Fizyka kwantowa to dziedzina nauki, która zrodziła się z bólu. Bólu po mocnym uderzeniu głową w teoretyczny sufit zwykłej fizyki, która nie daje sobie rady z pewnymi zjawiskami. A co zrobić, gdy biologia opuszcza ręce w rezygnacji podczas badania (nie tylko) ludzkiego ciała? Witamy na wydziale biochemii kwantowej.
Fizyka kwantowa to dziedzina nauki, która zrodziła się z bólu. Bólu po mocnym uderzeniu głową w teoretyczny sufit zwykłej fizyki, która nie daje sobie rady z pewnymi zjawiskami. A co zrobić, gdy biologia opuszcza ręce w rezygnacji podczas badania (nie tylko) ludzkiego ciała? Witamy na wydziale biochemii kwantowej.
Słowem kluczem do dalszych rozważań jest enzym. Wszystkie komórki, jakie znajdują się w naszym ciele, przechodzą różnego rodzaju procesy chemiczne. Żaden z tych procesów nie mógłby mieć miejsca, gdyby nie enzymy - substancje, dzięki którym te reakcje zachodzą bardzo szybko. Na tyle szybko, że życie jest w ogóle możliwe.
Kataliza wbrew zasadom
Jak przebiega kataliza enzymatyczna z punktu widzenia zwykłej mechaniki? Większość naukowców odpowie: to bardzo dobre pytanie! I zaraz potem zaczną się kłócić. Tak naprawdę, nikt nie jest w stanie dać jednoznacznej odpowiedzi. Ponadto nie tylko świat nauki czeka na poznanie tego mechanizmu. Na efekty naukowych dociekań czekają między innymi koncerny chemiczne, dla których możliwość przeprowadzania błyskawicznych przemian biochemicznych byłaby żyłą złota i krokiem milowym dla wielu dziedzin gospodarki. Owszem, produkuje się sztuczne enzymy, ale ich wydajność jest kilkukrotnie niższa niż wydajność enzymów naturalnych.
Niesamowita wydajność enzymów naturalnych łamie zasady fizyki. Wedle współczesnych praw mechaniki błyskawiczna kataliza enzymatyczna nie ma prawa zachodzić. Zastosowano więc wybieg znany już w świecie fizyki, a mianowicie opracowano model kwantowy.
Tunelem przez dogmaty
Jak to jest, że cząsteczka przedostaje się przez barierę, przez którą nie ma prawa się przedostać? Fizyka klasyczna odpowie, że jest to niemożliwe. Fizyka kwantowa z kolei stworzy tunel...
W tym przypadku powinniśmy mówić o biochemii kwantowej. Otóż zgodnie z jej ustaleniami podczas łączenia się substratu z enzymem dochodzi do zjawiska tunelowania. W normalnym świecie zasada zachowania energii mówi, że cząstka nie może przejść przez tak zwany obszar zakazany, gdyż jej własna, zbyt mała energia nie pozwoliłaby jej na to. Podczas tunelowania cząsteczka pożycza energię z zewnątrz i przedostaje się na drugą stronę bariery. No i nie zapominajmy o najważniejszym: wszystko to jest możliwe, bo materia może być jednocześnie cząsteczką i falą.
Upraszczając całość (sic!) - zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga istnieje prawdopodobieństwo, że cząstka zaistnieje po drugiej stronie bariery bez żadnego dowodu na jej przekroczenie. Inaczej - magia podparta nauką!
Ale to nie wszystko...
Zjawisko tunelowe nie do końca jednak tłumaczy superwydajne działanie enzymów. Okazuje się, że enzymy wywołują zmodyfikowane zjawisko tunelowe, specjalnie przystosowane do ich działania. Spowodowane jest to tym, że enzymy ciągle zmieniają własną strukturę, podobnie jak proteiny. Naukowcy, stosując standardowy model matematyczny, nie są w stanie dokładnie opisać procesu tunelowania właśnie przez tę zmienną.
Laikom mechanika kwantowa kojarzy się z fantastycznymi rozważaniami i nierealnymi rozwiązaniami. Do tej pory istniała ona gdzieś daleko od nas i dotyczyła spraw kosmicznych. Teraz okazuje się, że wtargnęła do naszych ciał. Jak się z tym czujecie? :-)
Źródło: Nature Chemistry