pierde complet pe fondul fluctuațiilor obișnuite ale numărului de particule. Pentru a-l face vizibil, trebuie să sintetizați cel puțin 10 32 de molecule, adică multe mii de tone de materie.
Cu toate acestea, un studiu mai amănunțit arată că chiar și o predominanță slabă a unui enantiomer asupra altuia se poate acumula treptat dacă reacțiile continue care implică molecule chirale au loc într-un volum mare pentru o perioadă lungă de timp. Atunci deja pare plauzibil ca, mai devreme sau mai târziu, una dintre orientările spațiale să aibă prioritate față de cealaltă și apoi să o înlocuiască complet. Estimările teoretice arată că zeci de mii de ani pot fi suficiente pentru asta. Cu toate acestea, există o distanță mare între „poate fi suficient” și „se întâmplă cu adevărat”. În plus, rămâne întrebarea dacă puritatea chirală observată a aminoacizilor în viața terestră sa datorat de fapt acestui motiv - la urma urmei, există și alte posibilități. Această întrebare este încă fără răspuns, în ciuda întregii sale atractive și în ciuda numeroaselor studii experimentale și teoretice. O privire de ansamblu asupra situației din 2008 poate fi găsită în Originea chiralității în moleculele vieții. Astfel, presupunerea despre rolul interacțiunii slabe în homochiralitatea celor viirămâne o posibilitate foarte interesantă, dar totuși ipotetică.