Квантовый туннельный эффект — это явление, при котором частица преодолевает потенциальный барьер, высота которого превышает её полную энергию, за счёт волновой природы материи. Согласно уравнению Шрёдингера, вероятность нахождения частицы в запрещённой классической области экспоненциально убывает, но не становится нулевой. Это приводит к появлению ненулевой вероятности прохождения частицы через барьер, что невозможно с точки зрения классической физики.
В биофизике туннелирование рассматривается не как абстрактное явление, а как реально функционирующий механизм, принимающий участие в ряде критически важных процессов: переносе электронов, протонов и даже более массивных ионов, включая в ряде случаев атомы водорода или дейтерия.
Одним из наиболее изученных аспектов туннельного эффекта в биологии является туннельный перенос электронов в белковых и мембранных структурах. Этот процесс лежит в основе дыхательных цепей и фотосинтетических реакций, где электроны перемещаются между активными центрами ферментов или хромофорами на расстояниях, выходящих за пределы классических ожиданий (~10–30 Å).
Ключевые примеры:
Здесь применяются модели типа Marcus theory, в которых скорость переноса электронов описывается через экспоненциальную зависимость от расстояния между донорами и акцепторами и туннельной вероятности.
Протоны, обладая относительно малой массой, также способны к квантовому туннелированию. Протонный туннельный эффект играет решающую роль в ферментативных реакциях, особенно в кислотно-основных катализах, где перенос протона между донорами и акцепторами осуществляется через водородные связи.
Характерный пример — ферментативная активность лактатдегидрогеназы, где протон передаётся от субстрата на кофактор NAD⁺ через туннельный механизм, несмотря на геометрическую невозможность его «прыжка» по классической траектории.
Дополнительное подтверждение туннелирования даёт изотопный эффект замещения водорода на дейтерий: при замене H на D наблюдается значительное снижение скорости реакции, превышающее классические предсказания, что свидетельствует о квантовом характере переноса.
В молекуле ДНК водородные связи между парами оснований A–T и G–C участвуют в поддержании стабильности двойной спирали. Предполагается, что водородные атомы в этих связях способны к туннелированию между двумя конфигурациями: канонической и таутоимерной. Такое переключение может привести к временному образованию неправильной пары оснований, что, в свою очередь, вызывает ошибки репликации и мутации.
Механизм:
Эти эффекты особенно значимы при низких температурах и в условиях ограниченной гибкости молекулярной среды, где туннелирование становится доминирующим каналом перехода между состояниями.
Процесс фотосинтеза включает в себя разделение зарядов и перенос электрона на большие расстояния через белковую матрицу. Начальный фотон возбуждает пигмент (например, хлорофилл), создавая электронно-дырочную пару. Электрон затем переходит на следующий акцептор через серию шагов, некоторые из которых реализуются посредством туннелирования.
Особенности:
Моделирование этих процессов опирается на мультидисциплинарные методы: квантовую химию, теорию переноса заряда, неравновесную термодинамику.
В процессе синтеза ДНК и РНК ферменты-полимеразы обеспечивают специфическое спаривание оснований и катализ фосфодиэфирной связи. Новейшие данные показывают, что в активных центрах этих ферментов может происходить туннелирование протонов в переходных состояниях, особенно при отделении пирофосфата или активации 3’-OH группы.
Эти данные базируются на:
Такой механизм позволяет существенно ускорить реакцию без затрат энергии на преодоление полного барьера.
Одна из альтернативных гипотез обоняния (в отличие от традиционной «замковой» теории формы) предполагает, что распознавание запахов осуществляется с участием туннелирования электронов, индуцируемого колебательным спектром молекулы-одоранта. Согласно этой теории, каждая молекула возбуждает в рецепторе перенос электрона, если её колебательные частоты соответствуют определённым значениям, определяющим качество запаха.
Механизм аналогичен вибрационно-индуцированному туннелированию, при котором электрон туннелирует между донорами и акцепторами, если колебательная мода молекулы способствует выравниванию энергетических уровней.
Хотя эта гипотеза остаётся спорной, её проверка проводится с использованием изотопных замен и анализа спектров инфракрасных колебаний.
Важным признаком квантового туннелирования является слабая температурная зависимость скорости реакции. В отличие от классических процессов, описываемых уравнением Аррениуса, туннельные процессы демонстрируют слабо выраженную или нелинейную зависимость от температуры, особенно в диапазоне низких температур, где тепловая активация минимальна.
В ферментативной кинетике это проявляется как:
Это поведение наблюдается в реакциях катализа редокс-флавопротеинами, дегидрогеназами, протонными насосами.
Для описания туннельных процессов в биологических системах применяются:
Особое внимание уделяется когерентным эффектам, декогеренции в водной среде и структурной подвижности макромолекул, способной модулировать туннельные барьеры.
Квантовые эффекты, включая туннелирование, могли играть роль в эволюционной оптимизации ферментов и биомолекулярных структур. Те ферменты, в которых туннелирование ускоряет критические реакции, оказывались под естественным отбором. Это подтверждается наличием «туннельных каналов» в структурах некоторых белков, сохраняемых от бактерий до человека.
Таким образом, туннелирование не является экзотическим побочным эффектом, а представляет собой фундаментальный механизм, встроенный в архитектуру и динамику биологических систем.