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.
Белковая цепь фермента с туннельным каналом в центре.
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…
В Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва) создан уникальный прибор, позволяющий быстро – за секунды – и надежно идентифицировать вирусы. Ученым пришла в голову отличная идея использовать в этой совершенно нетрадиционной области туннельный микроскоп. Он сканирует поверхность образца с шагом движения 0,1 ангстрема. Поскольку размеры атомов в среднем не превышают нескольких ангстрем, то можно сказать, что игла буквально ощупывает их поверхность.
Из-за малых расстояний между исследуемым объектом и катодом для работы туннельного микроскопа не требуется специальных вакуумных условий, так как на ангстремных расстояниях не происходит рассеивания электронов. А это означает, что анализируемый объект во время исследований может находиться и на воздухе, и в водной среде. Такое уникальное свойство туннельного микроскопа в лаборатории профессора Александра Суворова использовали в совершенно новой области – в вирусологии. Оказалось, что если находящийся в воде вирус попадает в промежуток между катодом и анодом, то он экранирует электрическое поле, что дает возможность получать изображение этого вируса. Методика ИТЭФ уникальна, готовится ее патентование за рубежом.
По сообщению газеты «Коммерсантъ»
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.Гольданскии 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.
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 90 С,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.
Потоки энергии через туннели на поверхности ферментного кристалла (компьютерная графика).
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 65°С, 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 биокатал и заторов, 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.
Иммунные лимфоциты в борьбе с микробами используют туннельный эффект.
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.