Эффекты одновременного возбуждения многих нормальных колебаний в крупной органической молекуле
Известно, что в молекуле реализуются одновременно все нормальные колебания. Даже при T = 0 возбуждены все нормальные колебания при значениях всех квантовых чисел v = 0. Этому соответствует значительная колебательная энергия крупной органической молекулы. В веществе в условиях термодинамического равновесия при T > 0 колебательные уровни энергии ансамбля молекул заселены в соответствии с распределением Больцмана. Однако, молекулярная физика до сих пор не интересовалась конкретной картиной внутримолекулярных движений в молекуле, где различные нормальные колебания возбуждены до различных значений колебательных квантовых чисел v > 0.
С помощью специально разработанных компьютерных программ мы провели ряд экспериментов, показавших, что происходит в молекуле при сложении нескольких нормальных колебаний с высокими значениями v. Оказалось, что результаты наблюдений позволяют количественно объяснить ряд биофизических явлений и предположить важность этих явлений в эволюционной истории живого вещества.
Механика суммарных колебаний в молекулярной среде.
Результат сложения нормальных колебаний в молекулярном объекте существенно зависит от симметрии объекта. Вся физика твердого тела базируется на факте наличия трансляционной симметрии в кристаллах. Там нормальные колебания среды организуются в форме стоячих волн. Получаются движения, периодические во времени и в пространстве. Это явление сравнительно легко поддается анализу и позволяет прогнозировать такие физические проявления вещества, как теплоемкость. В биополимерах симметрия отсутствует. Поэтому никакие стоячие волны в живом веществе наблюдаться не могут, а результат суммирования многих нормальных колебаний в сложной органической молекуле можно проанализировать лишь численными методами. Предсказать физические и химические следствия одновременного возбуждения нескольких колебаний до высоких значений квантовых чисел v также можно только средствами молекулярного моделирования. Наш опыт показывает, что это дает интересные результаты, ведущие к важным для биофизики заключениям.
Известно, что при сложении колебаний с произвольным соотношением частот получается результирующее непериодическое колебание. В сложной органической молекуле складываются многочисленные нормальные колебания, частоты которых лежат в очень широком диапазоне, причем отношения частот бывают совершенно произвольными. В результате, получаются движения, непериодические во времени и в пространстве. Для нас важно, что амплитуды этих движений очень прихотливо зависят от времени. В естественных колебательных координатах можно наблюдать такие моменты, когда даже при сравнительно низких возбуждениях отдельных нормальных колебаний определенные колебательные координаты вдруг приобретают большие энергии. В декартовых координатах тогда наблюдаются резкие сближения некоторых атомов в молекуле. Это дает возможность понять, диагностировать и прогнозировать явления, связанные с химическими превращениями в крупных органических молекулах.
Построена и эксплуатируется сервисная программа, позволяющая выбрать из списка всех нормальных колебаний некоторые колебания, задать значения их колебательных квантовых чисел v > 0 и наблюдать результирующие колебания. Этот инструмент удобен для упрощенной диагностики реакций. Имеется возможность непосредственно наблюдать, насколько близко участвующие в реакции атомы подходят к их новым положениям и насколько часто это случается. В фотохимической реакции можно выяснить, какие именно колебания в молекуле и насколько должны быть возбуждены излучением, чтобы реакция прошла с заметным квантовым выходом.
Для биофизики, в частности, для физики ферментативных реакций можно сделать такой вывод. Субстрат перед попаданием в полость фермента находится в тепловом равновесии со средой. Значит, в молекуле возбуждены какие-то нормальные колебания с v > 0. Вероятности этих возбуждений следуют распределению Больцмана при данной температуре. Это обеспечивает молекуле заметный запас полной колебательной энергии, поскольку молекула располагает множеством нулевых вкладов в энергию (E0 = 1/2ν см-1 для одного нулевого колебания) и несколькими вкладами повышенной энергии (Ev = ν (v + 1/2) см-1 для каждого возбужденного колебания). Попав в полость фермента, молекула не может потерять эту энергию, но не может и приобрести добавочную механическую энергию теплового движения из-за слабых связей с телом фермента. Следовательно, этот первоначальный запас колебательной энергии молекулы и есть та энергия, которая может частично потратиться на активацию реакции. И чем крупнее молекула субстрата, тем больше этот запас энергии. Этим и объясняется частично тот факт, что биохимические реакции протекают при очень низких температурах. Полное объяснение этого факта включает еще представление о туннельном механизме реакций и о роли снижения резонансных уровней ангармоническим характером колебаний молекул.
Теперь становится ясно, почему эволюция живого вещества на самой ранней стадии пошла в сторону отбора крупных жизненно важных молекул. Такие молекулы имеют многочисленные уровни колебательной энергии, что облегчает возникновение квантовых биений между различными формами реагирующей молекулярной системы. Такие молекулы могут легко запасать тепловую энергию в термодинамическом равновесии с окружением и затем тратить часть этой энергии на активацию химического превращения. Кроме того, такие молекулы конформационно чрезвычайно подвижны, что облегчает их адаптацию к условиям протекания реакций. В частности, в сложном акте ферментативной реакции молекулярная система должна проникнуть в полость фермента, там пространственно сориентироваться, а после реакции продукт и фермент должны понять, что они теперь чужие. Без конформационной подвижности, без электрон-конформационного взаимодействия по Волькенштейну такая приспособляемость была бы совершенно неосуществима.
