Bilgi

Neden bazı enzimler aktif bölgenin etrafında dev yapılara sahiptir?

Neden bazı enzimler aktif bölgenin etrafında dev yapılara sahiptir?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

İnorganik kimyamın bir parçası olarak. kursu (üniversitemde zorunlu bir ders), Biyoinorganik Kimyaya Giriş adlı bir modülümüz var. Orada, prof. Sitokrom P450 ve ilaç eritromisin gibi enzimlerin örneklerini gösterdi ve aktif kısımları daire içine aldı.

Görebildiğim kadarıyla, aktif kısımlar gerçek ilacın/enzimin küçük bir kısmıdır, bu yüzden sorum şu: enzimler (ve bu konuda ilaçlar) neden onları çevreleyen devasa yapılara sahiptir?

Sorumu Googling'i denedim ama aradığım şeyle alakalı hiçbir şey bulamadım. Doğru terminolojiyi kullanmadığımdan şüpheleniyorum, bu yüzden arama motorunun ne bilmek istediğim hakkında hiçbir fikri yoktu.

Tercihen lise düzeyindeki biyokimya açısından basit açıklamalar tercih edilir. Okulda veya kolejde hiç biyoloji dersi almadım. Ben bir matematik öğrencisiyim ve bu inorganik kimya dersi zorunlu bir ders. Ancak yine de amino asit zincirlerinin neden gerekli olduğunu bilmek istiyorum, çünkü hiçbir şey yapmıyor gibi görünüyorlar (aktif site bunun için var.)

Referans için resim:


Kişisel bilimsel, araştırma ve eğitim amaçlı kullanımınız için bu makaleyi indirin ve yazdırın.

Tek sayı satın al Bilim sadece 15 USD için.

Bilim

Cilt 369, Sayı 6502
24 Temmuz 2020

Makale Araçları

Bu makaleye bir uyarı eklemek için lütfen giriş yapın.

William P. Russ , Matteo Figliuzzi , Christian Stocker , Pierre Barrat-Charlaix , Michael Socolich , Peter Kast , Donald Hilvert , Remi Monasson , Simona Cocco , Martin Weigt , Rama Ranganathan

Bilim 24 Temmuz 2020 : 440-445

Evrime dayalı, veriye dayalı bir mühendislik süreci, yapay fonksiyonel enzimler oluşturabilir.


Tanıtım

Ürikaz olarak da bilinen ürat oksidaz, pürin yıkımında önemli bir enzimdir. Ürik asit yıkımını katalize eder ve ürik asitten çok daha fazla çözünür olan allantoin üretir (Şekil 1). Ürat oksidaz hayvanlar, bitkiler, mantarlar, mayalar ve bakteriler gibi çeşitli organizmalarda bulunur [2]. Bununla birlikte, evrimsel süreç sırasında, insanlar da dahil olmak üzere bazı yüksek primatlarda ürat oksidaz aktivitesi kaybolmuş gibi görünmektedir [3, 4]. Bu türlerde pürin metabolizmasının son ürünü allantoin yerine ürik asittir [1].

Ürik asit insan vücudunda esas olarak her ikisi de suda çözünmeyen serbest asit ve ürat tuzu olarak bulunur. Vücutta ürik asit birikimi hiperürisemi ile sonuçlanabilir. Bazı durumlarda kristalleşmesi ve çökelmesi gut hastalığına yol açar [1]. Lösemi ve lenfoma kemoterapisi sırasında, nükleik asidin malign hücrelerden bozulması nedeniyle ürik asit atılımı keskin bir şekilde arttı. Aşırı ürik asit böbrek tübüllerini tıkayabilir ve akut böbrek yetmezliğine (“tümör lizis sendromu”) neden olabilir [5].

Allopurinol gut tedavisinde kullanılan bir ilaçtır. Ksantin oksidazı inhibe eder ve ürik asit oluşumunu engeller. Ancak böbrekler üzerindeki yükü artıran ürik asit, hipoksantin ve ksantin öncüllerini artırır. Doğrudan ürat oksidaz enjeksiyonu, herhangi bir ek ara ürün birikimi olmaksızın ürik asidi hızla parçalayabilir [6]. 4-aminoantipirin peroksidaz sistemi ile birleşen ürat oksidaz, klinik tanı kitinde bir reaktif olarak da kullanılır [7].

Klinik uygulamalar için, ürat oksidazın aktivitesinin arttırılması oldukça arzu edilir. Bu nedenle, enzimin ekspresyonunu ve aktivitesini mümkün olan tüm yollarla geliştirmek gereklidir [8]. Mantarlardan, mayalardan ve bakterilerden ürat oksidaz saflaştırma raporları olmuştur. Bu organizmalardan büyük ölçekli üretim, enzimin düşük ekspresyon seviyesi ve düşük stabilitesi nedeniyle zordur. Bu zorluklar, ürat oksidazın heterolog ekspresyonu ile aşılmıştır. Klinik bir ilaç olan Rasburikaz, rekombinant bir ürat oksidazdır. Aspergillus flavus [5]. ürat oksidaz Candida yararları ve Pseudomonas aeruginosa ayrıca heterolog olarak ifade edilmiştir [7, 9]. Yönlendirilmiş evrim, bir enzimin katalitik aktivitesini geliştirmek için güçlü bir araçtır. Ek olarak, yönlendirilmiş evrimle elde edilen mutantlar genellikle katalitik mekanizma hakkında bazı bilgiler sağlar.

Bu çalışmada, kademeli uzatma işlemiyle birleştirilmiş birkaç tur mutajenez gerçekleştirdik ve mutantları taradık. Escherichia koli, katalitik aktivitesini geliştirmek için basil subtilis ürat oksidaz (BSUO). Aktiviteleri iyileştirilmiş birkaç mutant elde edildi ve karakterize edildi. Bu mutantların dizi yapısı-fonksiyon ilişkisini araştırmak için bir dizi tek nokta mutasyonu oluşturuldu ve analiz edildi. kullanılarak bir homoloji modeli basil sp. Şablon olarak TB-90 ürat oksidaz (PDB: 5ayj) (BSUO'ya göre dizi kimliği %66,78'dir) tartışmalarımıza rehberlik etmek için oluşturulmuştur.


Soyut

Uzak mutasyonların dihidrofolat redüktazın (DHFR) katalitik reaksiyonu üzerindeki etkisi, ampirik değerlik bağı simülasyonları ile yeniden incelenir. Simülasyonlar, ilk kez gözlemlenen hız sabitlerindeki değişiklikleri (bu amaç için ayarlanabilir parametreler kullanılmadan) yeniden üretir ve aktivasyon bariyerlerindeki değişikliklerin, yeniden düzenleme enerjisindeki karşılık gelen değişikliklerle güçlü bir şekilde ilişkili olduğunu gösterir. Polar enzim gruplarının önceden düzenlenmesi anahtar katalitik faktördür ve katalitik mutasyonlar bu ön düzenlemeyi yok eder. DHFR'deki bazı antikatalitik mutasyonlar da donör ve alıcı arasındaki mesafeyi arttırır, ancak bu etki, doğal enzim ve sudaki katalize edilmemiş reaksiyon benzer ortalama donör-alıcı mesafelerine sahip olduğundan doğrudan kataliz ile ilgili değildir. Genelleştirilmiş çözünen-çözücü koordinatları açısından ilgili serbest enerji yüzeyleri oluşturularak bir mutasyonun etkisine ilişkin içgörü sağlanır. Mutasyonların reaksiyon koordinatını ve aktivasyon bariyerini nasıl değiştirdiği gösterilmiş ve karşılık gelen değişikliklerin dinamik etkileri yansıtmadığı açıklanmıştır. Aynı zamanda, yoğun bir fazdaki tüm reaksiyonların (hem enzimlerde hem de çözeltide) ilişkili hareketler içerdiğine ve mutasyonlar üzerine bu tür hareketlerin değişmesinin, çözünen üzerindeki çok boyutlu reaksiyon yolunun şeklindeki değişikliğin bir sonucu olduğuna işaret edilir. Hız sabitindeki değişimin nedeni solvent yüzeyinden ziyade. Bu nedenle, kataliz söz konusu olduğunda, aktivasyon bariyerindeki değişiklik, elektrostatik ön organizasyon enerjisindeki değişiklikten kaynaklanmaktadır.

Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitülerinden (NIH) Grant GM024492 tarafından desteklenmiştir.

İlgili yazar. E-posta: [email protected] Telefon: 213-740-4114. Faks: 213-740-2701.


TARTIŞMA

Şekil 5 AmyKΔC500-587, AmyKΔC492-587, AmyKΔC500-587::OP ve AmyKΔC492-587::OP'nin aktif bölgeleri etrafındaki yapı değişikliği (örn., tuz köprüsü ve hidrojen bağı). Katalitik kalıntılar, kırmızı "top ve çubuk" kalıntılarda gösterilmiştir. Katalitik kalıntılarla hidrojen bağı ve tuz köprüsü oluşturan kalıntılar yeşil “çubuklar” içindedir. Tuz köprüsü ve hidrojen bağı Discovery Studio 2.5 ile hesaplandı. Koyu çizgili çizgi tuz köprüsüdür. Turuncu çizgili çizgi hidrojen bağıdır. (A) AmyKΔC500-587'nin aktif bölgelerinin etrafındaki yapı değişikliği (örneğin, tuz köprüsü ve hidrojen bağı). (B) AmyKΔC492-587'nin aktif bölgelerinin etrafındaki yapı değişikliği (örneğin, tuz köprüsü ve hidrojen bağı). (C) AmyKΔC500-587::OP'nin aktif bölgelerinin etrafındaki yapı değişikliği (örneğin, tuz köprüsü ve hidrojen bağı). (D) AmyKΔC492-587::OP'nin aktif bölgelerinin etrafındaki yapı değişikliği (örneğin, tuz köprüsü ve hidrojen bağı). Şekil 6 Kalıntı 500 veya 492'de C-terminali kesilmesinden ve N-terminal bölgesinde oligopeptit füzyonundan sonra AmyK için Met 247 ve katalitik siteler arasındaki mesafenin değişimi. Kırmızı “çubuklar” katalitik kalıntılardır. Yeşil "çubuklar" Met 247'yi içerir. Koyu kesikli çizgi, katalitik kalıntılar ile Met 247 arasındaki mesafedir. (A) AmyK'nin katalitik bölgeleri ile Met 247 arasındaki mesafe. (B) Katalitik siteler ile AmyKΔC500-587'nin Met 247'si arasındaki mesafe. (C) Katalitik siteler ile AmyKΔC492-587'nin Met 247'si arasındaki mesafe. (D) Katalitik siteler ile AmyKΔC500-587::OP'nin Met 247'si arasındaki mesafe. (E) Katalitik siteler ile AmyKΔC492-587::OP'nin Met 247'si arasındaki mesafe.

Sonuçlar ve tartışma

Triozfosfat izomeraz

TIM-fıçı kıvrımı doğada en yaygın olanıdır (Wierenga 2001). Tüm TIM namlusu aktif bölgeleri, α/β namlunun C-terminal ucundaki halka bölgeleriyle tanımlanır. Enzimin çekirdeğiyle karşılaştırıldığında, aktif bölge döngüleri, katın bütünlüğünü etkilemeden aşırı değişkendir. Bu nedenle, aktif bölge döngüleri içindeki evrimsel seçilmiş mutasyonlar, büyük ölçüde katalize edilen her reaksiyonun mekanik gereksinimlerine bağlıdır. Bu mimari, çok çeşitli enzimlerin temel alınabileceği bir moleküler yapı iskelesinin klasik bir örneğidir (mükemmel bir inceleme için, bakınız Nagano ve diğerleri 2002). Aslında, TIM varillerinin altı enzim komisyonu (EC) sınıflandırmasından beşini kapsadığı bilinmektedir. Namlunun C-terminal ucundaki aktif bölgenin global olarak korunmasına rağmen, katalitik kalıntının/artıkların tam konumu ve kimliği değişkendir. Çoğu TIM varilleri, büyük, iyi tanımlanmış protein-protein arayüzleri ile multimeriktir. Sıklıkla, kanonik TIM-varil kıvrımı, enzimin katalitik olanaklarını genişleten yerleştirilmiş alanlar tarafından kesintiye uğrar. Enolaz süper ailesi böyle bir örnektir. Bu durumda, küresel bir a+p N-terminal alanı, birkaç ilave substrat bağlama etkileşimi sağlar. TIM-varil dizileri, dikkate değer ölçüde benzer kıvrım topolojilerine dayanarak beklendiği kadar korunmaz (Nagano ve diğerleri, 2002). Aslında, aile içi TIM-varil proteinlerinin çoğu arasındaki benzerlik sıkı bir şekilde "alacakaranlık kuşağı" içindedir (Chung ve Subbiah 1996). Bu konuda gözlemlenen dizi benzerliği veya farklılığı, TIM-namlu evrimi ile ilgili bir tartışmaya yol açmıştır. TIM fıçılarının yakınsak veya ıraksak evrimden kaynaklanıp kaynaklanmadığı açık bir soru olarak kalır, ancak genel fikir birliği (Reardon ve Farber 1995 Copley ve Bork 2000), TIM fıçılarının bazı atasal proteinlerden farklı şekilde evrimleştiğidir.

Triozfosfat izomeraz (TIM), kıvrımın gözlemlendiği ilk örnek olduğu için TIM-varil kıvrımının adaşıdır (Wierenga 2001). TIM, dihidroksiaseton fosfat (DHAP) ve gliseraldehit-3-fosfatı birbirine dönüştüren her yerde bulunan bir glikolitik enzimdir. Glu169 (başlangıçta ortak bir dizi hizalama numaralandırma şeması kullanarak), önce DHAP'nin a-karbonundan bir protonu ve daha sonra endiol ara maddesinin a-hidroksil grubundan bir protonu soyutlayan genel bir baz (Knowles 1991) görevi görür (Şek. 1). (a-, β-) karbonil grubunun polarizasyonu, ardından (ileri, geri) reaksiyonda oksianyonun bir oksianyon deliği ile stabilizasyonu (Kursula ve diğerleri 2001), C-H bağının kırılmasını enerjik olarak mümkün kılar. İleri ve geri reaksiyonda polarizasyondan sorumlu kalıntılar sırasıyla Lys11 ve His97 ve Asn9 ve His97'dir. Katalitik kalıntıların ve substratın reaksiyon yolu boyunca ince yeniden düzenlemeleri tanımlanmıştır (Kursula ve diğerleri 2001). Proteinin halka 6'sında başka konformasyonel değişiklikler meydana gelir (Joseph ve diğerleri 1990 Wierenga ve diğerleri 1992 Rozovsky ve McDermott 2001 Rozovsky ve diğerleri 2001). Substrat bağlamada, esnek “kapak” (döngü 6) aktif bölge üzerinde kapanır. Bu konformasyonel değişikliklere rağmen, TIM tarafından katalize edilen reaksiyon çok hızlıdır, aslında difüzyon sınırına yaklaşır (Stroppolo ve diğerleri 2001). Önceki raporumuz (La ve diğerleri 2005), TIM ve alt tabaka arasındaki tüm elektrostatik (H-bağ ve tuz köprüsü) etkileşimlerin yanı sıra esnek "kapak"ın PM'ler olarak tanımlandığını göstermektedir. Ayrıca, en iyi puan alan PM, ailenin tüm Prosite (Hulo ve ark. 2004) tanımını kapsar. Bu raporda, PM'lerin Glu169'un katalitik pKa değerini koruyan korunmuş elektrostatik etkileşimlerin çoğunu da tanımladığını gösteriyoruz.

TIM ailesi büyük ölçüde üç farklı alt aileden oluşur (Şekil 2A). Ağacın tamamına yaklaşan iki veya üç konumlu (pencere genişliğinden = 5) olan dizi parçaları, PM'ler olarak tanımlanır. Bu parçalar içinde kalan konumlar genellikle iyi korunur, bu da geleneksel ve filogenetik motifler arasında gözlemlenen benzerliğe yol açar. Yüksek puanlama pencerelerinde çok az değişken pozisyon gözlemlenir. Şekil 3'te gösterilen dizi logoları (Crooks ve diğerleri 2004), bu noktayı vurgulamaktadır. Katalitik Glu169'a ek olarak, üç oksianyon deliği tortusundan ikisi, PM tortularına karşılık gelir, bu üç tortu, çoklu dizi hizalaması içinde %100 korunur. Dizi hizalamasında %90'dan daha iyi korunan üçüncü oksianyon deliği kalıntısı (Asn9), birinci PM'nin hemen bitişiğindedir (yapı hizalaması Şekil 4A'da gösterilmiştir). Asn9 çok iyi korunduğu için herhangi bir yeni filogenetik bilgi sağlamaz. Bu nedenle, bu durumda korunan konum, tanımlanan PM'nin hemen dışında gerçekleşir. Diğer durumlarda, korunan konumlar, ağaç belirleyici konumlar arasında oldukları için PM'ler içinde sıklıkla meydana gelir.

Şekil 1'de ima edildiği gibi, katalizin gerçekleşmesi için Glu169'un dinamik bir pKa'sı gereklidir. Reaksiyon döngüsünün başlangıcında, Glu169'un genel bir baz olarak hareket etmesi için protondan arındırılması (yani düşük bir pKa değeri) gerekir. Bununla birlikte, eğer pKa çok düşükse, bir protonu kabul etmesi pek olası değildir. Daha sonra Glu169, endiol ara ürününü oluşturmak için protonundan vazgeçmek zorundadır. Bu asit/baz döngüsü mekanizmanın ikinci yarısında tekrarlanır ve sonunda G3P oluşumu ile sonuçlanır. 12 apo ve yedi substrata bağlı yapının hesaplanan pKa değerleri Tablo 1'de verilmiştir. Apo yapılarındaki Glu169 pKa değerleri iki gruba ayrılabilir (biri 1 numaralı alt aileden ve diğeri 2 ve 3 numaralı alt aileden). pKa'sı P. woesei katalitik kalıntı, kalan yapılarınkinden (-1 ila +1) önemli ölçüde daha yüksektir (2.37). pKa değerlerindeki nicel farklılığa rağmen, protondan arındırılan yüzdedeki farklılıklar (optimum büyüme pH'ında Henderson-Hasselbach denklemi kullanılarak hesaplanmıştır) marjinaldir. Örneğin, P. woesei ortologun %99.98 protonsuz olduğu hesaplanırken, S. cerevisiae ortolog %100 deprotone edilmiştir, yani her reaksiyon döngüsünün başında negatif yüklü bir Glu169 sağlanır.

TIM ailesi içinde sekiz PM tanımlanmıştır (Tablo 2). Şekil 4A, araştırılan 12 TIM yapısının dizi hizalamasını sağlar, tanımlanan PM'ler vurgulanır. Katalitik Glu ile elektrostatik olarak etkileşime giren güçlü (±0.5 kcal/mol'den fazla) olarak hesaplanan titrasyon kalıntıları da belirtilmiştir. Elektrostatik hesaplamalar, dört korunmuş dengeleyici ve dört korunmuş denge bozucu etkileşimi tanımlar. Sekiz etkileşimden yedisi PM kalıntılarına karşılık gelir, kalan kalıntı zayıf bir şekilde stabilize olur. Üç stabilize edici PM etkileşiminin ortalama etkileşim enerjisi -0,90, -1,95 ve -0,70 kcal/mol iken, PM olmayan etkileşimin ortalaması -0,76 kcal/mol'dür. Katalitik Glu, proteinin yüzeyinde açığa çıktığından (desolvasyon etkilerini önemsiz hale getirir), onunla elektrostatik olarak etkileşime giren kalıntılar, pKa değerlerini bu kadar düşük tutmaktan benzersiz bir şekilde sorumludur. Bu etkileşimler genellikle 12 yapının tamamında korunur. Beklendiği gibi, en yaygın ve çarpıcı farklılıklar, P. woesei ortolog. arasında gözlenen farklılıklar P. woesei yapı ve diğerleri tam aile uyumunda görülen farklılıklarla tutarlıdır. Şekil 5A, bu sonuçların yapısal bir temsilini sağlar.

Birlikte ele alındığında, PM ve elektrostatik sonuçlar, TIM'in katalitik kalıntıları içindeki ince evrimsel değişkenliği gösterir. Gözlenen pKa değeri farklılıklarından bağımsız olarak, kataliz ve/veya reaksiyon hızlarının önemli ölçüde etkilenmesi olası değildir, çünkü Glu169 her durumda esasen %100 protondan arındırılmıştır. Ancak, bu kadar düşük bir pKa değeri, reaksiyonun sonraki aşamalarıyla çelişir. Reaksiyonun ikinci ve dördüncü adımlarında Glu169'un protonlanması gerekir. Hesaplanan pKa değerleri o kadar küçüktür ki protonlanma yetenekleri ihmal edilebilir düzeydedir. Bu ikilem, yukarıdaki yediye benzer şekilde tüm 12 Glu169 pKa değerini değiştiren ve protonasyonu mümkün kılan substrat bağlanmasıyla çözülür. Substrata bağlı yapıların hesaplanan pKa değerlerinde daha az alt aile ayrımı gözlenir. Bu nedenle, gözlemlenen değişkenliğe rağmen apo yapıları içindeki düşük pKa değeri, reaksiyonun başlaması için gerekli olan katalitik Glu'nun tamamen protonsuz olmasını sağlar. Substrat bağlanmasında, pKa, protonasyonun enerjik olarak mümkün olacağı şekilde yükseltilir. Bu durumuda S. cerevisiae, katalitik Glu, %100 protonsuzlaştırılmıştan %96.94 protonlu hale gelir. Burada açıkça modellenmemiş olsa da, aktif bölge içindeki konformasyonel yeniden düzenlemelerin (Kursula ve diğerleri 2001), reaksiyon yolu boyunca gerektiğinde pKa değerlerini sürekli olarak değiştirmesi beklenir.

Şekil 4A ve 5A'da vurgulanan elektrostatik etkileşimler apo yapılarındandır. Substrata bağlı yapılar için nicel olarak benzer ikili değerlerin hesaplandığı belirtilmelidir. Aslında, apo ve substrata bağlı yapılarda X'in diğer tüm kalıntılara eşit olduğu karşılık gelen Glu169:X çiftleri arasındaki korelasyon katsayısı 0,9'dan büyüktür. Çok bölgeli titrasyon prosedürünün pKa değerlerini hesapladığı teknik yöntem nedeniyle, bu başlangıçta şaşırtıcı olan sonuç aslında beklenmelidir. Birincisi, sözde içsel pKa, solvent erişilebilirliğini ve nötr dipolleri açıklayan hesaplanır (not: substrat bağlanması Glu169 erişilebilirliğini önemli ölçüde etkilemez). Daha sonra, belirgin pKa, içsel değer artı tüm ikili elektrostatik etkilerden hesaplanır. Bu nedenle, Glu169 ve X arasındaki elektrostatik etkileşim, Φ, substrattan etkilenmez çünkü Φ olduğunda nötr olduğu varsayılır.Glu169:X hesaplanır, yani ΦGlu169: substrat Glu169'un büyük pKa kaymasına yol açan tek önemli etkidir.

TIM dizi pencerelerinin baştan sona filogenetik karşılaştırmaları ilginç sonuçlar ortaya koymaktadır (Şekil 6). Beklendiği gibi, yüksek benzerlik bölgeleri PM'lere karşılık gelir, ancak bu sefer tam aile ağacı karşılaştırmalarına başvurmadan tanımlanırlar. Bu sonuç, proteinin fonksiyonel kısımlarında aile içi birlikte evrimi vurgular. Elbette, herhangi bir ailenin sağlam bir evrimsel tanımı hem PM hem de PM olmayan bölgeleri içermelidir. Bununla birlikte, protein ailesi evriminde fonksiyonun korunmasının önemi bir kez daha doğrulanmıştır. Ayrıca, korunmuş fonksiyonel olarak önemli birçok elektrostatik etkileşim, yüksek benzerlik bölgelerine karşılık gelir.Örneğin, Glu169'un pKa değerine aracılık eden etkileşimler, filogenetik olarak en benzer bölgelerdedir. Diğer birçok korunmuş elektrostatik etkileşim, PM'lere karşılık gelmez. Ancak bu etkileşimlerin çoğu yapısal, Olumsuz katalitik. Not: Bu çalışmada tanımladığımız katalitik tartışılan elektrostatik ağlarda yer alanlar olarak kalıntılar.

Enolaz

Aynı zamanda her yerde bulunan bir glikolitik enzim olan enolaz, yolun sondan bir önceki reaksiyonunu katalize eder. Enolaz, 2-fosfogliseratı (2PG) fosfenolpiruvata dönüştüren tersinir dehidrasyon reaksiyonunu katalize eder. Yukarıda tartışıldığı gibi, enolaz çok alanlı bir TIM varil proteinidir. Hem TIM-namlu hem de N-terminal alanları, aktif bölge kalıntılarına katkıda bulunur. Kataliz, a-karbon protonunu 2PG'den soyutlamak için genel bir baz gerektirir. Reaksiyonun devam etmesi için, muhtemelen karbanyon ara ürününü stabilize etmek için aktif bölgede (Wold ve Ballou 1957) birkaç iki değerlikli metal iyonu (genellikle Mg2+ veya Mn2+) gereklidir. Enolazın katalitik kalıntıları kesin olarak belirlenmemiştir, ancak korunmuş Lys357 (yine hizalama numaralandırması kullanılarak) olası bir adaydır (Babbitt ve diğerleri, 1996). İleri reaksiyonda Glu216'nın ayrılan hidroksil grubuna bir proton sağladığı düşünülmektedir (Cohn ve diğerleri 1970). Aktif bölgede birkaç başka korunmuş asit de mevcuttur. Mg2+ aktivasyonu için deneysel profiller, Vinarov ve Nowak'ın (1998) Lys357/Glu216 katalitik çift hipotezini reddetmesine yol açtı. Onların sonuçları, Lys408 ve His164'ün katalitik çift olduğunu göstermektedir. His164'ün bir katalitik kalıntı, onun işlevsel önemi, %0.01 vahşi tip aktiviteye sahip olan H164A mutasyonu ile doğrulanır (Vinarov ve Nowak 1999).

Şekil 2B, enolaz ailesinin kabaca iki alt aileye (artı iki aykırı diziye) bölünebileceğini gösterir. Şu anda alt aile başına iki yapı mevcuttur. Glu169'un pKa değerindeki korunan alt aile farklılıklarının hesaplandığı TIM'den farklı olarak, elektrostatik özelliklerin kümelenmesi gözlenmez. Kantitatif pKa değerleri yüksek oranda proteine ​​bağımlıdır ve alt aileye göre gruplandırılamaz. Bunun yerine, tüm enolaz yapılarında büyük bir elektrostatik ağ korunur, bu da niteliksel olarak tüm aile genelinde benzer pKa değerleri. Daha önce olduğu gibi, bu işlevsel ağı oluşturan korunmuş elektrostatik etkileşimlerin çoğu, PM'lere karşılık gelir.

Hizalama uzunluğu için normalleştirmeden sonra TIM'de bulunan sayı ile kabaca orantılı olan on iki enolaz PM tanımlanmıştır. Önceki ve devam eden çalışmalarımıza dayanarak (sonuçlar dahil edilmemiştir), bunun zayıf tutarlı bir eğilim olduğunu belirledik. Gelecekteki büyük ölçekli analizler bu nitel gözlemi nicelleştirmeye çalışacaktır. Yukarıda tartışılan aktif alan kalıntılarının dördü de PM kalıntıları olarak tahmin edilmektedir. Glu211, Lys357 ve Lys408'in pKa değerleri, sulu değerlerinden büyük ölçüde kaymıştır (Tablo 3). Kaymaların kapsamı, onların işlevsel önemini vurgulamaktadır (Elcock 2001). Bu kalıntıların aşırı pKa değerleri, korunmuş bir elektrostatik ağ tarafından stabilize edilir. Şekil 4B ve 5B, ağ içinde korunan birkaç etkileşimi vurgulamaktadır. Enolaz elektrostatik ağ kalıntılarının çoğu aynı zamanda PM'ler olarak tanımlanır ve bu da yine katalitik elektrostatik ağların evrimsel önemini doğrular.

Transaldolaz

Birçok hücrede, sabit bir biyosentetik indirgeme gücü (NADPH formunda) pentoz fosfat yolu tarafından sağlanır (Wood 1986). Ek olarak, pentoz fosfat yolu, nükleik asit biyosentezi ve birkaç glikolitik ara ürün için riboz-5-fosfat sağlayabilir. NADPH, yolun ilk (oksidatif) yarısında sağlanırken, transaldolaz (TA) ve transketolaz, yolun oksidatif olmayan kısmında glikolize geri dönüşümlü bir bağlantı sağlar (Jia ve diğerleri, 1996). TA, sedoheptuloz-7-fosfattan (S7P) gliseraldehit-3-fosfata üç karbonlu bir transferi katalize eder. Bu TA katalizli reaksiyonun ürünleri fruktoz-6-fosfat ve eritroz-4-fosfattır. TA mekanizması, bir Schiff bazı ara ürünü oluşturan, S7P'nin karbonil karbonu üzerinde deprotone edilmiş bir Lys'nin (bizim hizalamamızda Lys 128) nükleofilik bir saldırısını içerir (Jia ve diğerleri 1997). Lys128'in (11.65) hesaplanan pKa değeri yaklaşık olarak model değeridir. Ancak hesaplanan pKa değeri, Lys128'in protondan arındırılmış formunun fizyolojik pH'da ihmal edilebilir olduğunu gösterir. Muhtemelen, substrat bağlanması, nükleofilik saldırı meydana gelebilecek şekilde pKa'yı düşürür.

TIM ve enolazın aksine, TA'nın katalitik Lys'i bir PM olarak tahmin edilmez. olarak tanımlanmamakla birlikte filogenetik motif kalıntısı, Lys128'i çevreleyen kalıntı dizisinin evrimsel önemi doğrulanır. Lys128 bir geleneksel motif aslında, katalitik kalıntının etrafındaki bu kalıntı dizisi, aile için iki Prosite (Hulo ve diğerleri, 2004) tanımından biridir. Aktif bölge motifi bir miktar değişkenliğe sahip olsa da, değişkenlik bir PM'nin tanımlanamayacak kadar rastgeledir. İkinci TA Prosite tanımı tamamen bir PM kapsamındadır. Tersine, Lys128 ile elektrostatik olarak etkileşime giren kalıntıların çoğu PM'ler olarak tanımlanır. TA'da yedi PM tanımlanmıştır (Tablo 1). Lys138 ve kalan kalıntılar arasında beş önemli elektrostatik etkileşim hesaplanır (bakınız Şekil 5C). hesaplanan ΦLys138:X Tablo 4'te listelenmiştir. Beş etkileşimden dördü, hesaplanan en kararlı iki etkileşimden biri olan Asp34 dahil olmak üzere PM'lere karşılık gelir. Birçok PM'nin aksine, Asp34 PM aynı zamanda geleneksel bir motif değildir. Aynısı, daha az stabilize edici, ancak önemli Asp16 etkileşimi için de geçerlidir. Bu ve diğer (veriler gösterilmemiştir) geleneksel ve filogenetik motif karşılaştırmalarından, fonksiyonel etkileşimleri tek başına diziden tahmin etmeye çalışan gelecekteki çabaların (burada sadece yazışmaları gösterme hedefimize kıyasla) çeşitli dizi özelliği tanımlama stratejileri kullanması gerektiği sonucuna varıyoruz. Bu sonuçlar, Jones ve Thornton'un (2004) fonksiyonel alan tahmin stratejilerini, biri sekans korumaya dayalı ve ikincisi özellik tanımlamaya dayalı olmak üzere iki gruba sınıflandıran son incelemesi ile uyumludur.

TIM-namlu filogenetik motiflerinin yapısal kümelenmesi

Yukarıdaki spesifik dizi/yapı/fonksiyon karşılaştırmalarımıza ek olarak, diğer beş TIM-varil protein ailesinde PM'ler tanımladık. Her durumda, PM'ler aktif bölge bölgesi çevresinde yapısal olarak kümelenmiştir (Şekil 7). Çoğunlukla, PM'ler solvente maruz kalır. Bununla birlikte, alt tabakaların çekirdeğe daha derine girdiği durumlarda, PM'ler daha gömülü bölgelere de karşılık gelir. Her durumda, PM'leri işlevsel olarak tanımlamak yapısal bilgilerle tutarlıdır. İlginç bir şekilde, birçok ikincil yapı elemanı (rastgele bobin döngülerine karşı) PM'lere dahil edilmiştir. Birçok (%68) PM, kısmen β-şeritlerinin C-terminal ucunu kapsar. Hatta birkaçı tüm β zincirini kaplar. α-sarmal bölgeleri kapsayan PM'ler daha az yaygındır, ancak yine de kayda değer oranda (%36) meydana gelir. Tanımlanan PM'lerin yalnızca %13'ü yalnızca bobin bölgelerine ayrılmıştır. Veri seti boyunca, PM'ler kısmen sekiz β zincirinin tümünü kapsar. PM'ler en yaygın olarak β1, β6 ve β7 zincirlerinde dört kez meydana gelir. Tersine, PM'ler sadece iki kez meydana geldikleri β3 dizisinde en az yaygındır.

Sonuçlar

Protein evriminin temel ilkesi, işlevin korunmasıdır. Fonksiyon, sırayla kodlanan belirli bir enzimin yapısal özellikleri ile tanımlanır. Hepsi TIM-varil proteinleri olan üç önemli metabolik enzimin (triozfosfat izomeraz, enolaz ve transaldolaz) dizi/yapı/fonksiyon ilişkileri içindeki evrimsel değişkenliği sunuyoruz. Triozfosfat izomeraz durumunda, katalitik Glu paralel alt ailesi farklılaşmasının pKa değerlerindeki kantitatif farklılıklar. Ayrıca, filogenetik motiflerin, her üç ailede de aktif bölge elektrostatik ağ kalıntılarına karşılık geldiği gösterilmiştir. Son olarak, PM'lerin sekiz farklı TIM varil ailesinin aktif bölgeleri etrafında yapısal olarak kümelendiği gösterilmiştir.


Sitokrom P450 esnekliği

Sitokrom P450, aşağıdaki reaksiyonda çeşitli organik moleküllerin monooksijenasyonunu katalize eden bir grup enzimi ifade eder: P450'ler en iyi ilaç metabolizması ve detoksifikasyondaki rolleriyle bilinir. İnsanlarda 57 fonksiyonel P450 geni ve 46 psödogen vardır (http://drnelson.utmem.edu/human.genecount.html) ve karaciğer mikrozomlarında bulunan bunlardan birkaçı çeşitli yabancı organik moleküller tarafından indüklenir. Bu maddelerin P450'ler tarafından hidroksilasyonu, bu nispeten çözünmeyen organik bileşikleri daha kolay eliminasyon için daha çözünür hale getirir. Ek olarak, P450'ler memelilerde cinsiyet hormonları, D vitamini ve safra asitlerinin (1, 2) böceklerde (3) ve bitkilerde terpenlerin (4) metabolizmasına katılır. P450'ler ayrıca çeşitli organik bileşiklerin karbon kaynağı olarak kullanılmasında ve antibiyotikler gibi önemli doğal ürünlerin üretiminde mikroorganizmalarda önemli bir rol oynamaktadır.

P450'lerin boyutu 40 ila 50 kDa arasında değişir ve tek bir hem grubu içerir. Oksijen, enzimin oksijen O-O bağının bölünmesini katalize ettiği hem demirine bağlanır ve geride güçlü bir oksidan sağlayan demire bağlı bir oksijen atomu bırakır. Substrat, doğru karbon atomu, bölgesel ve stereoselektif hidroksilasyon için demir bağlantılı O atomuna yakın olacak şekilde tam olarak yerinde tutulur. Genel olarak, steroid metabolizması gibi önemli ara ürünlerin üretiminde yer alan P450'ler oldukça spesifiktir. Bununla birlikte, ilaç metabolize eden P450'lerin çoğu spesifik değildir ve çeşitli çeşitli ve ilgisiz bileşikleri hidroksilleme yeteneğine sahiptir. Şimdi birkaç P450 kristal yapısı bilinmektedir ve dizi hizalamalarına dayalı olarak, tüm P450'lerde genel katın muhafaza edilmesi çok şaşırtıcı değildi (Şekil 1). Bununla birlikte, özellikle zorlu bir problem, tüm P450'lerde aynı katın muhafaza edildiği kısıtlaması göz önüne alındığında, P450'lerin farklı alt tabakalara uyum sağlamak için nasıl adapte olduğunu anlamaktır. İlk P450 yapısı (5), substratın aktif bölgeye nasıl girdiğine dair bir bilmece sundu, çünkü substrat bağlama cebinin dış dünya tarafından erişilemez olduğu bulundu. O zamandan beri geliştirilen hakim görüş, F ve G sarmallarının ve bu sarmalları birbirine bağlayan halkanın (Şekil 1) esnek olduğu ve alt tabakaların girmesine ve ürünlerin çıkmasına izin veren bir açık/kapalı harekete maruz kaldığıdır. Scott'tan yeni P450 2B4 yapısı et al. (6), PNAS'ın bu sayısında yayınlanan, P450'lerde kullanılabilen hareket aralığının çarpıcı bir örneğini sunar. P450 2B4 özellikle önemlidir. Eskiden P450 LM2 (karaciğer mikrozomu 2) olarak bilinen P450 2B4, saflaştırılan ve Coon tarafından iyi karakterize edilen ilk mikrozomal P450 idi. ve diğerleri. (7) ve o zamandan beri ayrıntılı biyofiziksel ve biyokimyasal araştırmalar için bir paradigma olarak hizmet etmiştir. Bu nedenle, bu P450 hakkında çok şey biliniyor ve şu anda eldeki yapı ile birçok gevşek uç birbirine bağlanabilir.

Kısmen açık konformasyonda P450 BM-3'ün şematik diyagramı. B', F, G ve I sarmalları etiketlenir. F ve G sarmalları ve F/G döngüsü macenta ile vurgulanır. Bu sarmallar I sarmalının yüzeyi üzerinde kayar, bu da erişim kanalının aktif bölgeye giden açık/kapalı hareketine yol açar.

P450 2B4, diğer membrana bağlı P450'ler gibi, kristalizasyon için özel bir zorluk sunar. Scott et al. (6), Eric Johnson'ın laboratuvarından (8) P450'nin hem çözünür hem de monodispers olacak şekilde tasarlanması üzerine öncü çalışmayı takip etti ve bu, ilk memeli P450 yapısı olan P450 2C5'e (9) yol açtı. Bu, P450'yi mikrozomal membrana tutturmaya yardımcı olan N-terminal bölgesinin çıkarılmasını ve hem çözünürlüğü hem de homojenliği daha da geliştiren yüzeydeki anahtar kalıntıları mutasyona uğratmayı içeriyordu. P450 2B4 çalışmasındaki bir fark, F/G sarmal bölgesinde herhangi bir mutasyona gerek olmamasıdır. Yeni P450 2B4 yapısındaki tesadüfi ve tamamen beklenmedik bir bulgu, iki P450 2B4 molekülünün nasıl bir dimer oluşturduğudur. Kristalografik simetri ile ilişkili moleküller, kendi içinde çok sıra dışı olmayan sıkı bir dimer oluşturur. Bununla birlikte, A molekülündeki F ve G sarmalları arasındaki bir His kalıntısı, kristalografik olarak ilişkili B molekülünün aktif bölgesine nüfuz eder ve burada bir His-Fe bağı oluşturur. Etkileşim simetriktir, çünkü B molekülünün His'si aynı zamanda A molekülünün demirini de koordine eder ve aktif bölgenin, önceki yapılarda gözlemlenenden çok daha açık olan F ve G sarmallarını içeren bir konformasyon benimsemesini gerektirir (Şekil 2). Böyle bir açık konformasyonun kristalleşmenin bir eseri olduğu iddia edilebilir. Ancak, Scott et al. (6) çözeltide aynı dimerin büyük olasılıkla oluştuğunu göstermektedir. Ayrıca, protein moleküllerini bir kristal kafeste bir arada tutan kuvvetler zayıftır, bu nedenle protein, çözeltide enerjik olarak erişilemeyen kristalde bir konformasyon benimseyemez. Aslında, P450 2B4 yapısı, geniş bir açık konformasyonda "sıkışmış" ve P450'lerde mevcut olan oldukça geniş hareket yelpazesini güzel bir şekilde gösteriyor. P450 2B4 yapısından önce, bakteriyel yağ asidi monooksijenazı P450 BM-3'ten (10, 11) ve daha yakın zamanda P450 2CD'den (12) türetilen P450'lerdeki hareket hakkında en çok bilinenler. P450 BM-3'ün alt tabakaya bağlı ve serbest yapıları, F ve G sarmallarının L sarmalı üzerinde bir birim olarak kaydığını ve bunun da açık/kapalı harekete yol açtığını göstermektedir. P450 2B4'ün de aynı hareket türünü yaşayacağı tahmin edilebilir.

Aynı yönde P450 BM-3 ve P450 2B4'ün aralıklı doldurulmuş diyagramları. F ve G helisleri macenta rengindedir. P450 BM-3 modeli, alt tabakaların girmesine izin veren kısmen açık bir yapıyı benimseyen alt tabaka içermeyen bir yapıya sahiptir (10, 17). P450 2B4'te bu aynı yapı elemanları çok farklı şekilde konumlandırılmıştır ve bu da geniş bir aktif alana yol açar. Bu fark, genel P450 katını korurken P450'lerde mümkün olan hareket aralığını gösterir.

Ancak bu tür açık ve kapalı hareket, tek bir P450'nin çeşitli farklı alt tabakaları nasıl barındırabileceğini tam olarak açıklamaz. Aktif bölgenin kapatılmasına ek olarak aktif bölgenin daha dramatik bir şekilde yeniden şekillendirilmesi de olabilir. Bu tür değişiklikler için en iyi adaylar F/G döngüsü ve B' sarmalını içerir. Bazı P450 yapılarında, F/G döngüsü için elektron yoğunluğu yalnızca substrata bağlı formda (12) görülebilir, bu da F/G döngüsünün substrat etrafında kendisini şekillendirebileceğini düşündürür. Bu tür yeniden şekillendirmenin açık bir örneği, termofilik P450, CYP119'dadır. Bu P450'nin yapısı, hem demirine bağlı farklı tipte inhibitörler ile çözülmüştür (13, 14). F sarmalının C terminalinin oldukça dramatik bir şekilde açılması ve F/G döngüsünün büyük hareketleri gözlemlendi, ayrıca F/G döngüsünün ve ilgili yapı elemanlarının kendilerini aktif bölge ligandları etrafında şekillendirebileceği görüşünü destekledi. Steroid metabolizmasına dahil olan bir P450, CYP51, açık aktif sitenin bir başka örneğini sağlar (15). Ancak bu durumda, açık heme cebi daha çok aktif bölgeye yeni bir erişim kanalı açan I sarmalındaki bir kırılmadan kaynaklanmaktadır. Oldukça spekülatif olmasına rağmen, bir steroid substratı bağlandığında, I sarmalının kendisini “onarması” ve kapalı bir aktif bölge ile sonuçlanması olasılığını düşünmek ilgi çekicidir. Son örnek, aktif siteye yakın bir Cys kalıntısının hacimli bir ferrosen ile değiştirildiği bakteriyel P450cam'in kimyasal olarak değiştirilmiş bir formudur. Bu durumda, B' sarmalı tamamen yeniden düzenlenir ve büyük hareketlerle sonuçlanır (16). Fizyolojik olarak ilgili olmasa da, ferrosen çalışması, tam olarak substrat girişinin meydana geldiği düşünülen bölgede bir P450 için mevcut olan esnekliği gösterir. Açık P450 konformasyonlarının bu çeşitli yapıları, böylece substratların nasıl girdiğine dair erken bulmacayı çözer. F/G döngüsünün yanı sıra F ve G helislerinin hareketlerinden kaynaklanan büyük konformasyonel değişiklikler sorumludur. Mevcut P450 2B4 yapısı, büyük olasılıkla, ilacı metabolize eden mikrozomal P450'lerin açık konformasyonunun en uç noktasını temsil ediyor. Bu açık konformasyonun ilgi çekici bir yönü, P450 2B4'teki F ve G sarmalları arasındaki bağlantı bölümünün düzenli ve sarmal olmasıdır. Bir alt tabaka bağlandığında aktif bölgenin kapandığını varsayarsak, F/G döngü bölgesi, CYP119'da olduğu gibi, sarmal bölümlerin açılmasını gerektirebilecek aktif bölgeye hareket edebilir. Alt tabakaya bağlı bir P450 2B4 yapısını endişeyle bekliyoruz.


Yeni Bir Çağda Fizik: Genel Bir Bakış (2001)

Yaşam, çevremiz ve etrafımızdaki malzemeler, etkileşimli parçalardan oluşan karmaşık sistemlerdir. Çoğu zaman bu parçaların kendileri karmaşıktır. İnsan vücudunu al. Çok küçük bir ölçekte sadece atomlardaki elektronlar ve çekirdeklerdir. Bunlardan bazıları, etkileşimleri büyüme, hareket ve akıl yürütme gibi daha büyük ölçekli vücut işlevleri üreten daha büyük moleküller halinde düzenlenir. Karmaşık sistemlerin incelenmesi göz korkutucu zorluklar sunar, ancak şimdi büyük faydalar getiren hızlı ilerleme kaydedilmektedir. Örneğin, yapısal malzemelerde çatlak oluşumunu anlamanın, deprem gibi felaketleri tahmin etmenin veya arterlerdeki plak birikimini tedavi etmenin arzu edilirliğini kim inkar edebilir?

Etkileşen birçok parçadan oluşan bir sistemi anlamaya çalışırken fizikte geleneksel bir yaklaşım, sistemi daha küçük parçalara ayırmak ve her birinin davranışını incelemektir. Bu bazen işe yaramış olsa da, çoğu zaman başarısız olur çünkü parçaların etkileşimleri tek bir parçanın davranışından çok daha karmaşık ve önemlidir. Bir deprem iyi bir örnektir. Mikroskobik düzeyde bir deprem, bir kaya çatladıkça moleküller arasındaki bağların kopmasıdır. Deprem dinamiğinin teorik ve hesaplamalı modelleri, deprem davranışının birçok fayın (çatlak) etkileşimi ile karakterize edildiğini ve kayma çığlarına neden olduğunu göstermiştir. Bu kaymalar, gerçek moleküler bağların ayrıntılarına büyük ölçüde duyarsızdır.

Fizikçiler karmaşık sistemlerin incelenmesinde disiplinlerinin sınırlarını genişletiyorlar: Hayatı anlamak için biyologlarla, Dünya'yı ve gezegenleri keşfetmek için jeologlarla ve çatlak yayılımını incelemek için mühendislerle güçlerini birleştiriyorlar. Fiziğin nicel yöntemlerinin ve modelleme tekniklerinin karmaşık sistemlere uygulanmasında çok ilerleme kaydedilmekte ve fizikçiler tarafından geliştirilen araçlar bu sistemlerin davranışını daha iyi ölçmek için kullanılmaktadır. Bilgi işlemdeki ilerlemeler, ilerlemenin çoğundan sorumludur. büyük miktarda veriye olanak sağlarlar.

toplanabilir, saklanabilir, analiz edilebilir ve görselleştirilebilir ve çok karmaşık modeller kullanarak sayısal simülasyonları mümkün kılmıştır.

Bu bölümde, komite karmaşık sistem araştırmasının beş alanını açıklamaktadır: sıvılarda, plazmalarda ve gazlarda madde türbülansının dengesiz davranışı biyoloji ve Dünya ve çevresinde yüksek enerji yoğunluklu sistem fiziği.

MADDENİN DENGESİZ DAVRANIŞI

Karmaşık sistemlerin en başarılı teorisi, denge istatistiksel mekaniğidir ve birçok sistemin yeterince uzun bir süre bekledikten sonra ulaştığı durumun tanımıdır. Yaklaşık yüz yıl önce, büyük Amerikalı teorik fizikçi Josiah Willard Gibbs, istatistiksel mekanik üzerine ilk genel ifadeyi formüle etti.Yaklaşımında somutlaşan, mikroskobik ölçekte yeterince kaotik hareketlerin sistemin büyük ölçekli davranışını dengede veya hatta dengeye yakın hale getirdiği fikriydi. Tam ölçekli dengesizlik fiziği ise tam tersine, sıkıştırıldıklarında, ısıtıldıklarında veya hareketsiz durumlarından başka bir şekilde hareket ettirildikçe büyük ölçüde değişen genel karmaşık sistemlerin ve sistemlerin incelenmesidir. Bu dengesiz sistemlerin bazılarında sıcaklık kavramı bile kullanışlı değildir. Benzer şekilde genel bir dengesizlik sistemleri teorisi olmamasına rağmen, son araştırmalar, bu tür sistemlerin sınıflarının, denge sistemleri gibi ortak (&ldquouniversal&rdquo) davranış kalıpları sergilediğini göstermiştir. Bu yeni teoriler yine karmaşıklıkta basitlik buluyor.

Gündelik madde çok sayıda atomdan oluşur ve termal dengede olmayan malzemeler için karmaşıklığı artar. Bir malzemenin özellikleri, o halde, mevcut koşullara olduğu kadar geçmişine de bağlıdır. Termal dengedeki malzemeler müthiş karmaşıklık gösterebilse de, dengesiz sistemler denge olanlardan temelde farklı şekillerde davranabilir. Doğa dengesiz sistemlerle doludur: Pencereden dışarı bakmak, tüm canlılar da dahil olmak üzere, termal dengede olmayan pek çok şeyi ortaya çıkarır. Camın kendisi, aynı malzemeden çok farklı şeffaflık ve dayanıklılık gibi temel özelliklere sahiptir (SiO2) kristal halde. Esasen endüstriyel malzemelerin üretimine yönelik tüm süreçler, dengesizlik olaylarını içerir.

Dengeden uzakta olan birçok madde örneğinden birkaçı aşağıda açıklanmıştır.

Granül Malzemeler

Granüler malzemeler, farklı makroskopik parçacıkların büyük kümeleridir. Çimentodan kedi mamasına, tebeşire kadar günlük hayatımızın her yerinde bulunurlar ve kimya endüstrisinde endüstriyel olarak çok önemlidirler ve ürünlerin yaklaşık yarısı ve hammaddelerin en az dörtte üçü granül haldedir. Görünüşteki basitliklerine rağmen, taneli malzemeler yeterince anlaşılmamıştır. Katılar, sıvılar ve gazlarla bazı ortak özelliklere sahiptirler, ancak bu bilinen madde formlarından farklı davranabilirler. Ağırlığı destekleyebilirler ama aynı zamanda sıvılar gibi akarlar ve kumsaldaki kumlar buna iyi bir örnektir. Tanecikli bir malzeme, endüstriyel olarak kataliz için kullanılan akışkan yataklarda olduğu gibi, diğer gazların içinden geçmesine izin vermesi bakımından gazları anımsatan bir şekilde davranabilir. Tanecikli malzemelerin sergilediği olgu zenginliği, oluşturdukları tanelerin özellikleri açısından kolayca anlaşılamaz. Sürtünmenin varlığı, çok kısa menzilli taneler arası kuvvetlerle birleşerek ayırt edici özelliklerini ortaya çıkarır.

Gözlükler: Dengesiz Katılar

Bir sıvı yeterince yavaş soğutulduğunda kristalleşir. Bununla birlikte, çoğu sıvı, hızlı bir şekilde soğutulursa bir bardak oluşturur. Cam faz, yüzeysel olarak sıvıya benzeyen düzensiz bir yapıya sahiptir, ancak sıvı fazın aksine, molekülleri yerinde donar. Camların, aynı moleküllerden yapılmış bir kristalinkinden oldukça farklı olabilen önemli özellikleri vardır; örneğin, optik fiberler olarak kullanımları için hayati önem taşıyan özellikler. Bir camın özellikleri, onu oluşturan atomlar ve hangi yöntemlerle hazırlandığı arasındaki ilişkiyi anlamak, faydalı özelliklere sahip camların geliştirilmesi ve kullanılması için anahtardır. Cam geçişin doğasını anlamak (gerçek bir faz geçişi mi yoksa sadece bir yavaşlama mı olduğu) çok önemlidir ve sinir ağları gibi diğer düzensiz sistemler hakkında fikir verecektir.

Arıza Modları: Kırılma ve Çatlak Yayılımı

Çatlakların başlamasını ve yayılmasını anlamak, havacılık ve mimariden depremlere kadar değişen bağlamlarda son derece önemlidir. Sorun çok zordur çünkü çatlama, birçok uzunluk ölçeğinin etkileşimini içerir. Büyük ölçekli bir gerilmeye tepki olarak bir çatlak oluşur ve yine de çatlak başlatma olayının kendisi çok kısa mesafelerde meydana gelir.

Birçok kristalde, kristal kafeste tek bir kusur varsa, bir çatlağı başlatmak için gereken stres önemli ölçüde düşer. Bu, enerji girdisini büyük ölçeklerden küçük, hatta bazen atomik ölçeklere odaklamak için dengesiz sistemlerin genel eğiliminin bir örneğidir. Diğer örnekler türbülans, yapışma ve kavitasyondur. İyi anlaşılmayan malzeme özelliklerine bağlı olarak, küçük bir çatlak büyüyerek uzun bir çatlağa dönüşebilir veya körelerek büyümeyi durdurabilir. Hesaplama ve görselleştirme tekniklerindeki son gelişmeler artık sayısal simülasyon yoluyla bu etkileşime yeni ve önemli bir bakış açısı sağlıyor.

Köpükler ve Emülsiyonlar

Köpükler ve emülsiyonlar, genellikle fazların sınırında bir yüzey aktif madde (örneğin bir sabun tabakası) bulunan iki farklı fazın karışımlarıdır. Bir köpük, bir kabarcık ağı olarak düşünülebilir: Çoğunlukla havadır ve nispeten az miktarda sıvı içerir. Köpükler, yangınla mücadeleden yemek pişirmeye, tıraştan izolasyona kadar birçok uygulamada kullanılmaktadır. Köpüklerin özellikleri havanın veya sıvının özelliklerinden oldukça farklıdır, aslında köpükler genellikle bileşenlerinin herhangi birinden daha serttir. Emülsiyonlar, yağ ve su gibi birbirine karışmayan iki fazın neredeyse eşit kombinasyonlarıdır. Örneğin mayonez bir emülsiyondur. Mayonezin özellikleri, neredeyse tamamen meydana geldiği yağ veya sudan oldukça farklıdır. Köpüklerin ve emülsiyonların yaygın kullanımıyla, bu tür malzemeleri belirli uygulamalar için optimize edecek şekilde tasarlamak önemlidir. Daha fazla ilerleme, köpüklerin ve emülsiyonların özellikleri ile bileşenlerinin özellikleri arasındaki ilişkinin daha iyi anlaşılmasını ve bu karmaşık malzemelerin davranışını belirleyen diğer faktörlerin daha fazla bilinmesini gerektirecektir.

Kolloidler

Küçük parçacıklar bir sıvı içinde süspanse edildiğinde kolloidler oluşur. Parçacıklar çözülmez, ancak termal hareketlerin onları asılı tutması için yeterince küçüktür. Kolloidler hayatımızda yaygın ve önemlidir: boya, süt ve mürekkep sadece üç örnektir. Ek olarak, kolloidler biyolojik sistemlerde yaygındır, örneğin kan bir kolloiddir.

Bir kolloid, bir sıvının kullanım kolaylığını, içinde asılı duran katının özel özellikleriyle birleştirir. Süspansiyonda çok sayıda partikül bulunması genellikle arzu edilir olsa da, yüksek konsantrasyonlu süspansiyonlardaki partiküller, kümeleşme ve süspansiyonun dışına çökme eğilimine sahiptir.

Parçacıklar arasındaki etkileşimler karmaşıktır çünkü parçacıkların ve sıvının hareketleri birbirine bağlıdır. Kolloidal parçacıkların kendileri çok küçük olduğunda, kuantum noktaları veya nanokristallerde olduğu gibi, kuantum etkileri, özelliklerini belirlemede çok önemli hale gelir.

Yeni x-ışını ve nötron saçılımı tesisleri ve teknikleri, çok karmaşık sistemlerin yapısı ve özellikleri arasındaki ilişkinin çok küçük ölçeklerde incelenmesini mümkün kılıyor. Gelişmiş ışık saçılım teknikleri, mikron mesafelerdeki akış ve dalgalanmaların dinamikleri hakkında yeni bilgiler sağlar. Gelişmiş hesaplama yetenekleri, yalnızca benzeri görülmemiş doğruluk, karmaşıklık ve boyutun teorik olarak modellenmesini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda video mikroskobu ile yapılan görüntülerin analizini de sağlayarak, kolloidal parçacıkların hareketi ve etkileşimleri hakkında yeni bilgiler sağlar.

Gelişmiş deneysel araştırmaların, güçlü hesaplama kaynaklarının ve yeni teorik kavramların birleşimi, dengesiz malzemelerin anlaşılmasında yeni bir seviyeye yol açmaktadır. Bu ilerleme devam edecek ve egzotik ve kullanışlı özelliklere sahip yeni malzemelerin geliştirilmesini ve tasarlanmasını sağlıyor.

SIVILARDA, PLAZMALARDA VE GAZLARDA TÜRBÜLANS

Bir akarsu akışının karmaşık girdapları veya kaynayan bir su kabının köpüren yüzeyi, modern fizikte zorlu bir problem olan türbülansın tanıdık örnekleridir. Aşina olmalarına rağmen, bu fenomenlerin birçok yönü açıklanamamaktadır. Türbülans, bu tür günlük örneklerle sınırlı değildir, kara deliklere dönen maddenin disklerinden türbin bileşenlerinin ve kalp kapakçıklarının etrafındaki akışa kadar birçok karasal ve dünya dışı sistemde mevcuttur. Türbülans, örneğin erimiş kaya, sıvılar, plazmalar ve gazlar gibi her türlü maddede meydana gelebilir.

Türbülansın anlaşılması ve kontrolü de önemli ekonomik etkiye sahip olabilir. Örneğin, arabaların etrafındaki akışta türbülansın ortadan kaldırılması veya azaltılması yakıt tüketimini azaltır ve füzyon plazmalarından türbülansın ortadan kaldırılması gelecekteki reaktörlerin maliyetini düşürür (bkz. Belki de türbülansı içeren en dramatik fenomenler, atmosferdeki hortumlar, manyetosferdeki alt fırtınalar ve güneş koronasındaki güneş patlamaları gibi felaket dinamikleri olanlardır.

Türbülans doğada her yerde olmasına rağmen, ölçmek ve tahmin etmek zordur. Bunun dört önemli nedeni var. Birincisi, türbülans, düzen ve kaos arasındaki karmaşık bir etkileşimdir. Örneğin, türbülanslı bir akışta tutarlı girdaplar genellikle şaşırtıcı derecede uzun süre devam eder. İkincisi, turbu-

FÜZYONU İYİLEŞTİRMEK İÇİN TÜRBÜLANSI BASTIRMAK

Dünya'da pratik bir füzyon enerjisi kaynağı üretmek için, Güneş'in çekirdeğinden daha yüksek sıcaklıklara sahip plazmalar, manyetik bir tuzakta verimli bir şekilde kapatılmalıdır. 1990'larda, bu manyetik kafeslerdeki türbülanslı delikleri tıkamak için yeni yöntemler keşfedildi. Aşağıdaki şekil iki bilgisayar simülasyonunu göstermektedir. En soldaki simülasyon, bir tokamak&mdasha popüler manyetik tuzak tipinin bir kesitindeki türbülanslı basınç dalgalanmalarını göstermektedir. Bu türbülanslı girdaplar, yüksek sıcaklıkta plazmayı merkezden düşük sıcaklık kenarına taşıyan küçük girdaplar gibidir. En sağdaki simülasyon, çatalı döndürerek balı çatal üzerinde tutmaya benzer şekilde, makaslanmış rotasyonel akışların eklenmesinin girdapları gererek ve parçalayarak türbülansı bastırabileceğini göstermektedir.

Birkaç deneysel füzyon cihazı, kaymalı rotasyonel akışlar tarafından türbülansın bastırıldığını göstermiştir. 1994 yılında 10 MW füzyon gücüne ulaşan Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı'ndaki Tokamak Füzyon Test Reaktöründen alınan bu veri grafiği, türbülansın bastırılmasının merkezi plazma basıncını ve dolayısıyla füzyon reaksiyon hızını nasıl önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir.





lence genellikle çok çeşitli mesafelerde gerçekleşir. Üçüncüsü, fiziğin geleneksel matematiksel teknikleri, yüksek düzeyde doğrusal olmayan türbülans denklemleri için uygun değildir. Dördüncüsü, türbülansın deneysel olarak ölçülmesi zordur.

Bu zorlu zorluklara rağmen, son yirmi yılda yapılan araştırmalar dört cephede de çok ilerleme kaydetti: Örneğin, kaotik türbülanslı sistemler içinde düzenli yapılar tespit edildi. Bu tür yapılar genellikle belirli bir sisteme çok özeldir. Örneğin, güneş koronasındaki türbülans, güneş koronasını ısıtabilecek son derece ince elektrik akımı levhaları oluşturuyor gibi görünüyor. Füzyon cihazlarında, plazma türbülansının teorik ve deneysel olarak türbülansı bastıran ve plazmadan termal kayıpları azaltan büyük ölçekli kesme akışları oluşturduğu bulunmuştur. Akan akışlarda çok belirgin olan türbülansın düzensiz, aralıklı doğası, parçalılığı ölçen fraktal modeller açısından anlaşılmaktadır. Evrenin kendisi çalkantılı bir ortamdır, modern kozmolojik simülasyonun çoğu, gözlemlenen yapının erken evrendeki dalgalanmalardan nasıl ortaya çıktığını anlamaya çalışır.

Çalkantılı aktivitenin çok farklı uzunluk ölçeklerinde gerçekleştiğinin kabulü eskidir. Leonardo da Vinci'nin bir deredeki türbülans çizimleri, büyük girdaplar içinde küçük girdaplar gösteriyor. Akışkan türbülansı teorilerinde, enerjinin büyük ölçeklerden küçük ölçeklere geçişi, türbülans büyük ölçekli karıştırmayla uyarıldığında, bir çay kaşığı kahveyi bir fincanda karıştırmak gibi, küçük ölçeklerin nasıl ortaya çıktığını açıklar. Küçük ölçekli aktivite, izole tekil yapıların oluşumundan da kaynaklanabilir: şok dalgaları, girdap tabakaları veya akım tabakaları.

Türbülansı ölçmenin zorluğu, kısmen muazzam uzunluk ölçekleri aralığından ve sistemi bozmadan ölçüm yapma ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, birçok türbülanslı sistemin yapısı ve dinamikleri, yeni teşhis araçları kullanılarak büyük ölçüde geliştirilmiş doğrulukla ölçülmüştür. Gazlarda ve sıvılarda türbülansı araştırmak için ışık saçılması kullanılmaktadır. Plazma türbülansı, türbülanstan mikrodalgaların saçılması ve sondalama parçacıklarından ışık emisyonunun ölçülmesiyle ölçülmektedir. Uydular tarafından Güneş'in yumuşak x-ışını görüntülemesi, koronadaki ayrıntılı yapıyı ortaya koyuyor. Güneş'in sismik salınımlarının ölçümleri, Güneş'in türbülanslı konveksiyon bölgesini araştırıyor. Bilgi işlem donanımı ve yazılımındaki ilerlemeler, geniş türbülans veri kümelerinin elde edilmesini, işlenmesini ve görselleştirilmesini mümkün kılmıştır (bkz. kenar çubuğu &ldquoEarth's Dynamo&rdquo ).

YÜKSEK ENERJİ YOĞUNLUK SİSTEMLERİ

Yıldızlar patladığında, gökyüzünde aniden bir ışık patlaması belirir. Birkaç dakika içinde yıldız çöktü ve büyük miktarda enerji açığa çıkardı. Bu süpernova patlamaları, küçük bir alana hapsedilmiş muazzam miktarda enerji olan yüksek enerji yoğunluklu fenomenlerin örnekleridir. Bizim

DÜNYANIN DİNAMOSU

Dünyanın manyetik alanı, ortalama olarak her 200.000 yılda bir yön değiştirir. Aşağıda gösterilen bir tersine çevirmenin anlık görüntü serisi, bu tür tersine çevirmelerin kendiliğinden meydana geldiği bir bilgisayar simülasyonundan alınmıştır. Anlık görüntüler, simüle edilen 300.000 yılda iki tersine çevrilme sırasında 300 yıl arayla. İlk dört resimde kırmızı, Dünya yüzeyindeki dış alanı ve mavi iç alanı gösterir. Alt dördü, sıvı çekirdeğin üstündeki kabuğun altında aynı şeyi gösterir. Bilgisayar simülasyonu yoluyla bu karmaşık fenomen anlaşılmakta ve nicelleştirilmektedir.


Dünyanın sıvı çekirdeğinin hareketleri, manyetik alanı oluşturan elektrik akımlarını harekete geçirir. Bu alan, Dünya'nın yüzeyinden geçer ve pusulaları yönlendirir. Sağdaki resim, bu sürecin bir bilgisayar simülasyonundaki manyetik alan çizgilerini göstermektedir. Çizginin mavi olduğu yerde içeriyi, altın olduğu yerde dışarıyı gösteriyor. Resim iki Dünya çapındadır.


yüksek enerji yoğunlukları ile ilgili deneyimler yakın zamana kadar sınırlıydı, esas olarak astrofizikçilerin ve nükleer silah uzmanlarının endişesiydi. Bununla birlikte, yüksek yoğunluklu lazerlerin, darbeli güç kaynaklarının ve yoğun parçacık ışınlarının ortaya çıkışı, bu fizik alanını daha büyük bir topluluğa açmıştır.

Yüksek enerji yoğunluklu fizikte birkaç ana araştırma alanı vardır. İlk olarak, astrofizik ve kozmoloji ile ilgili yüksek enerji yoğunluklu rejimler laboratuvarda yeniden üretiliyor ve inceleniyor. İkincisi, araştırmacılar endüstri ve tıptaki uygulamalar için yeni x ışınları, gama ışınları ve yüksek enerjili parçacık kaynakları icat ediyorlar. Üçüncüsü, yüksek enerji yoğunluklu fiziğin anlaşılması, ekonomik füzyon enerjisine giden bir yol sağlayabilir. Ve Big Bang'den sonraki 1 mikrondan bu yana evrendeki en yüksek enerji yoğunluklarının Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısında (RHIC) yaratıldığını belirtmekte fayda var.

1980'den beri lazerlerin yoğunluğu 10.000 kat arttı. Bu tür yoğun lazerlerin madde ile etkileşimi, oldukça göreli elektronlar ve bir dizi doğrusal olmayan plazma etkisi üretir. Örneğin, bir lazer ışını plazmada bir kanal oluşturarak kendisini uzun mesafelere odaklayabilir. Yeni hızlandırıcılar ve radyasyon kaynakları üretmek için diğer doğrusal olmayan etkilerden yararlanılmaktadır. Bu yüksek yoğunluklu lazerler, süpernova ve diğer astrofiziksel durumlarda beklenenlere benzer şoklar ve hidrodinamik kararsızlıklar üretmek için de kullanılır.

Yüksek enerji yoğunluklu fizik genellikle büyük tesisler gerektirir. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF), füzyon yakıtı (döteryum ve trityum) içeren küçük topakların yüksek enerjili bir lazerle sıkıştırılmasını inceleyecek. Bu deneyler füzyon enerjisi ve astrofizik için önemlidir. Saniyenin birkaç milyarda biri kadar süren sıkıştırma sırasında, yüksek oranda sıkıştırılmış hidrojenin özellikleri ölçülür. Elde edilen bilgiler, yıldızların merkezindeki hidrojenin davranışıyla doğrudan ilgilidir. NIF ayrıca yoğun x ışınlarının ve maddenin etkileşimini ve ardından gelen şok dalgası oluşumunu da inceleyecektir. Bu konular ayrıca Sandia Ulusal Laboratuarlarında yoğun plazma deşarjları tarafından üretilen x ışınları kullanılarak incelenmektedir. Peletlerin sıkıştırılmasıyla ticari bir füzyon enerjisi kaynağı, NIF lazerin yerini alacak verimli bir sürücünün geliştirilmesini gerektirecektir.

BİYOLOJİDE FİZİK

Fizik ve biyoloji arasındaki kesişme son yıllarda çiçek açtı. Biyolojinin pek çok alanında işlev, doğrudan fiziksel faktörlere bağlıdır.

Bu sistemlerin fiziksel bir bakış açısıyla verimli bir şekilde ele alınabileceği süreçler. Örneğin, beyin elektrik sinyalleri (yani sinir uyarıları) gönderir ve bu sinyal sistemleri uygun şekilde standart bir fiziksel sistem (canlı olan) olarak görülür. Bu bölümde, komite fizik ve biyoloji ara yüzündeki birkaç önemli alanı açıklar ve gelecekteki bazı yönleri tartışır.

Yapısal Biyoloji

Modern yapısal biyoloji, biyolojik moleküllerin yapısını tek tek oluşturan atomların konumuna kadar belirlemekten sorumlu olan biyofizik dalı, kökenlerini von Laue (1914 Nobel Ödülü) ve W.H. Bragg ve W.L. Bragg (1915 Nobel Ödülü). Bunu Rabi, Purcell ve Bloch'un nükleer manyetik rezonansı keşfetmesi takip etti ve 1944 ve 1952'de Nobel Ödülleri kazandı. X-ışını kristalografisi ve modern bilgisayarlar ile kristalleri oluşturan herhangi bir molekülün yapısı, aşağıdakilere kadar belirlenebilir: tüm bireysel atomların konumu. Mikroelektronik ve bilgisayarlara dayalı teknolojik gelişmeler sayesinde, birçok protein molekülünün detaylı yapısını doğal hallerinde belirlemek artık mümkün. Yüzlerce proteinin yapısı artık biliniyor ve biyofizikçiler bu proteinlerin işlerini nasıl yaptıklarını öğreniyor. Birçok enzim için, enzimatik aktivitenin altında yatan yapısal yeniden düzenlemeler ve spesifik kimyasal etkileşimler artık bilinmektedir ve moleküler motorların nasıl hareket ettiği anlaşılmaya başlanmıştır.

Geriye kalan temel zorluklar, bilginin bir molekülün bir bölgesinden diğerine nasıl iletildiğini ve bir proteinin bir yüzeyindeki bağlanma bölgesinden karşı yüzeydeki enzimatik aktif bölgeye nasıl iletildiğini belirlemektir; örneğin, spesifik amino asit dizisinin nihai sonucu nasıl belirlediğini. proteinin yapısı. Proteinler tutarlı ve hızlı bir şekilde katlanırlar, ancak olası yapıların geniş bir alanında uygun yerlerini nasıl aradıkları anlaşılamamıştır. Proteinlerin doğru şekillerini nasıl aldıklarını anlamak, biyofizikte merkezi bir problem olmaya devam etmektedir (bkz.

Biyomekanik

Hücreler, hücre bölünmesi, materyal taşınması ve organizmanın tamamının veya bir kısmının hareketi (kalbin atması veya bir uzvun hareketi gibi) gibi çeşitli işlevler için moleküler motorlara bağlıdır. Yüzyılın ortalarında kasların kuvvet üretmek için belirli proteinleri kullandığı öğrenildi, ancak

PROTEİN KATLAMASI

Proteinler, yeşil bitkilerdeki fotosentetik merkezler, gözdeki ışık reseptörleri, kandaki oksijen taşıyıcıları, kaslardaki motor moleküller, sinir iletimindeki iyon valfleri ve kimyasal katalizörler (enzimler) gibi çok çeşitli anahtar roller oynayan dev moleküllerdir.

Mimarileri genlerdeki bilgilerden türetilmiştir, ancak bu bilgi bize şekilde solda görülen oldukça hayal kırıklığı yaratan tek boyutlu zincir molekülünü verir. Ancak zincir, kompakt "dquonative durumuna" katlandığında, proteinin işlevini tahmin etmeyi veya bir ilaçla hedeflemeyi sağlayan doğal yapısal motifi ortaya çıkar.

Bu katlama işlemi nasıl anlaşılabilir? Deney sadece ipuçları verir, bu nedenle hesaplama kilit bir rol oynamalıdır. Bilgisayarda, protein molekülünü oluşturan atomların yörüngelerini hesaplamak ve böylece katlama sürecini simüle etmek mümkündür. Diğer protein atomları ve çevresindeki sudaki atomlar nedeniyle bir atoma etki eden kuvvetlerin bu hesabı, parıldayan atomik hareketlerin hızlı zaman ölçeğinde, yani 10 &eksi 15 saniye (1 fs) üzerinde birçok kez tekrarlanmalıdır. En hızlı katlanan proteinlerin bile katlanması 100 µs'a (10 &eksi4 s) yakın bir zaman aldığından, tüm kuvvetler 10 11 kata kadar hesaplanmalıdır. Bunu yapmak için gereken hesaplama gücü çok büyük. Küçük bir protein için bile, tüm kuvvetlerin tek bir hesaplaması 10 10 bilgisayar işlemi gerektirir, bu nedenle bunu 10 günde 10 11 kez yapmak için saniyede 10 15 bilgisayar işlemi (1 petaflop) gerekir. Bu, dünyadaki süper bilgisayar nüfusunun tüm hesaplama gücünün 50 katıdır.

Halihazırda teslim edilen süper bilgisayarların gücü 1 teraflop'tan (saniyede 10 12 işlem) biraz fazla olsa da, yakın gelecekte en son silikon teknolojisini bilgisayardaki yeni fikirlerle birlikte kullanarak, protein katlama gibi görevler için petaflop gücüne sahip bilgisayarların olması bekleniyor. tasarım. Örneğin IBM'in Blue Gene adında, protein katlama gibi biyolojik hedeflere adanmış ve 5 yıl içinde petaflop bilgisayar yapmayı hedefleyen bir projesi var.


şimdi bilinen çok sayıda motor tipinden sadece belli belirsiz şüpheleniliyordu. Geniş motor aileleri artık karakterize edilmiş ve güç uyguladıkları adımların sırası büyük ölçüde aydınlatılmıştır. Son yıllarda araştırmacılar, tek bir motor çevrimi tarafından üretilen kuvvetleri ve temel mekanik adımın boyutunu ölçtüler. Bu araştırma, tek bakteri hücrelerinin hassas manipülasyonuna izin veren optik cımbız gibi yeni ekipman türlerinin yanı sıra sıradan bir mikroskopla görülemeyecek kadar küçük hareketleri ölçmek için yeni tekniklerin icadını gerektirmiştir.

21. yüzyılın başlarındaki zorluk, çeşitli motor protein türlerinin ayrıntılı yapısı ile kuvvet ve hareket oluşumunu ilişkilendiren bir teori geliştirmek olacaktır. Sonuç, kalbin nasıl kan pompaladığını ve kasların nasıl kasıldığını anlamak olacaktır.

Fotobiyoloji

Bitkilerde fotosentez ve hayvanlarda görme, ışığın emilmesiyle ilişkili enerjinin daha sonra kullanılmak üzere depolanabildiği (fotosentez) veya başka yerlere gönderilebilecek bir sinyale dönüştürülebildiği (fotoresepsiyon) fotobiyoloji örnekleridir. Moleküllerin, kromoforlar olarak adlandırılan belirli renkteki ışığı soğurmaktan sorumlu kısımları ve soğurulan enerjinin kullanımında sonraki adımlardan sorumlu proteinler uzun zamandır bilinmektedir. Son yıllarda biyofizikçiler, bu moleküllerin ışık enerjisini kullanırken geçtikleri, bazıları saniyenin milyarda biri kadar süren, iyi tanımlanmış bir dizi aşama tanımladılar. Biyofizikçiler ve kimyagerler bu proteinlerin yapısı hakkında çok şey öğrendiler, ancak özel bir bakteri proteini olan bakteriyel fotosentetik reaksiyon merkezi (Deisenhofer, Huber ve Michel'in çalışmaları ödüllendirildi) dışında henüz tüm atomların konumları düzeyinde değil. 1998 Nobel Ödülü ile).

Fotobiyolojide zorluk, emilen ışıktan gelen enerjiyi işleyen proteinlerdeki tüm atomların konumunu belirlemek ve bu enerjinin protein tarafından nasıl kullanıldığını öğrenmektir. Bu, yapısal terimlerle, moleküllerin işlerini yaparken geçtikleri tüm ara aşamaların kimlik ve işlev rolünü açıklamayı içerecektir.

İyon Kanalları

Tüm hücrelerin sınırlarını belirleyen yüzey zarları, yaşam için gerekli olan sodyum, potasyum ve kalsiyum iyonlarını da engeller.

Bir hücrenin hücreye girmesi veya hücreden çıkması. Bu iyonların kontrollü bir şekilde geçmesine izin vermek için hücre zarına iyon kanalları olarak bilinen özel proteinler sağlanır. Bu kanallar, tüm hücre türlerinin işlevi için gereklidir, ancak kalp, kas ve beyin gibi uyarılabilir dokular için özellikle önemlidir. Tüm hücreler, sodyum, potasyum ve kalsiyum iyonlarını hücre içinde ve dışında farklı konsantrasyonlarda tutmak için (yediğimiz gıdalardan elde edilen) metabolik enerji kullanır. Bu iyonik konsantrasyon farklılıklarını koruyan özel proteinlere pompalar denir. Pompa hareketinin bir sonucu olarak, potasyum iyon konsantrasyonu hücre içinde yüksek ve sodyum iyon konsantrasyonu düşüktür: Potasyum iyonları hücrenin içinde ve sodyum iyonları dışarıdadır. Çeşitli iyon kanalları, farklı iyon türlerinin giriş ve çıkışını ayrı ayrı düzenler (sodyumun içeri girmesine izin verir veya potasyumun hücreden çıkmasına izin verir). Uyum içinde çalışan bu kanallar, bilgiyi beyinde bir yerden diğerine veya beyinden kaslara hızla iletmek için kullanılan sinir uyarıları gibi elektrik sinyalleri üretir.

İyon kanalları, geçit ve geçirgenlik olmak üzere iki temel özellik sergiler. &ldquoGating&rdquo, kanalların hücre zarı boyunca iyon akışını kontrol ettiği süreci ifade eder. &ldquoPermeation&rdquo, kanal proteininin ortasındaki submikroskopik bir oluk yoluyla iyonların hareketinde yer alan fiziksel mekanizmalara atıfta bulunur: Bir kanal, iyonların hücrenin içine ve dışına hareket etmesine izin vermek için kapısını açar. Geçirgenlik pasif bir süreçtir (yani, iyonlar konsantrasyonlarına ve voltaj gradyanlarına göre hareket ederler), ancak kanallarda nüfuz etmesine izin verilen iyonlar için büyük bir özgüllük sergileyen oldukça karmaşık bir süreçtir. Bazı kanal türleri, sodyum iyonlarının geçişine izin verirken, potasyum ve kalsiyum iyonlarını hariç tutarken, diğerleri potasyum veya kalsiyum iyonlarının geçmesine izin verir. Bir iyon kanalının içinden geçebilecek iyon türlerini belirleme yeteneği, &ldquoselektiflik&rdquo olarak bilinir.

Yüzyılın ortalarında, sinir sisteminin elektriksel aktivitesinden spesifik iyon akışlarının sorumlu olduğu anlaşıldı. Kısa süre sonra, Hodgkin ve Huxley sinir dürtüsünden sorumlu iyonik akımları tanımlayan nicel bir teori sundular (1963'te bu çalışma için Nobel Ödülü'nü aldılar), ancak sorumlu varsayımsal kanalların doğası, geçitlemenin fiziksel temeli gibi gizemli kaldı. ve seçicilik.

Geçen yarım yüzyılda, iyon kanalları varsayımsal varlıklar olmaktan iyi tanımlanmış protein ailelerine doğru ilerledi. Bu proteinlerin tek kopyalarından akan akımlar rutin olarak kaydedilir (1991'de Neher ve Sakmann bu başarı için Nobel Ödülü'nü aldı) ve modern moleküler biyolojik yöntemlerle birleştirilen bu tür bireysel moleküler özellikler çalışmaları, zengin bilgi sağlamıştır. hakkında

proteinin hangi kısımları hangi özelliklerden sorumludur. Çok yakın bir zamanda, potasyum kanalının ilk kristal yapısı, onu oluşturan atomların konumlarına kadar kesin yapısı belirlenerek çözüldü.

Geçitleme, geçirgenlik ve seçiciliğin altında yatan fizik iyi anlaşılmıştır ve bu süreçlerin bazı bölümleri için yerleşik teoriler mevcuttur. Kanal biyofizikçileri için şu anda ana zorluk, iyon kanallarının fiziksel yapısını işlevlerine bağlamaktır. Proteinin yapısı göz önüne alındığında, seçicilik, geçirgenlik ve geçişin nasıl ortaya çıktığını açıklayan özel bir fiziksel teoriye ihtiyaç vardır. Kanallar oldukça karmaşık olduğundan, kanalların nasıl çalıştığına dair tam bir açıklama yapmak zor olacaktır ve daha fazla kanal türünün yapısı hakkında daha ayrıntılı bilgi beklenmelidir. Bu, 21. yüzyılın başlarında kanal biyofiziğinin hedefidir. Nihai sonuç, nöronların kendi karmaşık bilgisayarımız olan beyinde bilgi taşıyan sinir uyarılarını nasıl ürettiğinin atomik ayrıntılarıyla anlaşılması olacaktır.

Teorik Biyoloji ve Biyoinformatik

Fizikte geliştirilen teorik yaklaşımlar, örneğin, maddenin hallerindeki (faz geçişleri) ani değişiklikleri tanımlayan ve biyolojik sistemlerin işleyişini aydınlatmaya yardımcı olan yaklaşımlar. Anlamayı geliştirmek için bu fizik yaklaşımının verimli bir şekilde uygulandığı üç biyoloji alanı, beyin tarafından yapılan hesaplama, birçok küçük bileşen parçasının işbirliğinden ortaya çıkan kalıpların ortaya çıktığı karmaşık sistemler ve biyoinformatiktir. Nörobiyologlar beynin organizasyonunu ve işlevini anlamada çarpıcı ilerleme kaydetmiş olsalar da, daha fazla ilerleme muhtemelen teori için daha merkezi bir rol gerektirecektir. Bugüne kadar, çoğu ilerleme, deneylere dayanarak, beynin bölümlerinin nasıl çalıştığını tahmin ederek yapılmıştır. Ancak beynin daha karmaşık ve soyut işlevleri üzerinde çalışıldıkça, daha fazla teori olmadan başarılı bir şekilde ilerleme şansı hızla azalır. Fizik, teorinin gelişmiş ve başarılı kullanım örnekleri sunduğundan, fizikte kullanılan yöntemler beyin yapısını ve işlevini anlamak için en uygun olabilir.

Tüm hücrelerin yaşamı, son derece karmaşık genetik ve biyokimyasal ağlar oluşturan genler ve enzimler arasındaki etkileşimlere bağlıdır. Biyolojik bilgi arttıkça, özellikle de insanlar dahil olmak üzere organizmalar için planı oluşturan genlerin tamamı bilinir hale geldikçe, en önemli problemler bu karmaşık ağların tedavisini içerecektir. Modern biyoloji, deneysel olarak ölçmek için araçlar sağlamıştır.

çevresel değişikliklere tepki olarak bir organizmanın genlerinde birçok&mdashin bazı durumlarda eylem ve bu tür deneyleri yorumlamak için yeni teoriler gerekli olacaktır.

Biyolojinin en temel problemlerinden biri, organizmaların nasıl geliştiğini açıklamaktır: Bir insanı belirleyen 105 gen, doğru şekil ve özelliklere sahip doğru organları nasıl oluşturur? İnsan genleri tarafından örüntü belirleme sorusu, fizikçiler tarafından sorulan birçok soruyla güçlü benzerliklere sahiptir ve fizik, ona yaklaşmak için iyi modeller ve biyolojik sistemlerdeki benzer sorular sunar.

Biyolojideki bilgi patlaması, veri yönetimi ve dev veritabanlarından faydalı bilgilerin çıkarılmasıyla ilgili çok karmaşık problemler üretir. İstatistiksel fizikten elde edilen yöntemler, bu problemlere yaklaşmada yardımcı olmuştur ve veri hacmi arttıkça daha da önemli hale gelmelidir.

DÜNYA VE ÇEVRİMİ

İnsanların çevre üzerindeki etkisi arttıkça, Dünya'yı, okyanuslarını ve atmosferini ve etrafındaki alanı anlamaya daha fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Doğal afetlerin ve çevresel değişimin ekonomik ve toplumsal sonuçları, modern yaşamın karmaşıklığıyla büyük ölçüde büyütüldü. Bu nedenle, çevre biliminde öngörü yeteneği arayışı, fiziğin önemli bir rol oynadığı çok disiplinli büyük bir bilimsel çaba haline gelmiştir. Bu bölümde komite, yeni fikirlerin dramatik ilerlemeye yol açtığı üç önemli alanı ve kalp deprem dinamiklerini, kıyılardaki yükselmeleri ve manyetik alt fırtınaları tartışıyor.

Depremler

Güney Kaliforniya'daki 1994 Northridge depremi (6,8 büyüklüğünde) Amerika Birleşik Devletleri tarihindeki en pahalı doğal afetti. Sadece hasarlı yapılar ve içerikleri için 25 milyar dolarlık kayıp tahmin ediliyor. Depremler, daha sık meydana geldiği için değil, şehirlerimizdeki artan nüfus yoğunluğu nedeniyle her yıl daha pahalı hale geliyor. 1901'de 2001'de Utah'taki Wasatch fayındaki bir depremin tarım toplumu üzerinde çok az etkisi olurdu, hareketli bir Salt Lake City, ona bakan dağları yükselten aynı fay uçurumu boyunca yayılıyor.

Depremler, bir fay üzerindeki stres kaymasına neden olacak kadar büyük olduğunda meydana gelir. Bir hata üzerindeki stresi serbest bırakmak, genellikle üzerindeki stresi artırır.

başka bir arıza, kaymasına neden olur ve çığ etkisi yaratır. Stres altındaki birleştirilmiş fay sistemlerinin bilgisayar modelleriyle ilgili son çalışmalar önemli bilgiler sağlamıştır. Bu modellerin büyük bir sınıfı, modelin hata sisteminin yalnızca marjinal kararlılık noktasına yakın oturduğu, kendi kendini organize eden kritiklik adı verilen bir davranış üretir. Stres daha sonra çığ olaylarında serbest bırakılır. Çok sayıda model, mikroskobik dinamiklerdeki farklılıklara rağmen aynı istatistiksel davranışı verir. Bu modeller, bir enerji bandındaki depremlerin frekansının, bir güce yükseltilen enerjiyle orantılı olduğunu doğru bir şekilde tahmin eder. Bu da sismik tehlike olasılıklarının doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağlar.

Doğal deprem çalışmaları, aktif fayları gözlemleme ve nasıl çalıştıklarını anlama fırsatı sağlar. Donanmanın NAVSTAR GPS'i, aktif faylar etrafındaki zemin hareketini ölçmek için nispeten ucuz ve kesin bir yöntem sağlamıştır. Son yıllarda heyecan verici yeni bir gelişme, deprem kırılması ile ilişkili yer değiştirmelerin görüntülerini (SAR interferogramları) üretmek için sentetik açıklıklı radarın (SAR) kullanılması olmuştur.

Dünyadaki en büyük depremler, küresel hareketli tektonik plaka sistemini ayıran sınır bölgelerinde meydana gelir. Çoğu kıtada, levha sınırları, Dünya'nın deforme olduğu geniş bölgelerdir. Değişken yönlere sahip birkaç aktif fay, tipik olarak herhangi bir bölgenin hareketini emer, hareket ettikçe dağları yükseltir ve havzaları açar. Modelleme, alt kıtasal kabuğun aktığını, yavaş yavaş şeklini bozduğunu, kırılgan, depreme eğilimli bir üst kabuk ile sert, ancak hala hareket eden bir manto arasında sıkıştığını gösteriyor. Alt kabuğun bu sünek akışının, stresi tektonik plakanın manto kısmından üst kabuğun aktif faylarına yaydığı düşünülmektedir. Bu stres difüzyonunu yöneten fiziksel faktörler hala yeterince anlaşılmamıştır (bkz.

Kıyı Yükseltmeleri

Çevresel olaylar biyolojik, kimyasal ve fiziksel sistemler arasındaki dinamik etkileşimi içerir. Kaliforniya kıyılarındaki kıyı yükselmeleri bu etkileşimin güçlü bir örneğini sunar. Upwellings, batıya bakan kıyılarda yüzeye çıkan, besin açısından zengin soğuk su jetleridir. Bu siteler orantısız olarak büyük miktarda plankton üretir ve tortulara büyük miktarlarda organik karbon biriktirir. Okyanus sıcaklığı ve klorofil içeriği (biyolojik türleri belirten) gibi miktarların anlık uydu görüntüleri, dünya için önemli küresel veriler sağlar.

PINATUBO VE PATLAMA TAHMİNİNİN ZORLUKLARI

Volkanlar, karmaşık bir sıvıdan (silikat eriyiği, kristaller ve genişleyen uçucu fazlar), kabuklu kayalardan oluşan kırık bir "basınç kabı" ve Dünya yüzeyindeki bir deliğe giden bir kanaldan oluşur. Tarihsel olarak, patlama tahmini, büyük ölçüde tanıdık öncüllerin ampirik olarak tanınmasına dayanıyordu. Bazen, basınçlı kap arızalanıp magma yükseldikçe öncül değişiklikler katlanarak artar. Ancak çoğu zaman, bir patlamaya doğru ilerleme aylar veya yıllar boyunca durur ve o kadar değişkendir ki, tahmin pencereleri geniş ve güven düşüktür.

Nüfusun olmadığı bölgelerde, volkanologlar her zaman doğru olmaya gerek kalmadan tahminleri istedikleri sıklıkta hassaslaştırabilir. Ancak volkanların etrafındaki verimli topraklar büyük nüfusları kendine çekiyor ve volkanik huzursuzlukların çoğu, volkanologları ilk seferde spesifik ve doğru olmaya zorluyor. Tahliyeler maliyetli ve popüler değildir ve yanlış alarmlar ikinci bir tahliyeyi engelleyebilecek sinizmi besler. 1991'de Filipinler'deki Pinatubo yanardağında bulunma ihtiyacı yoğundu, ancak tahmin aceleyle toplanan, seyrek veriler, çeşitli çalışma hipotezleri ve çapraz parmakların bir ürünüydü. Neyse ki, tahliye edilenler ve volkanologlar için, yanardağ tahmin edildiği gibi davrandı.

Nüfus ve beklentiler arttıkça, belirsizlikler azaltılmalıdır. Günümüzün patlama tahminleri, daha kesin ve doğru büyüyen, huzursuzluğun altında yatan süreçlerin örüntü tanıma ve mantıksal, bazen yarı niceliksel analizini kullanır. Yarının sensörleri tamamen yeni parametreleri, zaman ölçeklerini ve volkanik davranışın uzamsal ölçeklerini ortaya çıkarabilir ve yarının örüntü tanıma araçları şu anda geliştirilmekte olan huzursuzluk bölümlerinin bir veritabanını çıkaracaktır. Ve artan bir şekilde, tahminler, kargaşanın açıklamalarını ve tahminlerini daraltmak için sayısal modellemeyi kullanacak. Volkanlar, doğanın birçok karmaşık sisteminden biridir ve fizik, kimya ve jeolojiyi her zamankinden daha kesin tahminlere entegre etmemize meydan okur. Milyonlarca hayat ve milyarlarca dolar tehlikede.


Yükselen suyun kıyı yüzey suyuyla fiziksel (çalkantılı) karışımını, besinlerin ve diğer kimyasalların evrimini ve çeşitli biyolojik türlerin popülasyon dinamiklerini tanımlaması gereken modeller. Biyoloji tamamen modellenemeyecek kadar ayrıntılı olduğundan, modeller önemli özellikleri soyutlamalıdır. İşlemlerin birçoğunun oranları, esasen ayrıntılı akışkanlar mekaniğini içeren jetin karıştırılması ve yayılmasıyla belirlenir. Araştırma grupları, bu kıyı ekosistemlerinin yıllık değişimlerini ve hassasiyetlerini anlamaya başladı.

Manyetik Alt Fırtınalar

Güneş rüzgarı, Güneş'in ateşli koronasından kaynaklanan ve gezegenlerin yanından dışarı esen bir sıcak plazma akımıdır. Bu rüzgar, Dünya'nın manyetik alanını Güneş'ten uzağa bakan uzun bir kuyruğa uzatır. Kuyruktaki manyetik alanın parçaları ara sıra yön değiştirir, diğer parçalara bağlanır ve Dünya'ya doğru geri döner. Bu, elektronlara enerji verir ve muhteşem auroralar üretir (Kuzey Işıkları bir örnektir). Bu manyetik alt fırtınalar, çağrıldıkları gibi, iletişim uydularına ciddi şekilde zarar verebilir. Manyetosferin birçok yerindeki alanların ve parçacıkların ölçümleri, bir alt fırtınanın karmaşık dinamiklerini ortaya çıkarmaya başladı. Bir alt fırtınanın kalbindeki süreç, Dünya'nın manyetik alanındaki düzensiz değişim, plazma fiziğinde uzun süredir devam eden bir problemdir. Bu fenomeni anlamadaki son gelişmeler, laboratuvar deneylerinden, yerinde gözlemden, bilgisayar simülasyonundan ve teoriden geldi. Elektronların türbülanslı hareketinin manyetik alandaki hızlı değişimleri kolaylaştırdığı görülüyor, ancak bunun nasıl meydana geldiği henüz tam olarak anlaşılmış değil.


Subaru-HiCIAO, doğum bulutlarını gizlice yutan genç yıldızları görüyor

Şekil 1: Subaru-HiCIAO tarafından ortaya çıkarılan dairesel yıldız yapıları. Ölçek çubukları AU'larda (astronomik birimler) gösterilir. Bir AU, güneşten dünyaya olan ortalama mesafedir. Bebek yıldızları (yiyecekleri) çevreleyen gaz ve toz, güneş sistemimizden önemli ölçüde daha geniştir. Burada aktif genç yıldızların etrafındaki bu tür karmaşık yapıların ilk gözlemlerini gösteriyoruz. Kredi: Science Advances, H. B. Liu.

Academia Sinica Astronomi ve Astrofizik Enstitüsü'ndeki (ASIAA) araştırmacılar tarafından yönetilen uluslararası bir ekip, yıldız ve gezegen oluşumundaki dramatik anları ortaya çıkarmak için yeni bir kızılötesi görüntüleme tekniği kullandı. Bunlar, çevredeki malzeme çok aktif bebek yıldızlara düştüğünde meydana geliyor, bunlar daha sonra doğum bulutlarının içinde saklı kalsalar bile açgözlü bir şekilde onunla besleniyorlar. Ekip, bir dizi yeni doğan yıldızı gözlemlemek için Hawaii'deki Subaru 8 metrelik Teleskopu üzerindeki HiCIAO (Subaru Yeni Nesil Uyarlanabilir Optikler için Yüksek Kontrastlı Cihaz) kamerasını kullandı. Çalışmalarının sonuçları, yıldızların ve gezegenlerin nasıl doğduğuna dair anlayışımıza yeni bir ışık tuttu (Şekil 1).

Yıldız Doğum Süreci

Yıldızlar, dev toz ve gaz bulutlarının kendi yerçekimlerinin etkisi altında çökmesiyle doğarlar. Gezegenlerin, aynı malzeme diskinde yıldızlarıyla neredeyse aynı zamanda doğduklarına inanılıyor. Bununla birlikte, yıldızlar ve gezegenler oluşurken meydana gelen ayrıntılı fiziksel süreçler hakkında hala bir takım gizemler vardır (Şekil 2).

Yıldızların oluştuğu dev toz ve gaz topluluklarına "moleküler bulutlar" denir, çünkü bunlar büyük ölçüde hidrojen ve diğer gaz moleküllerinden oluşur. Zamanla, bu bulutların en yoğun bölgelerindeki yerçekimi, "toplanma" adı verilen bir süreçle çevredeki gaz ve tozda toplanır. Genellikle bu sürecin düzgün ve sürekli olduğu varsayılır (Şekil 2). Bununla birlikte, bu istikrarlı düşüş, bulutta doğan her yıldızın son kütlesinin yalnızca küçük bir kısmını açıklar. Gökbilimciler, yıldız ve gezegen doğumu sürecinde kalan malzemenin ne zaman ve nasıl toplandığını anlamak için hala çalışıyorlar.

Birkaç yıldızın, yıldız yuvalarının içinden ani ve şiddetli bir "beslenme" çılgınlığıyla ilişkili olduğu bilinmektedir. Çevredeki malzemeye oburluk yaptıklarında, görünür ışıkları çok ani ve çarpıcı bir şekilde, yaklaşık yüz kat artar. Parlaklıktaki bu ani alevlenmelere "FU Orionis patlamaları" denir çünkü bunlar ilk olarak FU Orionis yıldızına doğru keşfedilmiştir.

Şekil 2: Green'e (2001) dayalı yıldız ve gezegen oluşumunun şematik bir diyagramı. Kredi bilgileri: ASIAA

Bu tür patlamalarla ilişkili pek çok yıldız bulunmaz - binlerce yıldızdan yalnızca bir düzine. Bununla birlikte, gökbilimciler, tüm bebek yıldızların, büyümelerinin bir parçası olarak bu tür patlamalar yaşayabileceğini tahmin ediyor. Sadece birkaç yeni doğan yıldıza doğru FU Ori patlamaları görmemizin nedeni, çoğu zaman nispeten sessiz olmalarıdır.

Yıldız doğumunun bu gizemli yüzüyle ilgili bir anahtar soru şudur: "Bu patlamaların ayrıntılı fiziksel mekanizmaları nelerdir?" Cevap, yıldızı çevreleyen bölgede yatıyor. Gökbilimciler, optik patlamaların yıldıza yakın, "toplanma diski" adı verilen bir malzeme diskiyle ilişkili olduğunu biliyorlar. Disk, Hawaii adasındaki Kilauea yanardağ bölgesinden akan gibi, Dünya'daki lav akışlarına benzer sıcaklıklara (yaklaşık 700 ila 1200 C veya 1292 ila 2182 F) kadar ısıtıldığında önemli ölçüde daha parlak hale gelir. Bu tür patlamalar için tetikleyici olarak çeşitli süreçler önerildi ve astronomlar son birkaç on yılda bunları araştırdı.

FU Ori Patlamaları için Bir Mekanizma Bulma

Drs tarafından yönetilen uluslararası bir ekip. ASIAA'dan iki araştırmacı olan Hauyu Baobab Liu ve Hiro Takami, bu sorunu çözmek için Subaru Teleskobu'nda bulunan yeni bir görüntüleme tekniğini kullandılar. Tekniğin - koronografi ile görüntüleme polarimetresi - disklerdeki ortamları görüntülemede muazzam avantajları vardır. Özellikle, yüksek açısal çözünürlüğü ve hassasiyeti, gökbilimcilerin diskten gelen ışığı daha kolay "görmelerini" sağlar. Bu nasıl çalışıyor?

Şekil 3: Bir yıldızın şiddetli büyümesi için bir teoriye dayanan bilgisayar simülasyonlarından yapılan görüntüler. (Solda) Bir bebek yıldızın üzerine düşen çevresel maddelerin hareketinin simülasyonları. (Orta ve sağ). Dağınık ışıkta yapıyı nasıl gözlemleyeceğimize dair modeller, iki farklı açıdan görülüyor. Kredi: Science Advances, H. B. Liu

Circumstellar malzeme gaz ve toz karışımıdır. Toz miktarı, buluttaki gaz miktarından önemli ölçüde daha azdır, bu nedenle malzemenin hareketi üzerinde çok az etkisi vardır. Bununla birlikte, toz parçacıkları merkezdeki yıldızdan gelen ışığı saçar (yansıtır) ve çevresindeki tüm malzemeyi aydınlatır. Dünyanın en büyük optik ve yakın-kızılötesi (NIR) teleskoplarından biri olan Subaru 8,2 metrelik teleskopa monte edilen HiCIAO kamerası, bu loş ortam ışığını gözlemlemek için çok uygundur. Takımın FU Ori patlamaları yaşayan dört yıldızı gözlemlemesine başarıyla izin verdi.

Dört FU Ori Patlamasının Detayları

Takımın hedef yıldızları, güneş sistemimizden 1.500-3.500 ışıkyılı uzaklıkta bulunuyor. Bu patlayan yenidoğanların görüntüleri şaşırtıcı ve büyüleyiciydi ve genç yıldızların çevresinde daha önce gözlemlenen hiçbir şeye benzemiyordu (Şekil 1). Üçünün sıra dışı kuyrukları var. Biri, yıldızın etrafındaki malzemenin hareketiyle yaratılan bir özellik olan bir "kol" gösteriyor. Bir diğeri, çevresel gaz ve tozu havaya uçuran optik bir patlamadan kaynaklanabilecek garip dikenli özellikler gösteriyor. Hiçbiri Şekil 2'de gösterilen istikrarlı büyüme resmine uymuyor. Aksine, yemek yiyen bir insan bebeğine çok benzeyen dağınık ve kaotik bir ortam gösteriyorlar.

Ekipteki teorisyenler, bu yeni doğan yıldızların çevresinde gözlemlenen yapıları anlamak için FU Ori patlamalarını açıklamak için önerilen birkaç mekanizmadan birini kapsamlı bir şekilde incelediler. Ortamdaki gaz ve toz bulutlarındaki yerçekiminin, kahveye karıştırılmış krema gibi görünen karmaşık yapılar oluşturduğunu öne sürüyor (Şekil 3, sol). Bu tuhaf şekilli malzeme yığınları, yıldızın üzerine düzensiz aralıklarla düşer. Ekip ayrıca patlamadan saçılan ışık için daha fazla bilgisayar simülasyonu gerçekleştirdi. Simülasyonları gözlemlenen görüntülerle eşleştirmek için daha fazla simülasyon gerekmesine rağmen, bu görüntüler bunun FU Ori patlamalarının doğası için umut verici bir açıklama olduğunu göstermektedir (Şekil 3).

Bu yapıları incelemek, bazı gezegen sistemlerinin nasıl doğduğunu da ortaya çıkarabilir. Gökbilimciler, bazı ötegezegenlerin (diğer yıldızların etrafındaki gezegenler) merkez yıldızlarından oldukça uzakta bulunduğunu biliyorlar. Bazen Güneş ile Dünya arasındaki mesafenin bin katından daha fazla ve Neptün'ün yörüngesinden (Güneş ile Dünya arasındaki mesafenin yaklaşık 30 katı olan) önemli ölçüde daha büyük yörüngede dönerler. Bu mesafeler ayrıca standart gezegen oluşumu teorileri tarafından açıklanan yörüngelerden çok daha büyüktür. HiCIAO görüşlerinde görülenler gibi karmaşık yıldızsal yapıların simülasyonları, malzemedeki bazı yoğun kümelerin gaz devi gezegenler haline gelebileceğini de tahmin ediyor. Bu, bu kadar büyük yörüngelere sahip ötegezegenlerin varlığını doğal olarak açıklar.

Bu heyecan verici yeni sonuçlara rağmen, yıldız ve gezegen doğum mekanizmalarını anlamak için daha yapılacak çok iş var. Gözlem ve teori arasında daha ayrıntılı karşılaştırmalara ihtiyaç vardır. Özellikle Atacama Büyük Milimetre/Milimetre-altı Dizisi ile yapılacak daha fazla gözlem, bakışımızı daha derinden yıldız gaz ve toz bulutlarına götürecek. Dizi, benzeri görülmemiş açısal çözünürlük ve hassasiyetle çevredeki toz ve gazın gözlemlenmesini sağlar. Gökbilimciler ayrıca önümüzdeki on yıllarda Subaru'dan önemli ölçüde daha büyük teleskoplar inşa etmeyi planlıyorlar - bunlara Otuz Metre Teleskop (TMT) ve Avrupa Aşırı Büyük Teleskopu dahil. Bunlar, yeni doğan yıldızlara çok yakın bölgelerin ayrıntılı çalışmalarına izin vermelidir.


Sonuçlar

İtalya'da ve bir dizi diğer Avrupa ülkesinde CPE'nin devam eden bulaşması ciddi endişe kaynağı olmaya devam etmektedir. Bu durum belgesi, sorunun arka planına ilişkin bilgiler ve özellikle aktif sürveyansın rolüne ilişkin olarak mevcut kılavuz belgelerine kısa bir genel bakış sağlar. CPE'nin taşınması için aktif sürveyansın, sınırlamaya yönelik genel "paket yaklaşımının" önemli bir yönü olmaya devam ettiği açık olsa da, taramanın kesin rolü, taranacak hasta türleri ve klinik birimler ve aşağıdakileri içeren tarama yöntemi hakkında kanıtlar yetersizdir. REU-CMA'nın rolü. Yükü yüksek bir ülkede aktif sürveyans hakkında pragmatik tavsiyelerde bulunmaya çalışmış olsak da, bu konuyla ilgili daha fazla araştırma yapmanın önemini de vurgulamak istiyoruz.


Videoyu izle: Enzimlerin yaptığı işler (Haziran 2022).