ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและ chirality ของโมเลกุลทางชีววิทยา• Igor Ivanov •งานวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่นิยมใน "Elements" •ฟิสิกส์

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและ chirality ของโมเลกุลทางชีวภาพ

มะเดื่อ 1 โมเลกุลอสมมาตรที่มีอะตอมที่แตกต่างกันเช่นอะลานีนอะมิโนอะมิเนียมที่แสดงไว้ในที่นี้สามารถมีอยู่ได้ในการกำหนดค่าเชิงพื้นที่สองแบบซึ่งเป็นภาพสะท้อนของกันและกัน (สองเอนไซมเมอร์) กำลังของอะตอมทั้งหมดที่ทำหน้าที่อยู่ในตัวมันจะเหมือนกันยกเว้นปฏิกิริยาที่อ่อนแอซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างเล็กน้อยในพลังงานของเอนอโนแฟ็กเมอร์เทียบกับแต่ละอื่น ๆ มันน่าจะเป็นเรื่องที่ดึงดูดมากในการอธิบายถึงความจริงที่ว่าโมเลกุลทางชีวภาพถูกสร้างขึ้นมาในรูปแบบเดียวกันของเอนไซโทเมอร์ ภาพจาก worldofbiochemistry.blogspot.com

คำถามเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตมีอยู่หมู่คนหนึ่งปริศนาที่ได้รับการทรมานนักวิจัยสำหรับศตวรรษครึ่ง: ทำไมมีข้อยกเว้นที่หายากมากคือโมเลกุลทางชีววิทยาทั้งหมดซ้ายมือและไม่ถูกต้อง? ถ้าเราใช้โมเลกุลสมมาตรที่ไม่สมมาตรมากเกินไปซึ่งประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกันหลายตัวแล้วจะสามารถอยู่ในรูปแบบของสองตัวเอนอโนไดเมอร์ – การกำหนดค่าเชิงพื้นที่ที่แตกต่างจากการสะท้อนของกระจกและไม่ได้ถูกแปลเข้าสู่กันและกันโดยการหมุนใด ๆ (รูปที่ 1) ดูเหมือนว่าจากมุมมองของเคมี, enantiomers เป็นอย่างเท่ากัน – และพลังงานของโมเลกุลเหล่านี้ควรจะเหมือนกัน,และปฏิกิริยาทางเคมีกับการมีส่วนร่วมของพวกเขาควรดำเนินการในอัตราเดียวกันถ้าของหลักสูตรโมเลกุลอื่น ๆ ทั้งหมดจะถูกมิเรอร์ และแน่นอนในปฏิกิริยาของการสังเคราะห์ของโมเลกุลอสมมาตรจากตัวกลางเชิงเส้นสมมาตรเกิดขึ้นในรูปของส่วนผสม racememic นั่นคือในตัวมันอย่างเท่าเทียมกันและเหล่านั้นและคนอื่น ๆ อย่างไรก็ตามโปรตีนในสิ่งมีชีวิตสร้างขึ้นจากกรดอะมิโนของ chirality ที่กำหนดอย่างเคร่งครัด ความบริสุทธิ์ของ chiral ในชีวิตมาจากไหน? เป็นโอกาสอันบริสุทธิ์เบื้องหลังหรือมีเหตุผลทางกายภาพบางประการที่ให้ความสำคัญกับหนึ่งในเอนอโนมาเมอร์มากกว่าเรื่องอื่น ๆ หรือไม่?

จนถึงช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เชื่อว่าการปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐานไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การสะท้อนของกระจก ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1950 สถานการณ์เปลี่ยนไปอย่างมาก: เป็นที่เข้าใจกันในทางทฤษฎีก่อนแล้วจึงทดลองว่าหนึ่งในกองกำลังปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมีความไม่สมมาตรมากเกี่ยวกับการแทนที่สิทธิจากซ้ายไปขวา แม้ว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอจะทำหน้าที่เฉพาะในขนาดของนิวเคลียสและอนุภาคมูลฐานแต่ละตัว แต่ก็สามารถเกิดขึ้นได้กับสมบัติของอะตอมและโมเลกุล เป็นผลให้พลังงานของโมเลกุลที่ด้านซ้ายและด้านขวาจะแตกต่างกันเล็กน้อยซึ่งในที่สุดจะได้รับประโยชน์อย่างใดอย่างหนึ่งของ enantiomers

ในปัญหานี้เราจะพยายามประเมินความแตกต่างของพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อ่อนแออย่างน้อยที่สุดในความใกล้เคียงบางประการ แน่นอนเราจะไม่เข้าไปในรายละเอียดปลีกย่อยในการอธิบายปฏิกิริยาที่อ่อนแอ แต่เราจะกำหนด "กฎการทำงาน" ที่เรียบง่ายและปฏิบัติตามพวกเขา

ประการแรกความไม่เท่าเทียมกันระหว่างโมเลกุลด้านขวาและด้านซ้ายเกิดขึ้นเนื่องจากในแต่ละอะตอมระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสทำหน้าที่ดึงดูดสายตาไฟฟ้าไม่เพียง แต่ยังเป็นแรงเสริมที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอ เราจะอธิบายแรงเพิ่มเติมนี้ด้วยความช่วยเหลือของพลังงานที่อาจเกิดขึ้น
.
ที่นี่ R – ระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส, Q1, Q2 – ค่าไฟฟ้าของพวกเขา, RW – นี่คือค่าคงที่ที่บ่งบอกถึงช่วงของปฏิกิริยาที่อ่อนแอและมีค่าเท่ากับประมาณ 10−18 m. พลังงานที่มีศักยภาพนี้คล้ายคลึงกับแรงดึงดูดประจุไฟฟ้าปกติระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสของอะตอม

และแตกต่างจากมันเท่านั้นโดยปัจจัยชี้แจงพิเศษ เราเน้นอีกครั้งว่าการประมาณนี้หยาบมากในนั้นเราข้ามการพึ่งพาจำนวนมากและเหลือเพียงขั้นพื้นฐานที่สุดเท่านั้นซึ่งเป็นช่วงที่มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมากสุดท้ายกฎสุดท้ายคือ: เราเชื่อว่าโมเลกุลมิเรอร์แตกต่างกันเฉพาะในการที่โมเลกุลซ้ายพลังงานที่มีศักยภาพโดยรวมในทุกอะตอมเขียนเป็น V + vW, และด้านขวา – เป็น V – VW. ดังนั้นความแตกต่างระหว่างพลังงานของโมเลกุลเหล่านี้เกิดขึ้นเพียงเพราะพลังงานที่มีศักยภาพเพิ่มเติม

งาน

ขึ้นอยู่กับชุดของกฎนี้, โหวต การสั่งซื้อของความแตกต่างสำคัญระหว่างพลังงานที่เหมาะสมและโมเลกุลซ้ายส่ง


ช่วย

สูตรสำหรับพลังงานที่มีศักยภาพ – ไม่ว่าจะเป็นสถานที่ท่องเที่ยวไฟฟ้าสามัญหรือบังคับเพิ่มเติม – นี้เป็นสูตรและไม่ได้คำตอบเพราะมันขึ้นอยู่กับการแสดงออก R – ระยะห่างระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน ที่จะได้รับการตอบสนองนั้น (อย่างน้อยในลำดับความสำคัญ) มันเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องประเมินระยะทั่วไปพัฒนาการอิเล็กตรอนในอะตอมและแทนพวกเขาในสมการ (เล็ก ๆ น้อย ๆ สูตรที่แม่นยำมากขึ้น: เราควรจะนับค่าเฉลี่ยของการใช้พลังงานในรัฐอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง.)

ลองจินตนาการถึงสิ่งที่ดูเหมือนว่าเมฆอิเล็กตรอนทั่วไปวาดกราฟของพลังงานที่มีศักยภาพเพิ่มเติมและพยายามที่จะประเมินค่าเฉลี่ยในเมฆอิเล็กตรอนแทนขนาดอะตอมของอะตอมและรัศมีของการปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและประมาณค่าสัมพัทธ์ของอนุภาคกับพลังงานอิเล็กตรอนในอะตอม เพื่อความเรียบง่ายเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าค่าของนิวเคลียสมีน้อย


การตัดสิน

สถานะพื้นของอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นเมฆที่เป็นเนื้อเดียวกันมากหรือน้อยมีขนาดประมาณ 10−10 ดังนั้นเมื่อประเมินพลังงานที่มีศักยภาพโดยเฉลี่ยของปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตก็พอเพียงเพื่อทดแทน r ≈ a. พลังงานในกรณีนี้จะเป็น E ≈ q1Q2 / aและนี่คือพลังงานทั่วไปของอิเล็กตรอนในอะตอม

ในการประเมินพลังงานเพิ่มที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอให้คำนึงถึงความแตกต่างของระดับ RW และ . ถ้าอยู่ในสูตรสำหรับ VW เพื่อทดแทน r = a, ตัวคูณเลขยกกำลังจะกลายเป็นขนาดเล็กเมามัน, อี−100 000 000นั่นคือในการทดลองไม่สามารถจะแตกต่างจากศูนย์ ตัวคูณเลขลำดับ อี-r / rW แตกต่างจากศูนย์อย่างชัดเจนในระยะทางของคำสั่ง r ~ rW « a. กล่าวอีกนัยหนึ่งในขนาดของคำสั่งของขนาดอะตอม, แรงใหม่เป็นจริงขาด

มะเดื่อ 2 กราฟแสดงศักยภาพของพลังงานไฟฟ้าสถิต (ด้านซ้าย) และแรงเสริมที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอ (ด้านขวา) ด้านบนแต่ละกราฟเป็นภาพอิเล็กตรอน มีเพียงเศษเสี้ยวของอิเล็กตรอนที่เล็กมากเท่านั้นที่ถูกทำเครื่องหมายด้วยวงกลม

อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้หมายความว่ามันไม่อยู่ โดยทั่วไป. อิเล็กตรอนเป็นเมฆที่เบลอและบางส่วนมีขนาดเล็กมากอยู่ใกล้กับแกนรวมถึงระยะทางที่เรียงตามลำดับ RW (ดูรูปที่ 2) สำหรับ s- อิเล็กตรอนเศษนี้สามารถประมาณได้โดยปริมาตร: RW3 กับปริมาณของอะตอมเอง 3. การปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอในระยะใกล้ ๆ จะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ Q1Q2 / rWอย่างไรก็ตามความน่าจะเป็นของการค้นพบอิเล็กตรอนใกล้เคียงมีน้อยมาก: (RW / a)3. ดังนั้นผลรวมของแรงใหม่นี้จะลดลงมาก: ΔE≈ Q1Q2 RW2/ a3.

เพื่อให้ได้จำนวนที่เราเขียน ญาติ ค่าของพลังงานนี้: ΔE / E = (RW / a)2 = 10−16. ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปคืออิเล็กตรอนโวลต์ดังนั้นค่าΔEจะอยู่ในพื้นที่ 10−16 eV ซึ่งแน่นอนว่าค่อนข้างน้อย ภายใน "กฎการทำงาน" ของเราง่ายขึ้นΔEเพิ่มขึ้นหลายครั้งจะเป็นความแตกต่างของพลังงานของโมเลกุลด้านขวาและด้านซ้าย


เล่ม

รูปแบบของการแบ่งโมเลกุลเนื่องจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอเป็นของดั้งเดิมมากเราไม่ได้คำนึงถึงความแตกต่างระหว่างค่าไฟฟ้าที่อ่อนแอและประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสการพึ่งพาปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอกับจำนวนโปรตอนและนิวตรอนไม่ได้อธิบายว่าแรงภายในอะตอมมีผลต่อสมบัติของโมเลกุลด้านขวาและซ้ายและจำนวนที่เท่าไร RW10−18 ทั้งหมดนี้ต้องมีอย่างน้อยการศึกษาพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม อย่างไรก็ตามความคิดที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแออาจส่งผลต่อสมบัติของอะตอมและโมเลกุลที่มีค่าใกล้เคียงเกือบ ติดต่อ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส เนื่องจากความจริงที่ว่าเป็นช่วงสั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดจากมันจะได้รับโดยคำสั่งจำนวนมากน้อยกว่าพลังงานไฟฟ้าสถิต

สำหรับการอ้างอิงเรากล่าวว่าการคำนวณจริงของการมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมีผลต่อสมบัติของอะตอมและโมเลกุลแตกต่างจากการประเมินของเราอย่างไร ก่อนอื่นแรงขึ้นอย่างมากขึ้นอยู่กับค่าของนิวเคลียส ภายในอะตอมแต่ละตัวผลกระทบของปฏิกิริยาที่อ่อนแอ (ตัวอย่างเช่นการผสมระดับพลังงานกับสมมาตรที่แตกต่างกัน) สามารถบรรลุค่าตามลำดับที่ 10−10 จากพลังตัวเอง ประการที่สองในปรากฏการณ์โมเลกุลเมื่อเทียบกับอะตอมอะตอมผลกระทบเหล่านี้ยิ่งอ่อนแอลงและแม้แต่ผลประโยชน์จากการประจุนิวเคลียร์ที่มีขนาดใหญ่ไม่ได้ช่วยพวกเขาการคำนวณที่สมจริงแสดงให้เห็นว่าการแบ่งแยกระหว่างโมเลกุลที่แท้จริงกับด้านซ้ายเป็นเรื่องปกติประมาณ 10−18 eV และน้อยกว่า อย่างไรก็ตามผลกระทบเหล่านี้ถูกค้นพบโดยการทดลอง: ในปีพ. ศ. 2521 สำหรับอะตอมแต่ละตัวในปีพ. ศ. 2542 สำหรับโมเลกุล – เอนเทอร์โมเมอร์

อาวุธที่มีตัวเลขเหล่านี้ให้เรากลับไปที่คำถามเดิม: ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอไม่สามารถเป็นเหตุผลที่ชีวิตจะขึ้นอยู่เพียงอย่างเดียวกับกรดอะมิโนที่มือซ้าย? ได้อย่างรวดเร็วก่อนนี้ดูเหมือนไม่น่าเชื่ออย่างสมบูรณ์ แน่นอนว่าในความสมดุลของความร้อนมักมีข้อดีของรัฐที่มีพลังงานลดลงเนื่องจากจำนวนอนุภาคที่มีพลังงาน E มักจะเป็นสัดส่วนกับ อี-E / kT. อย่างไรก็ตามสำหรับอุณหภูมิห้องค่าของ kT = 0.026 eV จึงมีค่าพลังงานแตกต่างกันคือ 10−18 eV ซ้ายโมเลกุลจะเหนือกว่าคนที่ใช่โดยเฉลี่ยในหนึ่งกรณีออกจาก quadrillions โหล ความแตกต่างดังกล่าวจะหายไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับความผันผวนตามปกติของจำนวนอนุภาค เพื่อให้เห็นได้ชัดคุณต้องสังเคราะห์อย่างน้อย 1032 โมเลกุลนั่นคือหลายพันตันของสสาร

อย่างไรก็ตามการศึกษาอย่างรอบคอบมากขึ้นแสดงให้เห็นว่าแม้แต่ความเด่นน้อยกว่าหนึ่ง enantiomer กว่าอื่น ๆ สามารถค่อยๆสะสม,ถ้าในปริมาณมากเป็นเวลานานมีปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่องโดยมีส่วนร่วมของโมเลกุล chiral จากนั้นก็ดูเหมือนว่าน่าจะเป็นไปได้ว่าไม่ช้าก็เร็วการกำหนดทิศทางเชิงพื้นที่จะมีผลเหนือกว่าสิ่งอื่น ๆ และจากนั้นก็ดันมันออกไปอย่างสมบูรณ์ การประมาณการทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่านับหมื่นปีอาจเพียงพอสำหรับเรื่องนี้ อย่างไรก็ตามระหว่าง "สามารถมีได้" และ "เกิดขึ้นจริง" – ระยะทางที่ดี นอกจากนี้ยังคงมีคำถามว่าความบริสุทธิ์ของสารอะมิโนในชีวิตบนบกมีสาเหตุมาจากเหตุผลนี้หรือยังมีความเป็นไปได้อื่น ๆ คำถามนี้ยังไม่ได้รับคำตอบแม้จะมีความดึงดูดใจและแม้จะมีการทดลองและการศึกษาเชิงทฤษฎี ภาพรวมของสถานการณ์ในปีพ. ศ. 2551 สามารถดูได้จากหนังสือกำเนิดแห่งความเป็นมนุษย์ในโมเลกุลของชีวิต ดังนั้นสมมติฐานเกี่ยวกับบทบาทของการปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอใน homochirality ของชีวิตยังคงเป็นที่น่าสนใจมาก แต่ก็ยังเป็นไปได้สมมุติ


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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