Mitai apie gyvalazdes - Vilniaus universitetas

More documents

Recommendations

Info

komplekso susidarymas ið esmës yra molekuliø viena kitos atpaþinimas. Molekuliø atpaþinimas yra pagrindinë skiriamoji gyvybës molekuliø savybë, nes tik makromolekuliø atpaþinimas leidþia susidaryti tvarkingoms làstelës struktûroms ir vykti reguliuojamai ir tvarkingai làstelës veiklai. Be makromolekuliø nebûtø gyvybës Ið didþiulës ávairovës organiniø molekuliø svarbiausios gyvybei yra makromolekulës, kuriø, kaip þinome, yra keturios rûðys: darbininkai baltymai-fermentai (katalizatoriai); „genetinës“ nukleorûgðtys – baltymø struktûros, informacijà sauganèios ir jà realizuojanèios baltymø sintezei; làstelës membranas sudarantys lipidai ir á làstelës (prie)membranines struktûras áeinantys ar energijos atsargas kaupiantys polisacharidai. Ið jø pirmos dvi yra vienlinijinës ir pirminës, o paskutinës dvi – antrinës, nes jas sintetina baltymai ir jos gali bûti iðsiðakojusios. Viena svarbiausiø makromolekuliø savybiø yra gebëjimas sudaryti stabilias struktûras veikiant tik silpnoms tarpmolekulinëms sàveikoms. Tà struktûrø stabilumà lemia tai, kad dvi „sulipusias“ makromolekules atskirti yra daug sunkiau nei suardyti ið atskirø monomerø sudarytà tokià pat struktûrà. Taip yra todël, kad ið makromolekulinës struktûros traukiant vienà monomerà kartu traukiami ir keli gretimi monomerai, su juo sujungti stipriais cheminiais ryðiais, ir tada reikia nugalëti ne vieno, o keliø monomerø tarpmolekulines sàveikas. Tuo tarpu iš struktûros, sudarytos ið atskirø monomerø, kurie sàveikauja daug silpnesnëmis tarpmolekulinëmis sàveikomis, gali bûti iðtraukiami-iðmuðami po vienà ir struktûra daug lengviau suardoma. Todël ið makromolekuliø sudarytos struktûros yra daug stabilesnës nei sudarytos ið atskirø nesukabintø maþø molekuliø. Beje, neiðsiðakojusios makromolekulës lengviau susiklosto á reikiamà struktûrà nei iðsiðakojusios, nes šiose atskiros šakos trukdo viena kitai. Polimerinës makromolekulës, susidedanèios ið vienodø monomerø, sudaro atsitiktinai ávairiausiai iðsirangiusius raizginëlius, neturinèius grieþtai apibrëþtos struktûros (þr. straipsnelá „Idealioji makromolekulë ...”). Todël skirtingas struktûras ir funkcijas turintys baltymai turi bûti sudaryti ið skirtingas savybes turinèiø monomerø, nes skirtingø monomerø sàveikos su aplinkos skysèiu ir kitais monomerais nevienodos ir nuo to priklauso kiekvienos makromolekulës susirangymas tik á tam tikros struktûros globulà. Pavieniai polisacharidai, susidedantys ið vienodø ar panaðiø monomerø, sudaro atsitiktinai iðsirangiusius raizginëlius, bet ið daugelio polisacharidø jau susidaro struktûros, kurios daþnai ágauna gana tvarkingà formà. Lipidø uodegëlës, nors sudarytos ið vienodø –CH –CH – grupiø, membranoje yra su- 2 2 siglaudusios, beveik negali susiraityti ar susipinti ir todël daþniausiai yra beveik tiesios. 30 Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 7 Labai svarbi makromolekuliø savybë, kad tarp jø susidaro gana stiprios tarpmolekulinës sàveikos, kai dël komplementarumo susilieèia po keliolika ar keliasdeðimt atomø ir sàveikos susisumuoja. Taip susidaro stambus keliø baltymø kompleksas, baltymas su ketvirtine struktûra, pavyzdþiui, vienà funkcijà vykdantis receptorius. Tuo paremtas ir làstelës struktûrø susidarymas, kai vienos kitas atpaþindamos makromolekulës komplementariais pavirðiais sudaro tvarkingas, pakankamai stabilias struktûras (Ðredingeris jas pavadino „netaisyklingais kristalais“). Struktûriniu atitikimu yra paremtas ir baltymø-fermentø veikimas, kai kiekvienas jø atpaþásta savo perdirbamà maþà ar didelæ molekulæ, ar vaistø specifinis veikimas, kai vaisto molekulæ atpaþásta atitinkamas baltymas-receptorius. Ið makromolekuliø sudarytos struktûros turi dar vienà gyvybei svarbià savybæ – jos yra lengvai deformuojamos ir elastingos. Linijinës makromolekulës susiraito á globulà – raizginëlá, ir ið jø sudarytos struktûros lengvai deformuojamos todël, kad jø susidarymà lemia silpnos tarpmolekulinës sàveikos. Elastingumas, t.y. atsistatymas ankstesnës struktûros po nedidelës deformacijos, yra savaiminis ir priklauso ne tik nuo deformacijos sukeltø átempimø, bet ir nuo monomerø ðiluminio judëjimo (þr. straipsnelá „Idealioji makromolekulë. Þelë, drebuèiai, guma, plastmasë, …, gyvybë“, 2006, Nr. 3). Lengva deformacija ir elastingumas yra labai svarbûs judëjimui, nes ið kietøjø daliø sudarytø struktûrø judëjimas yra susijæs su judanèiø daliø susidëvëjimu, tuo tarpu minkðtose makromolekuliø struktûrose judanèias dalis pakeièia lengva makromolekuliø deformacija ir elastingumas. Be to, minkðtø struktûrø susidûrimai net su kietais kûnais yra amortizuojami ir taip sumaþëja ardomasis poveikis. Kad makromolekulë susiraizgytø á reikiamà globulà, ið makromolekuliø susidarytø làstelës struktûra ar tos struktûros deformuotøsi, jos monomerai turi keisti tarpusavio orientacijas pasisukdami vieni kitø atþvilgiu (þr. minëtà straipsnelá „Idealioji makromolekulë …“). Toks makromolekuliø monomerø pasisukimas <strong>apie</strong> juos jungianèias viengubas δ-jungtis galimas dël savaiminio ðiluminio judëjimo, kuris yra bûtinas làsteliø struktûroms sudaryti – gyvybë be tokios makromolekuliø savybës nebûtø atsiradusi. Grieþtai apibrëþtos monomerø sekos makromolekulëms susintetinti jø monomerø iðsidëstymas turi bûti uþraðytas taip, kad já bûtø patogu „skaityti“ vykdant baltymø sintezæ. Paprastai informacija ir apskritai spausdinti tekstai uþrašomi linijine eilute, daþniausiai kietoje struktûroje. Gyvybë irgi panaudojo patogø informacijos uþraðymà linijine eilute vienlinijinëje makromolekulëje, kurioje informacijos saugojimas garantuojamas stabiliausiu bûdu – cheminëmis jungtimis, kurios yra daug stipresnës nei tarpmolekulinës sàveikos (mintis, kad „genetinë“ informacija turi bûti uþraðyta cheminëmis jungtimis, buvo išsakyta kvantinës mechanikos kûrëjo E.Šredingerio (E.Schredinger) knygoje „What is life“ (1943 m.). Pasirodë, kad „genetinæ“ informacijà saugoti labai patogu (gal ir patogiausia) nukleorûgðèiø DNR ir RNR makromolekulëse dël nukleotidø gebëjimo vandenilinëmis jungtimis atpaþinti komplementarius (papildanèius) nukleotidus ir sudaryti atitinkamas poras. Tai leidþia padaryti nukleotidø sekoje uþraðytos informacijos kopijas ir jas perduoti kitoms kartoms ar panaudoti baltymø sintezei. Tokios yra makromolekuliø savybës, kurios lemia tai, kad ne atskiros maþos molekulës monomerai, o linijinës makromolekulës yra tinkamiausios, vienintelës ir bûtinos gyvybei susidaryti ir funkcionuoti. Kitaip sakant, gyvybë negali atsirasti ir egzistuoti be makromolekuliø. Lanksèios makromolekulës yra sudarytos anglies atomø pagrindu, o á jas áeinantys azoto ar deguonies atomai sudaro jø savybiø ir funkcijø ávairovæ, kuri leidþia egzistuoti tokiai sudëtingai sistemai kaip gyvybë. Tuo tarpu periodinëje sistemoje anglies analogas silicis nesudaro polimeriniø makromolekuliø, nes jungtys tarp silicio atomø yra silpnesnës ir –Si–Si–Si– grandinëlë atmosferoje lengvai nutrûkinëja, o silicio jungtys su azoto ar deguonies atomais visuomet sudaro iðsiðakojanèias grandines ir jø sudarytos struktûros yra kietos. Kai kurie kiti atomai, nors ir gali sudaryti polimerines makromolekules, taèiau jos yra monotoniðkos sudëties ir sudaro kietas, gyvybei netinkamas, struktûras. Gyvybës skystis – vanduo Gyvybës egzistavimas yra paremtas naujø molekuliø ir makromolekuliø sinteze, o cheminës reakcijos pakankamai greitai vyksta tik skystyje. Makromolekulës susiraityti á kompaktiðkà raizginëlá bei savaime susitelkti ir sudaryti struktûras gali irgi tik skystyje savaiminiu ðiluminiu chaotiniu Brauno judëjimu. Kad molekuliø ir makromolekuliø judëjimas vyktø lengvai, skystis turi bûti neklampus, o neklampûs skysèiai yra sudaryti tik ið maþø molekuliø. Todël gyvybës skystis turi bûti sudarytas ið maþø molekuliø, ir vanduo kaip tik toks yra. Galima manyti, kad „Þemës gyvybës“ skystis vanduo yra todël, kad gyvybë jame atsirado ir vystësi, taèiau ar vanduo yra tinkamiausias skystis gyvybei ir jei taip, tai kuo jis iðsiskiria ið daugybës kitø skysèiø. Skysèiø susidarymas priklauso nuo anksèiau iðnagrinëtø tarpmolekuliniø sàveikø, dispersiniø-Londono, elektrostatiniø ir vandeniliniø jungèiø. Dispersinës-Londono sàveikos neturi aiðkios orientacijos ir todël jø sàlygoti skysèiai yra bestruktûriai ir juose molekulës yra orientuotos chaotiðkai. Be to, dispersinës-Londono sàveikos tarp maþø molekuliø yra palyginti silpnos ir tokiø medþiagø dujos skystëja tik esant palyginti
þemoms neigiamoms temperatûroms, o skysèiai lengvai garuoja. Pavyzdþiui, vandenilis H 2 skystëja, kai yra –259 °C, metanas CH 4 – –183 °C. Esant tokioms temperatûroms cheminës reakcijos, taigi ir gyvybës fermentinës reakcijos, praktiðkai nevyktø. Kai molekulës didesnës, tai dël dispersiniø-Londono sàveikø skysèiai yra klampûs ir molekuliø judëjimas juose vyksta sunkiau. Vandenilinës jungtys yra stipresnës nei dispersinës-Londono sàveikos ir jas sudaranèiø molekuliø medþiagos yra skystos net esant daug aukðtesnei temperatûrai nei dispersiniø-Londono sàveikø sàlygoti skysèiai. Kaip matëme, tik organogeniniai deguonies ar azoto atomai (vëlgi neskaitant floro) turi iðskirtinai stiprias vandenilines jungtis. Taèiau ðiø atomø maþiausiø molekuliø amoniako ir vandens sudarytø skysèiø savybës skiriasi, amoniako kietëjimo ir virimo temperatûros –77,8°C ir –33,4°C yra pastebimai þemesnës nei vandens 0,0°C ir +100°C (amoniako ir vandens analogai fosfinas PH 3 ir sieros vandenilis SH 2 vandeniliniø jungèiø nesudaro). Be to, vandeniliniø jungèiø sudaryti skysèiai struktûrizuotumu iš esmës skiriasi nuo dispersiniø-Londono sàveikø sàlygotø skysèiø. Kaip matëme, vandenilinës jungtys yra orientuotos Y atomo nepadalintos poros orbitalës kryptimi, ir vandeniline jungtimi sujungtos molekulës tampa orientuotos jos atþvilgiu. Vis dëlto vandenilinës jungties energija tik nedaug didesnë uþ ðiluminio judëjimo vidutinæ energijà, ir taip sujungtos molekulës dël fluktuacijø iðbûna gana trumpà laikà (milijardines sekundës dalis – nanosekundes). Vis dëlto tokiame skystyje dalis molekuliø (ir gana didelë) yra tarpusavyje orientuotos, iðsidësto ne visai chaotiðkai ir toks skystis jau yra struktûrizuotas. Vandens molekulës dviejø vandeniliniø jungèiø vandenilio atomai priklauso vienai molekulei, o tos molekulës sudaromø kitø dviejø vandeniliniø jungèiø vandenilio atomai – dviem kaimyninëms molekulëms. Ðios vandens molekulës sudaromos keturios vandenilinës jungtys yra orientuotos simetriðkai, nes dvi jungtys yra vienoje plokðtumoje, o kitos dvi – statmenoje pirmajai. Taip simetriškai susijungusios kelios deðimtys vandens molekuliø sudaro ledo mikrokristalëlius – klasterius, kuriuose yra didesnë dalis vandens molekuliø ir todël vandens struktûrizuotumas yra didelis (suðalæs vanduo tampa ištisiniu klasteriu – ledu, kurio struktûra yra tokia pat kaip deimanto)*. Tuo tarpu amoniako molekulës trijø vandeniliniø jungèiø vandenilio atomai priklauso vienai molekulei, o vienos vandenilinës jungties vandenilio atomas priklauso kitai, kaimyniniø molekuliø iðsidëstymas nëra toks simetriðkas ir mikroskopiniø kvazikristaliniø klasteriø beveik nesusidaro. Tad skysto amoniako struktûrizuotumo laipsnis yra maþesnis nei vandens, ir nuo to taip pat priklauso, kad skysto vandens temperatûra yra aukð- tesnë ir temperatûros intervalas daug platesnis nei skysto amoniako. Aukðtesnë vandens temperatûra lemia greitesná (bio)cheminiø reakcijø greitá, o didesnis temperatûros intervalas leidþia gyvybei egzistuoti esant didesnei sàlygø ávairovei. Todël vanduo yra tinkamesnis gyvybei nei amoniakas. Hidrofobiðkumas Kaip matyti, vanduo yra tinkama aplinka gyvybinëms funkcijoms, nes, bûdamas labiau struktûrizuotas nei amoniakas ir kiti skysèiai, jis sudaro molekulines struktûras, kurios yra stabilizuojamos netirpiø hidrofobiniø angliavandeniliniø molekuliø ar makromolekulës daliø –CH , –CH –CH , –C H 3 2 3 6 5 ir kt. Ðios angliavandenilinës molekulës ar molekuliø dalys yra netirpios todël, kad <strong>apie</strong> hidrofobines-nepolines molekules, kaip ir vandenyje, susidaro ledo klasteris, taèiau já ðiø molekuliø dispersinës-Londono sàveikos dar papildomai stabilizuoja. Todël hidrofobines molekules gaubiantis klasteris tampa stabiliu ledo karkasu ir jo molekulës netenka slenkamojo judëjimo (sumaþëja jø entropija), o ðiluma iðsisklaido á aplinkà. Vandens molekuliø judëjimas tokiame ledo klasteryje sulëtëja, jos silpniau smûgiuoja á atskiras hidrofobines molekules ir fluktuacijos, kurios gali ardyti ðá dariná, labai suretëja. Dël to hidrofobiniø molekuliø sankaupa vandenyje yra stabilizuojama ir vandenyje neiðtirpsta. Kai vandenyje susiduria dvi hidrofobinës, stabiliu ledo karkasu padengtos molekulës, tai jos susilieèia ðiais ledo karkasais. Kadangi kiekvienà karkasà stabilizuoja hidrofobiniø molekuliø dispersinës-Londono sàveikos, jø susilieèianèius ledo karkasus veikia abiejø hidrofobiniø molekuliø prieðingø krypèiø dispersinës-Londono sàveikos ir jos kompensuojasi. Tad tarp abiejø hidrofobiniø molekuliø esanèias karkaso vandens molekules nebeveikia stabilizuojanèios hidrofobiniø molekuliø dispersinës-Londono sàveikos ir juose esanèios vandens molekulës gali judëti taip pat laisvai, kaip ir visame skystyje. Tada vandens molekulës ið tarpo tarp abiejø hidrofobiniø molekuliø iðsiskirsto ir pastarosios sulimpa, o jas abi dabar jau apgaubia ir stabilizuoja iðtisinis ledo klasteris. Taip vandens gebëjimas sudaryti nestabilius klasterius, kuriuos sutvirtina nepoliniø molekuliø dispersinës-Londono sàveikos, nulemia hidrofobiniø molekuliø sudarytos struktûros stabilizavimà ir netirpumà (þr. minëtà straipsnelá „Vanduo – gyvybës statybininkas…O gal montuotojas“). Kaip matyti, vanduo yra daug tinkamesnë aplinka gyvybei funkcionuoti nei kiti skysèiai. Pirmiausia vandens kietëjimo ir virimo temperatûros yra þenkliai aukðtesnës nei kitø maþø molekuliø skysèiø ir dël to cheminës bei biocheminës reakcijos vyksta pakankamai greitai. Kartu ðios temperatûros nëra tokios aukðtos, kad greitai suirtø susidariusios molekulës. Antra vandens savybë, kuri daro já tinkamiausiu skysèiu gyvybei, yra didelis jo struktûrizuotumo laipsnis, o tai leidþia iš netirpiø hidrofobiniø molekuliø susidaryti stabilioms struktûroms. Tokios organogeniniø anglies, azoto, deguonies ir vandenilio atomø ir ið jø sudarytø maþø ir makromolekuliø savybës juos skiria nuo kitø atomø ir jø sudaromø molekuliø. Ið ðiø atomø gali susidaryti didþiulë ávairovë maþø molekuliø , taip pat ir vandens, ir tik ið ðiø atomø maþø molekuliømonomerø susidaro ir makromolekulës. Tarp ðiø makromolekuliø yra ir tokiø, kuriø savybës yra suderintos taip, kad jos gali vykdyti ávairiausias gyvybës funkcijas ir nuo jø priklausë gyvybës atsiradimas ir išsilaikymas Þemëje. Bus daugiau *P.S. Ðalia kitø vanduo turi ir dar vienà iðskirtinæ savybæ – jis sunkiausias ir tankiausias esant +4 o C ir pleèiasi tiek didinant, tiek ir maþinant temperatûrà. Todël ledas yra lengvesnis uþ vandená, plaukioja vandens pavirðiuje ir vanduo ðàla á ledà ne nuo dugno, o pavirðiuje. Tuo tarpu kitos skystos ar betvarkës amorfinës bei kristalinës medþiagos didinant temperatûrà pleèiasi, o maþinant – traukiasi. Tokia medþiagø savybë priklauso nuo to, kad didinant temperatûrà didëja molekuliø ðiluminio judëjimo greitis, jos tarpusavyje stipriau stumdosi, tarp jø didëja vidutinis atstumas ir todël medþiagos pleèiasi, maþëja jø tankis ir jos lengvëja. Maþinant temperatûrà viskas vyksta prieðingai. Vandens iðskirtinumà lemia jo struktûros ypatumas, nes vanduo susideda ið ledo mikrokristalëliø ir tarp jø esanèiø amorfiniø srièiø. Ledo mikrokristalëliuose tarp tvarkingai iðsidësèiusiø vandens molekuliø yra ertmës, o amorfinëse srityse vandens molekulës iðsidësto netvarkingai ir tas tuðtumëles uþpildo. Todël amorfinëje srityje vandens molekuliø tankis yra didesnis nei kristalinëje-aþûrinëje struktûroje ir dël to skysto vandens tankis yra didesnis ir ledas yra lengvesnis. Vandens plëtimasis priklauso nuo ledo mikrokristalëliø, amorfinës srities dydþio ir kiekio kitimo. Kylant temperatûrai maþëja ledo mikrokristalëliø dydis ir kiekis bei didëja amorfinë sritis, dël to vanduo traukiasi ir didëja jo tankis. Taèiau kylant temperatûrai didëja vandens molekuliø ðiluminio judëjimo greitis, jos tarpusavyje stipriau stumdosi ir todël amorfinëje srityje ir ledo mikrokristalëliuose didëja tarpmolekulinis vidutinis atstumas – vanduo pleèiasi, maþëja jo tankis ir jis lengvëja. Ðiø dviejø prieðingai veikianèiø procesø balansas ir nulemia vandens elgesá kintant temperatûrai. Esant +4 o C ðiø procesø balansas yra toks, kad vanduo yra sunkiausias. Temperatûrai maþëjant nuo +4 o C didëja mikrokristalëliø dydis ir kiekis ir vanduo, o po to ir ledas, lengvëja. Temperatûrai didëjant nuo +4 o C jau vyrauja molekuliø ðiluminio judëjimo greièio átaka ir nuo to vanduo pleèiasi, maþëja jo tankis ir jis lengvëja. Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 7 31
Page 1 and 2: 2011 7 Bûti ar nebûti Karklës pa
Page 3 and 4: piuteriai Maþiausias asmeninis kom
Page 5 and 6: Lietuvos mokslø akademija neteko s
Page 7 and 8: Straipsnio publikavimas finansuojam
Page 9 and 10: lo studijas, susijusias su jûrinia
Page 11 and 12: Traumø ir profesiniø mës. Kaip i
Page 13 and 14: likimas kaièiu gyveno Kaune. Kas a
Page 15 and 16: Nauja investicinë idëja ir jos pe
Page 17 and 18: uotojams D.Lietuvoje, pradedant Ant
Page 19 and 20: Lietuvos mokslø akademijos narys,
Page 21 and 22: paplûdimio galimybiø studijai. Ko
Page 23 and 24: 10 mitø apie gyvalazdes Daugelis
Page 25 and 26: tiems augintojams. Tai vietnaminë
Page 27 and 28: Juozapas Chodzka sius mokslus. 1817
Page 29: anogenai lekuliø atomø krûviø s
Page 33 and 34: go pûgos siautëjo tarytum þiemà
Page 35 and 36: spalvingà ir originalià asmenybæ
Page 37 and 38: dama, kai lemputës šviesdamos ši
Page 39 and 40: vieðojo kalbëjimo, interviu davim
Page 41 and 42: Vadovëliø autorës savo tëvø fi
Page 43 and 44: aðèio takais“ Pateikiami sampro

Mitai apie gyvalazdes - Vilniaus universitetas

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?