Квантовое туннелирование электронов в биологии

Де-волт и Чанс провели свой знаменитый эксперимент в 1966 году. Прошло всего несколько лет, и неожиданный температурный профиль эксперимента оказался вполне объяснимым. Джон Хопфилд – еще один американский ученый, сфера интересов которого охватывает несколько научных дисциплин – от молекулярной биологии и физики до компьютерных технологий. Хопфилд знаменит прежде всего как изобретатель ассоциативной нейронной сети, однако его всегда интересовали также и физические процессы, имеющие большое значение для биологии. В 1974 году он опубликовал работу под названием «Перенос электронов между биомолекулами путем термоактивированного туннелирования» [8], в которой предложил теоретическую модель, объясняющую результаты эксперимента Де-волта и Чанса. Хопфилд указал на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний будет недостаточно для того, чтобы поддержать ферментативную реакцию. Однако Де-волт и Чанс обнаружили, что реакция не прекращается при низких температурах. Хопфилд предположил, что при низких температурах электрон приводится в положение, при котором он оказывается на середине склона энергетического холма, при этом расстояние до вершины, которое он должен преодолеть, становится короче, а шансы на успешное осуществление квантового туннелирования – выше. И он оказался прав: перенос электронов путем туннелирования происходит даже при очень низких температурах, как и показали Де-волт и Чанс.

В наши дни не многие ученые ставят под сомнение тот факт, что электроны путешествуют по дыхательным цепям путем квантового туннелирования. Это позволяет отнести важнейшие реакции покорения энергии в живых и (нефотосинтезирующих) микробных клетках строго к сфере квантовой биологии (о фотосинтезирующих клетках мы будем говорить в следующей главе). Однако электроны очень легкие, даже по меркам квантового мира, а их поведение явно имеет волновую природу. Таким образом, их движение нельзя описывать как хаотичное толкание и отскакивание друг от друга по аналогии с классическими маленькими частицами, несмотря на то что во многих стандартных работах по биохимии, опирающихся на планетарную модель атома, их движение описывается именно так. Намного более обоснованными и подходящими являются представления об электронах в атоме как о расфокусированном волновом облаке «электронности», которое окружает крошечное ядро, – «облаке вероятности», о котором мы говорили в главе 1. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что электронные волны способны проходить сквозь энергетические барьеры, словно звуковые волны сквозь стены (см. главу 1), даже в биологических системах.

А как насчет более крупных частиц, таких как протоны или даже целые атомы? Возможно ли их участие в квантовом туннелировании в биологических системах? Скорее всего, вы думаете, что это невозможно. Даже один протон в две тысячи раз тяжелее электрона, а ведь известно, что механизм квантового туннелирования весьма избирателен в этом плане: маленькие частицы легко преодолевают барьеры, в то время как крупные частицы испытывают в этом значительные трудности до тех пор, пока расстояние до вершины барьера не становится слишком малым. Тем не менее недавние блистательные эксперименты показали, что даже относительно крупные частицы осуществляют квантовое туннелирование в ходе ферментативных реакций.

Перемещение протонов

Как вы помните, фермент коллагеназа (см. рис. 3.4) не только стимулирует перенос электронов, но и перемещает протоны с целью ускорить распад коллагеновой цепи. Как уже упоминалось, данная реакция является одним из самых распространенных типов манипулирования частицами, которое осуществляют ферменты. Перемещение атома водорода происходит в каждой третьей реакции с участием ферментов. Обратите внимание на то, что под словосочетанием «атом водорода» могут подразумеваться разные частицы: нейтральный атом водорода (Н), состоящий из электрона, окружающего ядро атома (протон); положительно заряженный ион водорода (Н+), представляющий собой голое ядро – протон без электрона; или отрицательно заряженный ион – атом водорода с дополнительным электроном (Н—).

Как скажет вам любой уважающий себя химик или биохимик, перемещение атомов (хорошо, протонов) водорода внутри одной молекулы или между двумя разными не обязательно подразумевает некий квантовый эффект или по крайней мере явление, для объяснения которого мы должны обращаться к замысловатым процессам квантового мира, например к туннелированию. В самом деле, считается, что в большинстве реакций, протекающих при температурах, при которых возможна жизнь, протоны перемещаются от молекулы к молекуле в основном неквантовыми тепловыми скачками. Однако туннелирование протонов происходит в ходе нескольких реакций, для которых характерна относительная независимость от температуры – реакций, похожих на ту, которую провели Де-волт и Чанс, чтобы продемонстрировать туннелирование электронов.

Жизнь возможна при высоких температурах (по меркам квантового мира). Поэтому на протяжении почти всей истории биохимии ученые полагали, что перенос протонов в ферментативных реакциях обусловлен исключительно неквантовым механизмом скачка через энергетический барьер. Уверенность биохимиков пошатнулась в 1989 году, когда Джудит Клинман и ее коллеги из Беркли впервые доказали участие протонов в квантовом туннелировании в ходе ферментативных реакций [9]. Клинман давно указывала на большое значение туннелирования протонов для молекулярного механизма жизни. Более того, она утверждала, что это один из самых важных и наиболее распространенных механизмов во всей биологии. Открытие было совершено ею в ходе изучения конкретного фермента, а именно алкогольдегидрогеназы (АДГ), чья функция заключается в переносе протона из молекулы спирта в другую небольшую молекулу НАД+ и образовании НАДН (никотинамидадениндинуклеотида, молекулы, о которой мы уже говорили как об основном энергетическом барьере клетки). Команде ученых под руководством Клинман удалось подтвердить возможность туннелирования протонов, используя искусную технику кинетического изотопного эффекта. Эта идея хорошо известна в химии и заслуживает нашего с вами внимания, поскольку она доказывает едва ли не главное предположение квантовой биологии. На протяжении книги мы еще много раз будем обращаться к кинетическому изотопному эффекту.