Molekulyar jin - Molecular demon

1-rasm. Maksvellning jinlar haqida o'ylash tajribasining sxematik shakli. Jin tez harakatlanuvchi molekulalarni sekin harakatlanadigan molekulalardan ajratib turadi va kichik lyukni tanlab ochib, tez harakatlanadigan molekulalarni A dan B ga, sekin harakatlanadigan molekulalarni B dan A ga o'tkazishini ta'minlaydi. B bo'linmasi qiziydi, A soviydi. hech qanday ish qilinmasa ham o'rtacha haroratga nisbatan. Termodinamikaning ikkinchi qonuni bilan qarama-qarshilik mavjud. Ammo farqlash qobiliyati energiya olishning bir shakli bo'lgan ma'lumot olishni talab qiladi; shuning uchun. ma'lumotlar birinchi bo'lib olingan, ammo keyin o'chirilganligi sababli tizim termodinamikaning ikkinchi qonuniga bo'ysunadi.

A Molekulyar jin yoki biologik molekulyar mashina biologik hisoblanadi makromolekula o'xshash va o'xshash xususiyatlarga ega ko'rinadi Maksvellning jinlari. Ushbu makromolekulalar yig'iladi ma `lumot ularni tanib olish uchun substrat yoki ligand hujayra ichidagi yoki hujayradan tashqari plazmada suzib yuradigan son-sanoqsiz boshqa molekulalar ichida. Bu molekulyar tanib olish energiya yutug'i yoki pasayishiga teng bo'lgan ma'lumotni anglatadi entropiya. Jin qayta tiklanganda, ya'ni ligand chiqarilganda, ma'lumotlar o'chib ketadi, energiya tarqaladi va entropiya itoat etishni kuchaytiradi termodinamikaning ikkinchi qonuni.[1] Biologik molekulyar jinlar va Maksvell jinining fikr tajribasi o'rtasidagi farq ikkinchisining ikkinchi qonunni buzganligidadir.[2][3]

Shakl 2 Protein jin (blu) va substrat yoki ligand (to'q sariq) tsiklni boshdan kechiradi, unda ikkalasi orasidagi elektromagnit o'zaro ta'sir (1 '-> 2), induktsiya qilingan fitnadan keyin konformatsion o'zgarishga olib keladi. substrat ajralib chiqadi (2 '). ATP gidrolizi oqsilni asl holiga keltiradi

Velosiped

Molekulyar iblis asosan ikkalasi o'rtasida o'zgaradi konformatsiyalar. Birinchisi yoki asosiy holat, ligand yoki substratni tanib, bog'lab qo'ygandan so'ng uyg'unlik, konformatsiyaning o'zgarishiga olib keladi, bu esa ikkinchi yarim barqaror holatga olib keladi: the oqsil-ligand kompleksi. Qayta tiklash uchun oqsil uning asl, asosiy holatiga, unga kerak ATP. ATP iste'mol qilinganda yoki gidrolizlanganda ligand ajralib chiqadi va jin yana asosiy holatiga qaytgan ma'lumotga ega bo'ladi. Tsikl yana boshlanishi mumkin[1].

Ratchet

Termodinamikaning ikkinchi qonuni - a statistik qonun. Shunday qilib, ba'zida bitta molekulalar qonunga bo'ysunmasligi mumkin. Barcha molekulalar molekulyar bo'ronga, ya'ni molekulalarning tasodifiy harakatiga ta'sir qiladi sitoplazma va hujayradan tashqari suyuqlik. Molekulyar jinlar yoki molekulyar mashinalar yoki biologik yoki sun'iy ravishda qurilgan, tasodifiy issiqlik harakati bilan doimo qonunni buzadigan yo'nalishda doimiy ravishda itariladi. Bu sodir bo'lganda va makromolekulaning harakatlanishidan orqaga siljishi yoki uning konformatsion o'zgarishini asl holatiga qaytarish mumkin bo'lganda, xuddi molekulyar jinlar singari, molekula tirnoq vazifasini bajaradi.[4][5]; masalan, a yaratilishini kuzatish mumkin gradient ionlari yoki boshqa molekulalarning hujayra membranasi, harakati vosita oqsillari filament oqsillari bo'ylab yoki shuningdek fermentativ reaktsiyadan kelib chiqadigan mahsulotlarning to'planishi. Hatto ba'zi sun'iy molekulyar mashinalar va tajribalar termodinamikaning ikkinchi qonuniga zid ko'rinadigan ratshet hosil qilishga qodir.[6][7]. Ushbu molekulyar jinlarning hammasi asl holatiga qaytarilishi kerak, keyinchalik tashqi energiya iste'mol qiladi va keyinchalik issiqlik sifatida tarqaladi. Shuning uchun entropiya ko'payadigan ushbu yakuniy bosqich qaytarilmasdir. Agar jinlar qaytariladigan bo'lsa, hech qanday ish qilinmaydi[5].

Sun'iy

Serreli va boshqalarning ishi sun'iy ratchchalarga misoldir. (2007)[6]. Serreli va boshq. qurilgan a nanomine, a rotaksan, bu halqa shaklidagi molekuladan iborat bo'lib, u A va B teng ikkala bo'linma o'rtasida kichik molekulyar o'q bo'ylab harakatlanadi, molekulalarning normal, tasodifiy harakati halqani oldinga va orqaga yuboradi. Uzuklar erkin harakatlanayotganligi sababli, rotaksanlarning yarmi B, qolgan yarmi A joylarida halqaga ega, ammo Serreli va boshq. rotaksan molekulasida kimyoviy eshik bor va o'qda ikkita yopishqoq qism mavjud, biri eshikning ikkala tomonida. Ushbu darvoza uzuk yaqinida ochiladi. B-dagi yopishqoq qism darvoza yaqinida va halqalar A-dan B-ga qaraganda osonroq A-ga o'tadi va ular A va B-ga mos ravishda 70:50 muvozanatidan og'ishdi, Maksvellning jiniga o'xshab. Ammo bu tizim faqat yorug'lik tushganda ishlaydi va shu bilan molekulyar jinlar singari tashqi energiyaga muhtoj bo'ladi.

Energiya va axborot

Landauer ma'lumot jismoniy ekanligini ta'kidladi.[8] Uning tamoyil klassik va kvantli ma'lumotlarni qayta ishlash uchun asosiy termodinamik cheklovlarni belgilaydi. Axborotni termodinamikaga kiritish va ma'lumotni manipulyatsiya qilishning entropik va energetik xarajatlarini o'lchashga katta kuch sarflandi. Axborot olish, energiya sarfiga ega bo'lgan entropiyani kamaytiradi. Ushbu energiya atrof-muhitdan to'planishi kerak.[9] Landauer bir bit ma'lumotning entropiya bilan ekvivalentligini o'rnatdi, u kT ln 2 bilan ifodalanadi, bu erda k - Boltsman doimiysi va T - xona harorati. Ushbu chegara Landauerning chegarasi deb ataladi.[10] Energiyani yo'q qilish uning o'rniga entropiyani oshiradi[11]. Toyabe va boshq. (2010) ma'lumotlarning erkin energiyaga aylanishi mumkinligini eksperimental tarzda namoyish qila oldilar. Bu spiral-zinapoyaga o'xshash potentsialdagi mikroskopik zarrachadan iborat juda oqlangan tajriba. Bosqich k ga mos keladigan balandlikka egaBT, qaerda kB bo'ladi Boltsman doimiy va T - harorat. Zarrachalar tasodifiy issiqlik harakatlari tufayli qadamlar orasiga sakraydi. Gradientdan keyin pastga sakrash yuqoriga qaraganda tez-tez uchrab turadiganligi sababli, zarracha o'rtacha zinapoyadan pastga tushadi. Ammo yuqoriga sakrash kuzatilayotganda, zarrachaning orqasida xuddi qulfni ushlashi uchun blok qo'yiladi, xuddi ratshatkada bo'lgani kabi. Shu tarzda u zinadan ko'tarilishi kerak. Ma'lumot zarrachaning joylashishini o'lchash yo'li bilan olinadi, bu energiyaning ko'payishiga, ya'ni entropiyaning pasayishiga tengdir. Ular ma'lumot uchun o'zgaruvchini o'z ichiga olgan ikkinchi qonun uchun umumlashtirilgan tenglamani qo'lladilar:

⟨ΔF− W⟩≤ kBTI

ΔF bu davlatlar orasidagi erkin energiya, V tizimda bajarilgan ishlar, kB Boltsman doimiysi, T bu harorat va Men bo'ladi o'zaro ma'lumot o'lchovlar natijasida olingan tarkib. Qavslar energiyaning o'rtacha ekanligini ko'rsatadi[7]. Ular bitli ma'lumotlarning ekvivalentini 0,28 ga o'zgartirishi mumkin kTln2 energiya yoki boshqacha aytganda, ular ma'lumotlarning energiya tarkibining to'rtdan biridan ko'prog'idan foydalanishi mumkin[12].

Kognitiv jinlar

Uning kitobida Imkoniyat va zaruriyat, Jak Monod substrat yoki ligand yoki boshqa molekulalarni "elektrikin diskriminatsiya" bilan taniy oladigan oqsillar va boshqa molekulalarning funktsiyalarini tavsifladi[2]. Ushbu molekulalarni tavsiflashda u "kognitiv" funktsiyalar atamasini kiritdi, xuddi Maksvell uning jiniga taalluqli bo'lgan kognitiv funktsiyalarni. Verner Lovenshteyn bu molekulalarni nomlaydimolekulyar jinqisqacha 'yoki' jin '[1].

Biologik molekulyar mashinalarni shu tarzda nomlash ushbu molekulalar va Maksvell iblisining o'xshashliklarini tushunishni osonlashtiradi.

Jak Monod ushbu haqiqiy diskriminatsion xususiyatga ega emasligi sababli, ushbu biologik komplekslarga teleonomik funktsiyani kiritgan. Teleonomiya yo'naltirilgan, izchil va konstruktiv faoliyat g'oyasini nazarda tutadi. Shuning uchun oqsillar barcha tirik mavjudotlarning teleonomik ko'rsatkichlarida muhim molekulyar moddalar hisoblanishi kerak.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v R., Lovenshteyn, Verner (2013-01-29). Fizikani yodda tuting: miyaning kvant ko'rinishi. Nyu York. ISBN  9780465029846. OCLC  778420640.
  2. ^ a b Monod J (1970). Le hasard et la nécessité. Essai sur la philosophie naturelle de la biologie moderne [Zamonaviy biologiyaning tabiiy falsafasi haqida imkoniyat va zaruriyat] (frantsuz tilida). Le Seuil.
  3. ^ Maksvell, Jeyms Klerk (2009). Jeyms Klerk Maksvellning ilmiy ishlari. Kembrij: Kembrij universiteti matbuoti. doi:10.1017 / cbo9780511698095. ISBN  9780511698095.
  4. ^ Blomberg, Clas (2007), "BROWNIAN RATCHET: UNIDIRECTIONAL PROSESLAR", Hayot fizikasi, Elsevier, 340-343 betlar, doi:10.1016 / b978-044452798-1 / 50031-2, ISBN  9780444527981
  5. ^ a b M., Hoffmann, Piter (2012). Hayotning zarbasi: molekulyar mashinalar tartibsizlikni qanday olib tashlaydi. Asosiy kitoblar. ISBN  9780465022533. OCLC  808107321.
  6. ^ a b Ley, Devid A.; Euan R. Kay; Li, Chin-Fa; Serreli, Viviana (2007-02-01). "Molekulyar ma'lumot tirgagi". Tabiat. 445 (7127): 523–527. doi:10.1038 / nature05452. ISSN  1476-4687. PMID  17268466.
  7. ^ a b Sano, Masaki; Muneyuki, Eyro; Ueda, Masaxito; Sagava, Takaxiro; Toyabe, Shoichi (2010-11-14). "Axborotni energiyaga aylantirish va umumlashtirilgan Jarzinskiy tengligini tasdiqlashning eksperimental namoyishi". Tabiat fizikasi. 6 (12): 988–992. arXiv:1009.5287. doi:10.1038 / nphys1821. ISSN  1745-2481.
  8. ^ Landauer, Rolf (1991). "Axborot jismoniy". Bugungi kunda fizika. 44 (5): 23–29. doi:10.1063/1.881299.
  9. ^ Sagava, Takaxiro; Horovits, Iordaniya M.; Parrondo, Xuan M. R. (2015-02-03). "Axborotning termodinamikasi". Tabiat fizikasi. 11 (2): 131–139. doi:10.1038 / nphys3230. ISSN  1745-2481.
  10. ^ Alfonso-Faus, Antonio (2013-06-30). "Axborotni energiyaga aylantirishning asosiy printsipi". Arrivi.org: 4. arXiv:1401.6052.
  11. ^ Ball, Filipp (2012). "Hisoblashning muqarrar qiymati aniqlandi". Tabiat yangiliklari. doi:10.1038 / tabiat.2012.10186.
  12. ^ "Energiyaga aylantirilgan ma'lumotlar". Fizika olami. 2010-11-19. Olingan 2019-01-30.