İçeriğe atla

Kuantum biyolojisi

Vikipedi, özgür ansiklopedi

Kuantum biyolojisi, kuantum mekaniğinin ve teorik kimyanın biyolojik nesnelere ve problemlere uygulamalarının incelenmesidir. Birçok biyolojik süreç, enerjinin kimyasal dönüşümler için kullanılabilen biçimlere dönüştürülmesini içerir ve doğası gereği kuantum mekaniktir. Bu tür süreçler, kimyasal reaksiyonları, ışık emilimini, uyarılmış elektronik durumların oluşumunu, uyarma enerjisinin aktarımını ve fotosentezi, koku almayı ve hücresel solunum gibi kimyasal süreçlerde elektron ve protonların (hidrojen iyonları) aktarımını içerir.[1]

Kuantum biyolojisi, biyolojik etkileşimleri kuantum mekaniksel etkiler ışığında modellemek için hesaplamaları kullanabilir.[2] Kuantum biyolojisi, biyolojik süreci temel fiziğe indirgeyerek açıklanabilen önemli kuantum fenomenlerinin[3] etkisiyle ilgilenir, ancak bu etkilerin incelenmesi zor ve spekülatif olabilir.[4]

Tarih

[değiştir | kaynağı değiştir]

Kuantum biyolojisi gelişmekte olan bir alandır; Mevcut araştırmaların çoğu teoriktir ve daha fazla deney gerektiren sorulara tabidir. Alan yakın zamanda ilgi görmüş olsa da, 20. yüzyıl boyunca fizikçiler tarafından kavramsallaştırıldı. Kuantum biyolojisinin tıp dünyasının geleceğinde kritik bir rol oynayabileceği öne sürüldü.[5] Kuantum fiziğinin ilk öncüleri, biyolojik problemlerde kuantum mekaniğinin uygulamalarını öngördüler. Erwin Schrödinger'in 1944 tarihli kitabı Hayat Nedir? kuantum mekaniğinin biyolojideki uygulamalarını tartıştı.[6] Schrödinger, kovalent kimyasal bağların konfigürasyonunda genetik bilgi içeren bir "periodik kristal" fikrini ortaya attı. Ayrıca mutasyonların "kuantum sıçramaları" ile ortaya çıktığını öne sürdü. Schrödinger haricindeki diğer öncüler olan Niels Bohr, Pascual Jordan ve Max Delbruck, kuantum tamamlayıcılık fikrinin yaşam bilimleri için temel olduğunu savundu.[7] 1963'te Per-Olov Löwdin, DNA mutasyonu için başka bir mekanizma olarak proton tünellemeyi yayınladı. Makalesinde, "kuantum biyolojisi" adı verilen yeni bir çalışma alanı olduğunu belirtti.[8] 1979'da Ukraynalı fizikçi Alexander Davydov, "Biyoloji ve Kuantum Mekaniği" başlıklı kuantum biyolojisi üzerine ilk ders kitabını yayınladı.[9][10]

Uygulamalar

[değiştir | kaynağı değiştir]

Fotosentez

[değiştir | kaynağı değiştir]
FMO kompleksinin şeması. Işık, bir antendeki elektronları uyarır. Uyarma daha sonra FMO kompleksindeki çeşitli proteinler aracılığıyla daha ileri fotosentez için reaksiyon merkezine aktarılır.

Fotosenteze giren organizmalar, antenlerdeki elektron uyarımı süreci yoluyla ışık enerjisini emer. Bu antenler organizmalar arasında farklılık gösterir. Örneğin, bakteriler halka benzeri antenler kullanırken bitkiler fotonları emmek için klorofil pigmentleri kullanır. Fotosentez Frenkel eksitonlarını yaratır. Frankel eksitonları bir yük ayrımına sebep olur. Bu yük ayrımı hücreler tarafından kullanılabilir kimyasal enerjiye dönüştürülür. Tepkime alanlarında toplanan enerji, floresan veya termal titreşim hareketinde kaybolmadan önce hızlı bir şekilde aktarılmalıdır.

Yeşil kükürt bakterilerindeki FMO kompleksi gibi çeşitli yapılar, enerjinin antenlerden reaksiyon bölgesine aktarılmasından sorumludur. Elektron absorpsiyonu ve transferine ilişkin FT elektron spektroskopisi çalışmaları, difüzyon modeli gibi klasik mekanik modellerle açıklanamayan, %99'un üzerinde bir verimlilik göstermektedir.[11] Buna alternatif olarak, 1938 gibi erken bir tarihte, bilim adamları, kuantum tutarlılığının uyarma enerjisi aktarımı için mekanizma olduğunu teorileştirdiler.

Bilim adamları yakın zamanda bu önerilen enerji aktarım mekanizmasının deneysel kanıtlarını aradılar. 2007'de yayınlanan bir çalışma, elektronik kuantum tutarlılığının[12] -196 °C (77 K) sıcaklığında tanımlandığını iddia etti. 2010'daki bir başka teorik çalışma, kuantum tutarlılığının biyolojik olarak ilgili sıcaklıklarda (4 °C veya 277 K) 300 femtosaniye kadar var olduğuna dair kanıt sağladı. Aynı yıl, iki boyutlu foton eko spektroskopisi kullanılarak fotosentetik kriptofit algler üzerinde yapılan deneyler, uzun vadeli kuantum tutarlılığı için daha fazla doğrulama sağladı.[13] Bu çalışmalar, evrim yoluyla doğanın fotosentezin verimliliğini artırmak için kuantum tutarlılığı korumanın bir yolunu geliştirdiğini gösteriyor. Ancak, eleştirel takip çalışmaları bu sonuçların yorumlanmasını sorgulamaktadır. Tek molekül spektroskopisi artık statik düzensizliğin müdahalesi olmadan fotosentezin kuantum özelliklerini gösteriyor. Bazı çalışmalar, bu yöntemi kullanarak kromoforlarda meydana gelen nükleer dinamiklere elektronik kuantum tutarlılığının izlerini tespit etti.[14][15][16][17][18][19][20] Beklenmedik bir şekilde uzun olan tutarlılığı açıklamak için bir takım öneriler ortaya atıldı. Bir öneriye göre, kompleksin içindeki her alanın kendi çevresel gürültüsünü hissetmesi durumunda, hem kuantum tutarlılığı hem de termal ortam nedeniyle elektron herhangi bir lokal minimumda kalmayacak, bunun yerine tepkime alanına kuantum yürüyüşleriyle ilerleyecektir.[21][22][23] Başka bir öneriye göre ise, kuantum tutarlılığı ve elektron tünelinin hızı, elektronu tepkime bölgesine hızlı bir şekilde hareket ettiren bir enerji lavabosu oluşturur.[24] Bir takım diğer çalışmalara göre ise, kompleksteki geometrik simetriler, reaksiyon merkezine verimli enerji transferini teşvik edebilir, kuantum ağlarında mükemmel durum transferini yansıtabilir.[25] Ayrıca, yapay boya molekülleri ile yapılan deneyler, kuantum etkilerinin 100 femtosaniyeden daha uzun sürdüğünü yorumlama konusundaki şüpheleri göstermiştir.[26]

2017'de, orijinal FMO proteini ile ortam koşullarında yapılan ilk kontrol deneyi, elektronik kuantum etkilerinin 60 femtosaniye içinde silindiğini, genel eksiton aktarımının ise birkaç pikosaniye kadar bir zaman aldığını doğruladı.[27] 2020'de, bir derleme makalesi, FMO sisteminde uzun ömürlü elektronik tutarlılıkları olarak önerilen kuantum etkilerinin geçerli olmadığı sonucuna varmıştır.[28] Taşıma dinamiklerini araştıran araştırmalar ise, FMO komplekslerinde elektronik ve titreşimsel uyarma modları arasındaki etkileşimlerin, eksiton enerjisinin transferi için yarı-klasik, yarı-kuantum bir açıklama gerektirdiğini öne sürdü. Başka bir deyişle, kısa vadede kuantum tutarlılık hakim olsa da, eksitonların uzun vadeli davranışını tanımlamak için klasik bir açıklama en doğru olanıdır.[29]

Fotosentezde neredeyse %100 verimliliğe sahip bir başka süreç de yük transferidir, bu da yine kuantum mekaniksel fenomenlerin etkin olduğunu düşündürüyor.[20] 1966'da fotosentetik bakteri Chromatium üzerinde yapılan bir araştırma, 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda sitokrom oksidasyonunun sıcaklıktan bağımsız, yavaş (milisaniye düzeyinde) ve çok düşük aktivasyon enerjisindeolduğunu buldu. Yazarlar, Don DeVault ve Britton Chase, elektron transferinin bu özelliklerinin, klasik olarak gerekli olandan daha az enerjiye sahip olmalarına rağmen elektronların potansiyel bir bariyere nüfuz ettiği kuantum tünellemenin göstergesi olduğunu öne sürdüler.[30]

Seth Lloyd, bu araştırma alanına yaptığı katkılardan dolayı dikkate değerdir.

DNA mutasyonu

[değiştir | kaynağı değiştir]

Deoksiribonükleik asit, DNA, vücutta protein oluşması için talimat verme görevini görür. Guanin, timin, sitozin ve adenin olmak üzere 4 nükleotidden oluşur.[31] Bu nükleotidlerin sırası, farklı proteinler için "tarifi" verir.

Bir hücre ne zaman çoğalırsa, bu DNA dizilerini kopyalaması gerekir. Ancak bazen DNA zincirinin kopyalanması sürecinde bir mutasyon veya DNA kodunda bir hata meydana gelebilir. DNA mutasyonunun arkasındaki mantık için bir teori, Lowdin DNA mutasyon modelinde açıklanmıştır.[32] Bu modelde, bir nükleotid, bir kuantum tünelleme işlemi yoluyla formunu değiştirebilir.[33] Bu nedenle, değişen nükleotid, orijinal baz çiftiyle eşleşme yeteneğini kaybedecek ve sonuç olarak DNA zincirinin yapısını ve sırasını değiştirecektir.

Morötesi ışıklarına ve diğer radyasyon türlerine maruz kalmak DNA mutasyonuna ve hasarına neden olabilir. Radyasyonlar ayrıca DNA zinciri boyunca pirimidinlerdeki bağları değiştirebilir ve primidinlerin birbirleri ile bağlanarak bir dimer oluşturmasına neden olabilir.[34]

Birçok prokaryot ve bitkide, bu bağlar bir DNA onarım enzimi fotoliyaz tarafından orijinal hallerine geri döndürülür. Ön ekinden de anlaşılacağı gibi, fotoliyaz, ipliği onarmak için ışığa bağımlıdır. Fotoliyaz, DNA'yı tamir ederken kofaktörü FADH, flavin adenin dinükleotidi ile çalışır. Fotoliyaz, görünür ışık tarafından uyarılır ve bir elektronu kofaktör FADH-'ye aktarır. Artık fazladan bir elektrona sahip olan FADH, bağı kırmak ve DNA'yı onarmak için elektronu dimere verir. Elektronun bu transferi, elektronun FADH'den dimere tünellenmesi yoluyla yapılır. Tünel oluşturma aralığı bir vakumda mümkün olandan çok daha büyük olmasına rağmen, bu senaryodaki tünellemenin "süper değişim aracılı tünelleme" olduğu söylenir ve proteinin elektronun tünelleme oranlarını artırma yeteneği nedeniyle mümkündür.[32]

Koku almada titreşim teorisi

[değiştir | kaynağı değiştir]

Koku alma duyusu iki kısma ayrılabilir; bir kimyasalın alınması ile saptanması ve bu saptamanın beyne nasıl gönderildiği ile beyin tarafından nasıl işlendiği. Aslında kokuyu tespit etme süreci hala sorgulanmaktadır. "Koku almanın şekil teorisi" olarak adlandırılan bir teori, belirli koku alma reseptörlerinin belirli kimyasallar tarafından tetiklendiğini ve bu reseptörlerin beyne belirli bir mesaj gönderdiğini öne sürüyor.[35] Başka bir teori (kuantum fenomenine dayanan), koku alma reseptörlerinin kendilerine ulaşan moleküllerin titreşimini algıladığını ve "koku"nun farklı titreşim frekanslarından kaynaklandığını öne sürer, bu teoriye "koku almanın titreşim teorisi" denir.

1938'de Malcolm Dyson[36][37] tarafından oluşturulan ancak 1996'da Luca Turin tarafından yeniden canlandırılan koku almanın titreşim teorisi, koku alma mekanizmasını esnek olmayan elektron tünellemesi (bu tünellemede elektron, moleküller arasında enerji kaybeder) nedeniyle moleküler titreşimleri algılayan G-protein reseptörlerine dayandırır.[37] Bu süreçte bir molekül, bir G-protein reseptörünün bağlanma bölgesini dolduracaktır. Kimyasalın reseptöre bağlanmasından sonra kimyasal, elektronun protein yoluyla aktarılmasına izin veren bir köprü görevi görecektir. Elektron, aksi takdirde bir bariyer olacak olanın üzerinden geçerken, yeni bağlanan molekülün reseptöre titreşimi nedeniyle enerji kaybeder. Bu olay, molekülü koklama yeteneği ile sonuçlanır.[3][37]

Titreşim teorisi bazı deneysel kavram kanıtlara sahip olsa da,[38][39] deneylerde çok sayıda tartışmalı sonuç vardır. Bazı deneylerde hayvanlar, farklı frekans ve aynı yapıdaki moleküller arasındaki kokuları ayırt edebilmektedir.[40] Diğer deneyler ise, insanların farklı moleküler frekanslar nedeniyle ayırt edilebir kokuların farkında olmadığını gösterdi.[41]

Görme

[değiştir | kaynağı değiştir]

Görme, fototransdüksiyon adı verilen süreçte ışık sinyallerini aksiyon potansiyeline dönüştüren kuantize enerjiye dayanır. Fototransdüksiyonda, bir foton, ışık reseptöründeki bir kromofor ile etkileşir. Kromofor fotonu emer ve fotoizomerizasyona uğrar. Yapıdaki bu değişiklik, foto alıcının yapısında bir değişikliğe neden olur ve sonuçta ortaya çıkan sinyal iletim yolları, görsel bir sinyale yol açar. Bununla birlikte, fotoizomerizasyon reaksiyonu hızlıca, 200 femtosaniyenin altında,[42] yüksek verimle gerçekleşir. Bu verimliliği elde etmek için temel durumu ve uyarılmış durum potansiyellerini şekillendirmede kuantum etkilerinin rol oynadığı düşünülmektedir.[43]

Kuantum görme etkileri

[değiştir | kaynağı değiştir]

Deneyler, insan gözünün retinasındaki sensörlerin tek bir fotonu algılayacak kadar hassas olduğunu göstermiştir.[44] Tek foton algılama vasfı, yeni teknolojilerin önünü açabilmektedir. Gelişen alanlardan biri ise, kuantum iletişimi ve kriptografidir. Buradaki fikir, gözü analiz etmek için retinanın genelinde sadece az sayıda nokta kullanarak biyometrik bir sistem oluşturmaktır. Bu sistem retinayı okuyan ve bireyi tanımlayan fotonların rastgele yanıp sönmesinden faydalanır.[45] Bu biyometrik sistem, yalnızca spesifik retina haritasına sahip belirli bir kişinin mesajın kodunu çözmesine izin verir.[46]

Enzimatik aktivite (kuantum biyokimyası)

[değiştir | kaynağı değiştir]

Enzimlerin elektron taşıma sisteminde elektronları bir yerden başka bir yere aktarmak için kuantum tünellemeyi kullandıkları varsayılmıştır.[47][48][49] Protein kuaterner mimarilerinin, biyolojik varlıklarda kuantum tünelleme için sınırlayıcı faktörlerden ikisi olan sürekli kuantum dolaşıklığı ve tutarlılığını sağlamaya adapte olmuş olması mümkündür.[50] Bu mimariler, elektron taşıma ve proton tünelleme (genellikle hidrojen iyonları, H+ şeklinde) yoluyla meydana gelen kuantum enerji transferinin daha büyük bir kısmını açıklayabilir.[51][52] Tünelleme, bir atom altı parçacığın potansiyel enerji bariyerlerinden geçme yeteneğini ifade eder.[53] Bu yetenek, kısmen, tamamlayıcılık ilkesine bağlıdır. Tamamlayıcılık ilkesi belirli maddelerin, ölçüm sonucunu değiştirmeden ayrı ayrı ölçülemeyen özellik çiftlerine sahip olduğunu kabul eder. Elektronlar ve protonlar gibi parçacıklar dalga-parçacık ikiliğine sahiptir; dalga özellikleri nedeniyle enerji bariyerlerini fizik yasalarını ihlal etmeden geçebilirler. Birçok enzimatik aktivitede kuantum tünellemenin nasıl kullanıldığını tespit etmek için birçok biyofizikçi hidrojen iyonlarının gözleminden yararlanır. Hidrojen iyonları transfer edildiğinde, bu, bir organelin birincil enerji işleme ağında bir temel olarak görülür; başka bir deyişle, kuantum etkileri en çok bir angstrom (1 Å) düzeyindeki uzaklıklardaki proton dağılım bölgelerinde iş başındadır.[54][55] Fizikte, bu süreci tanımlamada yarı-klasik yaklaşım en yararlı yaklaşımdır. Çünkü bu süreç kuantum elementlerden (örneğin parçacıklar) makroskopik olaylara (örneğin biyokimyasallar) gerçekleşen bir aktarımı içerir. Kuantum tünelleme yoluyla gerçekleşen redoks merkezleri arasındaki elektron transferlerinin fotosentez ve hücresel solunumun enzimatik aktivitesinde de önemli bir rol oynadığı bilinmektedir (ayrıca aşağıdaki Mitokondri bölümüne bakınız).[49][56] Örneğin, 15-30 Å düzeyinde elektron tünellemesi, mitokondrideki kompleks I, III ve IV gibi hücresel solunum enzimlerinde redoks reaksiyonlarına katkıda bulunur.[57][58] Kuantum tünelleme olmadan, organizmalar büyümeyi sürdürmek için enerjiyi yeterince hızlı bir şekilde dönüştüremezler.[32] Kuantum tünelleme aslında parçacık transferi için bir kısayol işlevi görür; kuantum matematiğine göre, bir parçacığın bir bariyerin önünden bariyerin diğer tarafına sıçraması, bariyerin hiç orada olmamasından daha hızlı gerçekleşir. (Bunun teknik özelliği hakkında daha fazla bilgi için Hartman etkisine bkz.)

Mitokondri

[değiştir | kaynağı değiştir]

Mitokondri gibi organellerin hücre içi enerjiyi dönüştürmek için kuantum tünellemeyi kullandığı düşünülmektedir.[59] Geleneksel olarak, mitokondrinin hücre enerjisinin çoğunu kimyasal ATP formunda ürettiği bilinmektedir. Biyokütlenin kimyasal ATP'ye mitokondrisel dönüşümü, klasik insan yapımı motor sisteminden daha üstündür ve %60-70 seviyesinde verimlidir.[60] Kimyasal ATP elde etmek için kimyasal dönüşümden önce bir ön aşamanın gerekli olduğunu bulunmuştur; elektronların ve hidrojen iyonlarının (H+) kuantum tünellemesi yoluyla gerçekleşen bu adım, organel içinde meydana gelen kuantum fiziğine daha derin bir bakış gerektirir.[55]

Tünelleme bir kuantum mekanizması olduğundan, biyolojik bir sistemde partikül transferi için bu sürecin nasıl meydana gelebileceğini anlamak önemlidir. Tünelleme, büyük ölçüde potansiyel bariyerin şekli ve boyutuna bağlıdır.[61] Gelen parçacık bir dalga denklemi ile tanımlanabildiğinden, tünelleme olasılığı potansiyel bariyerin şekline üstel bir şekilde bağlıdır, yani eğer bariyer çok geniş bir yarığa benziyorsa, gelen parçacığın tünelleme olasılığı azalacaktır. Potansiyel bariyer, bir anlamda, gerçek bir biyomateryal bariyer şeklinde var olabilir. Mitokondri, ~75 Å (~7.5 nm) kalınlıkta, hücresel zara benzer bir zar yapısı ile çevrilidir.[60] Sinyallerin (elektronlar, protonlar, H+ formunda) geliş bölgesinden (mitokondrinin içi) ve kabul bölgesinden (elektron taşıma zinciri proteinleri gibi) aktarılmasına olanak sağlamak için mitokondrinin iç zarı aşılmalıdır.[62] Parçacıkları transfer etmek adına mitokondri zarı, söz konusu parçacığı çeken ilgili bir yük dağılımını oluşturmak için doğru fosfolipid yoğunluğuna sahip olmalıdır. Örneğin, daha yüksek bir fosfolipid yoğunluğu için, zar daha büyük bir proton iletkenliği oluşturmaya çabalar.[62]

Daha teknik bir açıklama aşağıdaki paragrafta sunulmuştur. Mitokondri yapısı, tümü çeşitli protein bölgelerini barındıran iç mitokondriyal zar (İMZ) ve iç zar boşlukları (İZB) ile matrisi içerir. Mitokondri, karbonhidratlardan ve yağlardan hidrojen iyonlarının oksidasyonu ile ATP üretir. Bu işlem, elektron taşıma sistemindeki (ETS) elektronları kullanır. Elektron taşınmasının soykütüğü şu şekilde ilerler: NADH'den gelen elektronlar, İMZ'de bulunan NADH dehidrojenazına (kompleks I proteini) aktarılır.[63] Kompleks I'den gelen elektronlar, CoQH2'yi oluşturmak adına koenzim Q'ya aktarılır; daha sonra elektronlar sitokrom içeren bir İMZ proteini olan kompleks III'e aktarılır, bunu takiben elektronlar sitokrom c'ye aktarılır, buradan ise elektronlar kompleks IV'e ilerler; kompleks IV, ETS solunum zincirinin son İMZ protein kompleksidir.[63] Bu son protein, elektronların oksijeni O2 molekülünden tek bir O'ya indirgemesine olanak verir, böylece tek oksijen iyonları hidrojen iyonlarına bağlanarak H2O üretebilirler. Elektronların ETS yoluyla hareketinden üretilen enerji, mitokondri matrisinden İZB'ye proton hareketini (H+ pompalaması olarak bilinir) tetikler.[58] Herhangi bir yük hareketi bir manyetik alan oluşturduğundan, İZB artık matris boyunca bir kapasitans barındırır. Bu kapasitans, potansiyel bariyer olarak bilinen potansiyel enerjiye benzer. Bu potansiyel enerji, protonları (H+) matrise geri iterek ATP oluşturmak için ADP'yi başka bir P ile birleştiren kompleks V (ATP sentaz) vasıtasıyla ATP sentezine rehberlik eder (bu süreç oksidatif fosforilasyon olarak bilinir). Son olarak, dış mitokondriyal zar (DMZ), VDAC adı verilen voltaja bağlı bir anyon kanalına ev sahipliği yapar.[63] Bu kanal, ATP transferi için gereken enerji sinyallerini elektro-kimyasal çıkışlara dönüştürmek için önemlidir.

Proteinlerdeki moleküler solitonlar

[değiştir | kaynağı değiştir]

Alexander Davydov, genel olarak protein alfa sarmallarında enerjinin taşınmasını ve özel olarak kas kasılmasının fizyolojisini açıklamak için moleküler solitonların kuantum teorisini geliştirdi.[64][65] Davydov, moleküler solitonların, hidrojen bağlı peptit gruplarının kafesi içindeki amit I eksitonları ve fonon deformasyonlarının doğrusal olmayan etkileşimi yoluyla şekillerini koruyabildiklerini gösterdi.[66][67] 1979'da Davydov, proteinlerin, hücre zarlarının, biyoenerjetiklerin, kas kasılması ve biyomoleküllerde elektron taşınmasının kuantum dinamiklerini içeren kuantum biyolojisi hakkındaki "Biyoloji ve Kuantum Mekaniği" başlıklı eksiksiz ders kitabını yayınladı.[9][10]

Manyetoresepsiyon

[değiştir | kaynağı değiştir]

Manyetoresepsiyon, hayvanların dünyanın manyetik alanının eğimini kullanarak gezinme yeteneğini ifade eder.[68] Manyetoresepsiyon için olası bir açıklama, dolanık radikal çift mekanizmasıdır.[69][70] Radikal çift mekanizması, spin kimyasında iyi bir şekilde anlaşılmıştır[71][72][73] ve 1978'de Schulten ve arkadaşları tarafından manyetoresepsiyon için de ge��erli olduğu tahmin edilmiştir. Singlet ve triplet çiftleri arasındaki oran, dolanık elektron çiftlerinin dünyanın manyetik alanı ile etkileşimisiyle değiştirilir.[74] 2000 yılında kriptokrom molekülünün, manyetik olarak hassas radikal çiftlerini barındırabilen bir "manyetik molekül" olduğu önerildi. Avrupa kızılgerdanlarının ve diğer hayvan türlerinin gözlerinde bulunan bir flavoprotein olan kriptokrom, hayvanlarda foto-indüklenmiş radikal çiftleri oluşturduğu bilinen tek proteindir.[68] Hafif parçacıklarla etkileşime girdiğinde, kriptokrom hem foto-indirgeme hem de oksidasyon sırasında radikal çiftler veren bir redoks reaksiyonundan geçer. Kriptokromun işlevi türler arasında çeşitlilik gösterir, ancak radikal çiftlerin fotoindüksiyonu, mavi ışığa maruz bırakılarak gerçekleşir.[74] Karanlıkta manyetoresepsiyon da mümkündür, bu nedenle manyetoresepsiyon mekanizmasında, ışıktan bağımsız oksidasyon sırasında üretilen radikal çiftlerinin rolü daha büyük olmalıdır.

Laboratuvardaki deneyler, radikal çift elektronların çok zayıf manyetik alanlardan önemli ölçüde etkilenebileceği temel teorisini desteklemektedir, yani yalnızca zayıf manyetik alanların yönü, radikal çiftinin reaktivitesini etkileyebilir ve bu nedenle kimyasal ürünlerin oluşumunu "katalize edebilir". Bu mekanizmanın manyetoresepsiyon ve/veya kuantum biyolojisi için geçerli olup olmadığı, yani dünyanın manyetik alanının radikal çiftlerin yardımıyla biyokimyasal ürünlerin oluşumunu "katalize edip etmediği" iki nedenden dolayı belirlenememiştir. Birincisi, radikal-çiftlerinin belki de dolanık olmasının gerekmemesidir. Dolanık ve dolanık olmayan radikal çiftleri mevcuttur. Bununla birlikte, araştırmacılar, Avrupalı kızılgerdanlar, hamamböcekleri ve bahçe ötleğenlerinin manyetik alanları[68] ve radikal çift kimyasını engelleyen bir radyo frekansına maruz kaldıklarında artık yön değiştiremedikleri zaman, manyetoresepsiyon radikal çift mekanizmasına dair kanıtlar buldular. Dolanıklığın meseleye dahil olduğunu deneysel olarak önermek için, diğer radikal çiftlerini bozmadan dolaşık radikal çiftlerini bozabilecek bir deneyin (veya bunun tersi bir deneyin) tasarlanması gerekir, in vivo radikal-çiftlerine uygulanmadan önce bir laboratuvar ortamında gösterilmesi gerekir.

Diğer biyolojik uygulamalar

[değiştir | kaynağı değiştir]

Biyolojik sistemlerdeki diğer kuantum fenomeni örnekleri, kimyasal enerjinin harekete dönüşmesini[75] ve birçok hücresel süreçteki brownian motorlarını içerir.[76]

Kaynakça

[değiştir | kaynağı değiştir]
  1. ^ Quantum Biology 11 Mayıs 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. University of Illinois at Urbana-Champaign, Theoretical and Computational Biophysics Group.
  2. ^ Quantum Biology: Powerful Computer Models Reveal Key Biological Mechanism 5 Haziran 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Science Daily Retrieved Oct 14, 2007
  3. ^ a b "Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 473 (2201): 20160822. May 2017. doi:10.1098/rspa.2016.0822. PMC 5454345 $2. PMID 28588400. 
  4. ^ How quantum biology might explain life's biggest questions (İngilizce), 12 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi, erişim tarihi: 7 Aralık 2018 
  5. ^ "Quantum Biology: Does quantum physics hold the key to revolutionizing medicine?". Progress in Drug Discovery & Biomedical Science. 3. 2020. doi:10.36877/pddbs.a0000130. 
  6. ^ What Is Life?. Berkeley: University of California Press. 1995. s. 1. 
  7. ^ "Quantum Explorers: Bohr, Jordan, and Delbruck Venturing into Biology". Physics in Perspective. 17 (3): 236-250. September 2015. doi:10.1007/s00016-015-0167-7. 
  8. ^ Lowdin, P.O. (1965) Quantum genetics and the aperiodic solid. Some aspects on the Biological problems of heredity, mutations, aging and tumours in view of the quantum theory of the DNA molecule. Advances in Quantum Chemistry. Volume 2. pp. 213–360. Academic Press
  9. ^ a b Биология и Квантовая Механика [Biology and Quantum Mechanics] (Rusça). Kiev: Naukova Dumka. 1979. OCLC 6736440. 
  10. ^ a b Biology and Quantum Mechanics. Oxford: Pergamon Press. 1982. ISBN 9780080263922. OCLC 7875407. 
  11. ^ "Two-dimensional electronic spectroscopy reveals ultrafast energy diffusion in chlorosomes". Journal of the American Chemical Society. 134 (28): 11611-11617. July 2012. doi:10.1021/ja3025627. PMID 22690836. 
  12. ^ Engel, Gregory S.; Calhoun, Tessa R.; Read, Elizabeth L.; Ahn, Tae-Kyu; Mancal, Tomás; Cheng, Yuan-Chung; Blankenship, Robert E.; Fleming, Graham R. (12 Nisan 2007). "Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems". Nature. 446 (7137): 782-786. doi:10.1038/nature05678. ISSN 1476-4687. PMID 17429397. 
  13. ^ "Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature". Nature. 463 (7281): 644-647. February 2010. doi:10.1038/nature08811. PMID 20130647. 
  14. ^ "Vibrational beatings conceal evidence of electronic coherence in the FMO light-harvesting complex". The Journal of Physical Chemistry B. 118 (45): 12865-12872. November 2014. doi:10.1021/jp510074q. PMID 25321492. 
  15. ^ "Origin of long-lived coherences in light-harvesting complexes". The Journal of Physical Chemistry B. 116 (25): 7449-7454. June 2012. doi:10.1021/jp304649c. PMC 3789255 $2. PMID 22642682. 
  16. ^ "Vibrational vs. electronic coherences in 2D spectrum of molecular systems". Chem. Phys. Lett. 545 (30): 40-43. 2012. doi:10.1016/j.cplett.2012.07.014. 
  17. ^ "Electronic resonance with anticorrelated pigment vibrations drives photosynthetic energy transfer outside the adiabatic framework". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (4): 1203-1208. January 2013. doi:10.1073/pnas.1211157110. PMC 3557059 $2. PMID 23267114. 
  18. ^ "Exciton Structure and Energy Transfer in the Fenna-Matthews-Olson Complex". The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (9): 1653-1660. May 2016. doi:10.1021/acs.jpclett.6b00534. PMID 27082631. 
  19. ^ "Impact of environmentally induced fluctuations on quantum mechanically mixed electronic and vibrational pigment states in photosynthetic energy transfer and 2D electronic spectra". The Journal of Chemical Physics. 142 (21): 212403. June 2015. doi:10.1063/1.4914302. PMID 26049423. 
  20. ^ a b "The future of quantum biology". Journal of the Royal Society, Interface. 15 (148): 20180640. November 2018. doi:10.1098/rsif.2018.0640. PMC 6283985 $2. PMID 30429265. 
  21. ^ Mohseni M, Rebentrost P, Lloyd S, Aspuru-Guzik A (November 2008). "Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer". The Journal of Chemical Physics. 129 (17): 174106. arXiv:0805.2741 $2. Bibcode:2008JChPh.129q4106M. doi:10.1063/1.3002335. PMID 19045332. 
  22. ^ Plenio MB, Huelga SF (1 Kasım 2008). "Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules – IOPscience". New Journal of Physics. 10 (11): 113019. arXiv:0807.4902 $2. Bibcode:2008NJPh...10k3019P. doi:10.1088/1367-2630/10/11/113019. 
  23. ^ Lloyd S (10 Mart 2014). Optimal Energy Transport in Photosynthesis (Speech). From Atomic to Mesoscale: The Role of Quantum Coherence in Systems of Various Complexities. Institute for Theoretical, Atomic and Molecular and Optical Physics, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts. Erişim tarihi: 30 Eylül 2019. 
  24. ^ Lee H (2009). "Quantum coherence accelerating photosynthetic energy transfer". Ultrafast Phenomena XVI. Chemical Physics. Springer Series in Chemical Physics. 92. ss. 607-609. Bibcode:2009up16.book..607L. doi:10.1007/978-3-540-95946-5_197. ISBN 978-3-540-95945-8. 3 Şubat 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  25. ^ Walschaers M, Diaz JF, Mulet R, Buchleitner A (November 2013). "Optimally designed quantum transport across disordered networks". Physical Review Letters. 111 (18): 180601. arXiv:1207.4072 $2. Bibcode:2013PhRvL.111r0601W. doi:10.1103/PhysRevLett.111.180601. PMID 24237498. 
  26. ^ Halpin A, Johnson PJ, Tempelaar R, Murphy RS, Knoester J, Jansen TL, Miller RJ (March 2014). "Two-dimensional spectroscopy of a molecular dimer unveils the effects of vibronic coupling on exciton coherences". Nature Chemistry. 6 (3): 196-201. Bibcode:2014NatCh...6..196H. doi:10.1038/nchem.1834. PMID 24557133. 
  27. ^ "Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (32): 8493-8498. August 2017. doi:10.1073/pnas.1702261114. PMC 5559008 $2. PMID 28743751. 
  28. ^ "Quantum biology revisited". Science Advances. 6 (14): eaaz4888. April 2020. doi:10.1126/sciadv.aaz4888. PMC 7124948 $2. PMID 32284982. 
  29. ^ "Vibrations, quanta and biology". Contemporary Physics. 54 (4): 181-207. 1 Temmuz 2013. doi:10.1080/00405000.2013.829687. ISSN 0010-7514. 
  30. ^ "Studies of photosynthesis using a pulsed laser. I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling". Biophysical Journal. 6 (6): 825-847. November 1966. doi:10.1016/S0006-3495(66)86698-5. PMC 1368046 $2. PMID 5972381. 
  31. ^ "DNA and Mutations". evolution.berkeley.edu. 22 Aralık 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2018. 
  32. ^ a b c "Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life". Current Organic Chemistry. 17 (16): 1758-1770. August 2013. doi:10.2174/13852728113179990083. PMC 3768233 $2. PMID 24039543. 
  33. ^ "Quantum and classical effects in DNA point mutations: Watson-Crick tautomerism in AT and GC base pairs". Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (7): 4141-4150. February 2021. doi:10.1039/D0CP05781A. PMID 33533770. 
  34. ^ "Ultraviolet radiation: DNA damage, repair, and human disorders". Molecular & Cellular Toxicology (İngilizce). 13 (1): 21-28. March 2017. doi:10.1007/s13273-017-0002-0. ISSN 1738-642X. 
  35. ^ "Olfactory theories and the odors of small molecules". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 19 (5): 999-1004. May 1971. doi:10.1021/jf60177a002. PMID 5134656. 
  36. ^ "The scientific basis of odour". Journal of the Society of Chemical Industry (İngilizce). 57 (28): 647-651. 9 Temmuz 1938. doi:10.1002/jctb.5000572802. ISSN 0368-4075. 
  37. ^ a b c "A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception". Chemical Senses. 21 (6): 773-791. December 1996. doi:10.1093/chemse/21.6.773. PMID 8985605. 
  38. ^ "Odorant shape and vibration likely lead to olfaction satisfaction". 22 Aralık 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Kasım 2018. 
  39. ^ "A Novel Multigene Family May Encode Odorant Receptors: A Molecular Basis for Odor Recognition" (PDF). 5 Nisan 1991. 5 Kasım 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 7 Kasım 2018. 
  40. ^ "The role of metals in mammalian olfaction of low molecular weight organosulfur compounds". Natural Product Reports. 34 (5): 529-557. May 2017. doi:10.1039/c7np00016b. PMC 5542778 $2. PMID 28471462. 
  41. ^ "A psychophysical test of the vibration theory of olfaction". Nature Neuroscience (İngilizce). 7 (4): 337-338. April 2004. doi:10.1038/nn1215. PMID 15034588. 
  42. ^ "The Primary Photochemistry of Vision Occurs at the Molecular Speed Limit" (PDF). The Journal of Physical Chemistry B. 121 (16): 4040-4047. April 2017. doi:10.1021/acs.jpcb.7b02329. PMID 28358485. 27 Mart 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  43. ^ "The first step in vision: femtosecond isomerization of rhodopsin". Science. 254 (5030): 412-415. October 1991. doi:10.1126/science.1925597. PMID 1925597. 
  44. ^ "The Human Eye and Single Photons". math.ucr.edu. 21 Şubat 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2018. 
  45. ^ "Quantum Biometrics with Retinal Photon Counting". Physical Review Applied. 8 (4): 044012. 2017. doi:10.1103/PhysRevApplied.8.044012. 
  46. ^ Emerging Technology from the arXiv. "The unique way your eyes detect photons could be used to guarantee your identity, say physicists". MIT Technology Review (İngilizce). 9 Kasım 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Kasım 2018. 
  47. ^ "On the Theory of Oxidation‐Reduction Reactions Involving Electron Transfer. I". The Journal of Chemical Physics (İngilizce). 24 (5): 966-978. May 1956. doi:10.1063/1.1742723. ISSN 0021-9606. 8 Mart 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  48. ^ "Editorial". Photosynthesis Research. 22 (1): 1. January 1989. doi:10.1007/BF00114760. PMID 24424672. 
  49. ^ a b "Electron tunneling through proteins". Quarterly Reviews of Biophysics. 36 (3): 341-372. August 2003. doi:10.1017/S0033583503003913. PMID 15029828. 
  50. ^ Apte SP, Quantum biology: Harnessing nano-technology’s last frontier with modified excipients and food ingredients 22 Aralık 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., J. Excipients and Food Chemicals, 5(4), 177–183, 2014
  51. ^ "Extremely Large Isotope Effects in the Soybean Lipoxygenase-Linoleic Acid Reaction". Journal of the American Chemical Society (İngilizce). 116 (2): 793-794. January 1994. doi:10.1021/ja00081a060. ISSN 0002-7863. 26 Ekim 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  52. ^ "Tunneling and dynamics in enzymatic hydride transfer". Chemical Reviews. 106 (8): 3095-3118. August 2006. doi:10.1002/chin.200643274. PMID 16895320. 
  53. ^ Introduction to quantum mechanics. 2nd. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2005. ISBN 0-13-111892-7. OCLC 53926857. 
  54. ^ "Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling". Science. 312 (5771): 237-241. April 2006. doi:10.1126/science.1126002. PMID 16614214. 
  55. ^ a b Physical biology : from atoms to medicine. Ahmed H. Zewail. London, UK: Imperial College Press. 2008. ISBN 978-1-84816-201-3. OCLC 294759396. 
  56. ^ "Tunneling and dynamics in enzymatic hydride transfer". Chemical Reviews. 106 (8): 3095-3118. August 2006. doi:10.1021/cr050301x. PMID 16895320. 
  57. ^ "Quantum biology". Nature Physics. 9 (1): 10-18. 1 Ocak 2013. doi:10.1038/nphys2474. ISSN 1745-2473. 
  58. ^ a b "Adrenal Mitochondria and Steroidogenesis: From Individual Proteins to Functional Protein Assemblies". Frontiers in Endocrinology. 7: 106. 29 Temmuz 2016. doi:10.3389/fendo.2016.00106. PMC 4965458 $2. PMID 27524977. 
  59. ^ "The quantum mitochondrion and optimal health". Biochemical Society Transactions. 44 (4): 1101-1110. August 2016. doi:10.1042/BST20160096. PMC 5264502 $2. PMID 27528758. 
  60. ^ a b Energy Flow in Biology. New York and London: Academic Press. 1968. ss. 55-56; 103-105; 116. 
  61. ^ "Quantum physics meets biology". HFSP Journal. 3 (6): 386-400. December 2009. doi:10.2976/1.3244985. PMC 2839811 $2. PMID 20234806. 
  62. ^ a b "A quantum origin of life?". Quantum aspects of life. Imperial College Press. January 2008. ss. 3-18. doi:10.1142/9781848162556_0001. ISBN 978-1-84816-253-2. 
  63. ^ a b c "Mitochondrial form and function". Nature. 505 (7483): 335-343. January 2014. doi:10.1038/nature12985. PMC 4075653 $2. PMID 24429632. 
  64. ^ Davydov (1973). "The theory of contraction of proteins under their excitation". Journal of Theoretical Biology. 38 (3): 559-569. doi:10.1016/0022-5193(73)90256-7. PMID 4266326. 
  65. ^ Davydov (1977). "Solitons and energy transfer along protein molecules". Journal of Theoretical Biology. 66 (2): 379-387. doi:10.1016/0022-5193(77)90178-3. PMID 886872. 
  66. ^ Davydov (1982). "Solitons in quasi-one-dimensional molecular structures". Soviet Physics Uspekhi. 25 (12): 898-918. doi:10.1070/pu1982v025n12abeh005012. 
  67. ^ Scott (1985). "Davydov solitons in polypeptides". Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences. 315 (1533): 423-436. doi:10.1098/rsta.1985.0049. 27 Mart 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  68. ^ a b c "The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception". Annual Review of Biophysics. 45 (1): 299-344. July 2016. doi:10.1146/annurev-biophys-032116-094545. PMID 27216936. 5 Şubat 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mart 2022. 
  69. ^ "A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion : Zeitschrift für Physikalische Chemie". Zeitschrift für Physikalische Chemie. 111: 1-5. 1978. doi:10.1524/zpch.1978.111.1.001. 
  70. ^ "The radical-pair mechanism as a paradigm for the emerging science of quantum biology". Mod. Phys. Lett. B. 29: 1530013. 2015. doi:10.1142/S0217984915300136. 
  71. ^ "Magnetic field effects in chemical systems". Pure and Applied Chemistry. 81 (1): 19-43. 1 Ocak 2009. doi:10.1351/PAC-CON-08-10-18. ISSN 1365-3075. 
  72. ^ "Magnetic field effects in chemical kinetics and related phenomena". Chemical Reviews. 89 (1): 51-147. 1 Ocak 1989. doi:10.1021/cr00091a003. ISSN 0009-2665. 
  73. ^ "Radical Pairs in Solution". Progress in Reaction Kinetics and Mechanism. 27 (3): 165-207. 1 Eylül 2002. doi:10.3184/007967402103165388. 
  74. ^ a b "Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark". Journal of the Royal Society, Interface. 13 (118): 20151010. May 2016. doi:10.1098/rsif.2015.1010. PMC 4892254 $2. PMID 27146685. 
  75. ^ Molecular Reaction Dynamics. Cambridge University Press. 2005. ss. 16-18. ISBN 978-0-521-84276-1. 
  76. ^ Nanotechnology: Assessment and Perspectives. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. 2006. ss. 197-240. ISBN 978-3-540-32819-3. 

Dış bağlantılar

[değiştir | kaynağı değiştir]
"https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Kuantum_biyolojisi&oldid=33732078" sayfasından alınmıştır