2014-05-10

Ефект тунелювання

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Залежність часу тунелювання від відстані

Біохіміки з Університету Дюка (Дурхам, Північна Кароліна, США) виконали дуже складні квантово-механічні розрахунки, які показали, яким чином навіть невелика кількість води істотно позначається на взаємодії білків.

Білки - це довгі ланцюжки з амінокислот. Але в живих організмах вони не витягнуті лінійно, а складним чином укладаються і тільки в такій формі проявляють свою біологічну активність. Взаємодія між білковими молекулами багато в чому визначається їх формою. Деякі білки дуже точно відповідають один одному і можуть з'єднуватися, подібно до деталей одного механізму. Через такі сполуки білки можуть обмінюватися електронами, що забезпечує перебіг біохімічних процесів.

Не завжди один білок підходить до іншого ідеально, як ключ до замка. У деяких випадках правильніше говорити про грубо спрацьовану відмичку. Вузькі просвіти шириною кілька ангстрем, які залишаються між з'єднаними білками, перешкоджають проходженню електронів, змушуючи їх іти «в обхід» через точки дотику молекул.

І все ж у деяких випадках електрони можуть подолати прірву завдяки так званому тунельному ефекту. У квантовій механіці так називають здатність частинок проникати через потенційний бар'єр навіть у тому випадку, коли для цього недостатньо енергії. Просто з деякою ймовірністю електрон виявляється по той бік бар'єру - у нашому випадку по той бік зазору між білковими молекулами. Зрозуміло, що чим більша прірва, тим нижча ймовірність того, що електрону вдасться через неї перескочити, і тим довше йому доведеться чекати щасливого випадку. На малюнку видно (чорна смуга), що збільшення дистанції на 1 ангстрем уповільнює тунелювання в 40-50 разів. При відстані 13-14 ангстрем прохід фактично повністю закривається.

Але все змінюється, коли приходить вода. Хіміки Цзяньпін Лін (Jianping Lin) та Ілля Балабін під керівництвом професора Девіда Бератана (David Beratan) з Університету Дьюка виконали складні квантово-механічні розрахунки і показали, що якщо в зазорі між білками присутні хоча б кілька молекул H2O, ефективність тунелювання електронів різко зростає . Наприклад, непереборну «всуху» дистанцію в 14 ангстрем після «змочування» електрони перетинають всього за кілька мікросекунд (блакитна смуга на малюнку).

Молекули води, що рухаються в зазорі між білками, служать своєрідними острівцями, стрибаючи по яких, електрони можуть перебратися на інший бік прірви. Оскільки кожен такий стрибок набагато коротший від повної ширини зазору, їх імовірність виявляється набагато вищою.

Досі вважалося, що в міру віддалення один від одного білкових молекул потік електронів між ними зменшується експоненціально. Але так відбувалося б тільки у вакуумі. У водному середовищі все протікає трохи інакше. На перших ангстремах тунелювання електронів дійсно сповільнюється експоненціально, але потім, як тільки в просвіт потрапить вода, ефективність тунелювання практично перестає залежати від відстані. Тільки на відстанях понад приблизно 15 ангстрем потік знову починає падати експоненціально, сходячи нанівець при відстані близько 20 ангстрем.

За словами професора Бератана, експерименти, що проводилися раніше в Нідерландах, а також у Каліфорнійському університеті в Берклі, вже наводили на думку про особливу роль води у процесах взаємодії білків, але тільки зараз ці припущення отримали теоретичне підтвердження, повідомляє Physorg.

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus