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.
Чрезмерная жесткость мешает работе
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.
Это важно также и для преодоления энергетического барьера, ширина которого зависит от расстояния между атомами двух молекул, между которыми протон перебрасывается. Интересно отметить, что термофил активен в достаточно широком температурном «формате» от65 до 30 градусов Цельсия, но при снижении температуры еще на 5 градусов его просто «заклинивает». Это происходит в результате весьма существенного динамического перехода, который нарушает туннелирование. Вот вам и ответ на вопрос. Подобное явление для другого фермента было описано одновременно с исследованиями в Беркли.