Нобелевские премии 2013

      Комментарии к записи Нобелевские премии 2013 отключены

Нобелевские премии 2013

    Зеркально-симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена — первый объект компьютерного моделирования, доказавший действительность создания гибридных способов, сочетающих в себе преимущества хороших и квантовых в описании сложных химических совокупностей. Мартин Карплус, доктор наук Гарвардского и Страсбургского университетов «Меня довольно часто просят растолковать сущность работы, обрисовывающей динамику и структуру молекул, несложными словами.
    Если вы желаете выяснить, как трудится какой-нибудь механизм, вы его разбираете и изучаете составные части и их сотрудничество. Мы делаем то же самое с молекулами». Везикулы (пузырьки) помогают главной транспортной совокупностью в отечественных клетках, снабжая доставку сигнальных молекул (гормонов, нейромедиаторов, ферментов, цитокинов идругих) между частями одной и той же клетки, поделёнными мембранами, либо в межклеточное пространство для связи с другими клетками.
    Джеймс Ротман, доктор наук Йельского университета «Один из самых основных уроков, каковые возможно вынести из биохимии, клеточной биологии имолекулярной медицины, состоит втом, что, в то время, когда белки трудятся на субклеточном уровне, они делают это в точности как механические автомобили». Сразу после рождения Вселенной хиггсовское поле было симметричным, но через 10−11 секунды случилось нарушение симметрии, иполе Хиггса поменяло уровень собственной энергии на более низкий.
    Франсуа Энглерт, доктор наук Свободного университета Брюсселя «Бозон Хиггса — это частица, которую возможно было найти экспериментально. Но лишь по окончании того, как Стандартная модель взяла блестящие подтверждения. Атеперь и последняя ее подробность поднялась на собственный место».

За разработку способов многоуровневого моделирования сложных химических совокупностей Лауреаты: Мартин Карплус (Страсбургский университет), Арье Варшель (Университет Южной Калифорнии), Майкл Левитт (Стэнфордский университет).

Вопрос строения окружающей материи с покон веков тревожил людей. Современные атомистические воззрения восходят к древнегреческому философу Демокриту, полагавшему, что мир складывается из нескончаемого числа безостановочно движущихся атомов. При столкновении атомы сцепляются, и как раз так, согласно точки зрения философа, появляется осязаемая материя.

Но атомистика была забыта на два тысячелетия, и по сей день уже тяжело сообщить, какими воображал себе атомы сам Демокрит. В новое время мысль атомистики воскресла: к началу ХХ века в арсенале ученых уже была периодическая совокупность элементов Менделеева, был открыт электрон, и неспешно стало ясно, что химическая связь и межатомные взаимодействия имеют электронную природу. После этого последовало создание квантовой физики, Шрёдингер сформулировал собственный известное уравнение, но потребовались еще десятки появление и лёт быстродействующих компьютеров, дабы для изучения стала дешева структура самой сложной материи — биологической.

Обоюдный подход

Работа, за которую в текущем году присуждена Нобелевская премия по химии, посвящена способам моделирования сложных химических реакций и систем посредством как хорошей, так и квантово-механической теории. Классическая физика воображает атомы шариками, асвязи между ними- пружинками (не так ли воображал себе материю еще Демокрит?).

Силы, действующие на атомы, определяются законом Гука, ускорения атомов под действием этих сил определяются вторым законом Ньютона, и все описание в целом есть механическим, исходя из этого подход так и именуется — молекулярно-механический. Но у него имеется значительный недочёт: никак нельзя описать химическое превращение.

В действительности это соответствует разрыву одних химических связей иобразованию вторых, а в молекулярно-механической модели означало бы удаление и установку пружинок. Но тут на помощь приходит квантовая физика: так как как раз состояние электронов разрешает сказать оналичии либо отсутствии химической связи между атомами. Так, достаточно выполнить ресурсо-емкие квантово-физические (вернее, квантовохимические) расчеты только для маленькой группы атомов в реакционном центре, а для окружающих атомов, каковые практически не воздействуют на состояние электронов в реакционном центре, сделать молекулярно-механический расчет.

Таковой обоюдный подход на данный момент воспринимается уже как что-то само собой разумеющееся, но именно он и есть основной заслугой лауреатов. Стоило громадного труда создать такие методы расчета, каковые разрешали бы для центральной части совокупности применять квантово-химическое описание, а другую часть обрисовывать с хорошей точки зрения и физически осмыс-ленно связать эти части между собой. Помимо этого, как-то нужно было обрисовать всей системы и окружение в целом.

Первый шаг на встречу к созданию мультимасштабного моделирования был сделан, в то время, когда Арье Варшель посетил Мартина Карплуса в Гарварде в начале 1970-хгодов. Варшель имел опыт описания меж- и внутримолекулярных сил, Карплус же был экспертом по квантово-химическим расчетам. Совместно они создали программу, которая имела возможность превосходно вычислять спектры последовательности плоских молекул, таких как зеркально симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена.

Эта работа стала первой, в которой была продемонстрирована возможность создания гибридных способов, сочетающих в себе преимущества хороших и квантовых вописании сложных химических совокупностей.

В этом случае ограничились плоскими молекулами, в которых мысли симметрии разрешают естественным образом совершить разделение электронов на те, каковые необходимо разглядывать квантово-химически, ите, для которых достаточно хорошего рассмотрения. Позднее было продемонстрировано, что способ возможно применен не только к плоским молекулам, но существует неспециализированная схема разделения электронов. Помимо этого, были созданы схемы обмена энергией между хорошей иквантово-химической системами, и между ними обеими идиэлектрическим окружением.

Приблизительно одновременно с этим Левитт смог выполнить первые молекулярно-динамические расчеты для молекул ДНК ибелков, а после этого добился удач ввопросах фолдинга предсказания и белков их структуры. Неприятность фолдинга белка, другими словами задача определения пространственной (третичной) структуры белка, исходя из его аминокислотной последовательности, на данный момент деятельно изучается. Современные методы предсказания структуры разрешают решать эту задачу только для довольно маленьких белков (менее 200 аминокислотных остатков), но этого совсем не хватает для удовлетворения потребностей структурной биологии.

Работы Карплуса, Варшеля и Левитта стали отправной точкой как для предстоящего теоретического анализа исоздания более правильных моделей, так и для прикладных изучений. Предложенные способы были применены к изучению не только сложных процессов в биохимии и органической химии, но и неоднородного катализа итеоретического расчета спектров молекул, растворенных вжидкостях. Но серьёзнее всего то, что эти работы начали плодотворное сотрудничество между экспериментаторами и теоретиками, — это разрешило сделать решаемыми многие неразрешимые прежде задачи.

За открытие совокупности везикулярного транспорта, баз-ной ифраструктуры в отечественных клетках.

Лауреаты: Джеймс Ротман (Йельский университет), Рэнди Шекман (Калифорнийский университет в Беркли) иТомас Зюдхоф (Стэнфордский университет).

Изучения американских ученых разрешили установить, что микроскопические пузырьки — везикулы — снабжают передачу сигнальных молекул: гормонов, нейромедиаторов, ферментов, цитокинов («клеткодвигателей») и других, запускающих соответствующие химические реакции. Это возможно передача между частями одной и той же клетки, поделённой мембранами, либо в межклеточное пространство — для связи с другими клетками.

Необходимость передачи сигнальных молекул позвана специализацией различных частей клетки: к примеру, белки, каковые синтезируются на рибосомах, довольно часто употребляются в другом отделе клетки либо в других (иногда очень отдаленных) клетках организма. Для доставки по назначению содержимого везикулы к ней прикрепляется сигнальный белок, на что реагируют лишь протеиновые комплексы — рецепторы — адресата.

Клеточные почтальоны

Оболочка везикул складывается из тех же фосфолипидов, каковые образуют в- либо межклеточные мембраны. При взаимодействии с рецепторами, соответствующими ее содержимому, мембрана везикул распадается, высвобождая сигнальные молекулы. Затем сигнальное вещество либо растворяется, либо, при необходимости, из мембраны получателя образуется вторая везикула, которая, наткнувшись на следующий подходящий рецептор, опять растворяется, и и в том и другом случае химическая инструкция доставляется адресату.

Шекман еще в 1970-х годах занялся изучением генетической базы данной совокупности. Отключая работу отдельных генов дрожжей, он совместно со своим сотрудником Питером Новиком распознал те, без которых в клетках начиналось что-то наподобие дорожной пробки, блокирующей доставку грузов адресатам, и выделил 23 гена, белки которых возможно поделить на три группы в зависимости от того, откуда и куда должны были направляться везикулы. Ротман в 1980—1990-х годах изучил транспортную совокупность вклетках млекопитающих.

Он узнал, что протеиновые рецепторы трудятся как двусторонние застежки-молнии, каковые возможно открыть и снаружи, и изнутри клеточной мембраны, и отыскал у млекопитающих те же гены, каковые Шекман обрисовал у дрожжей, что говорит одревнем эволюционном происхождении данного механизма. Зюдхоф изучал везикулярный механизм передачи сигналов в синаптических щелях- процесс, нужный для передачи электрических импульсов между нейронами центральной нервной совокупности и периферической, управляющей тканями тела и всеми органами.

В упаковке из везикул через синапс (место контакта нейронов) передаются нейромедиаторы — вещества, стимулирующие распространение электрических импульсов по назначению, — к примеру, к мышечным волокнам, каковые так приобретают команду сократиться. Для передачи нервных импульсов нужен ток ионов Ca через мембрану. Зюдхоф обрисовал чувствительные к току кальция белки и изучил подробности их скоординированной работы.

Изучения лауреатов 2013 года по медицине относятся не только кфундаментальной науке, но иполучили использование в практической медицине- для понимания обстоятельств болезней, вызванных нарушениями регуляции в- и межклеточного транспорта, идля разработки совокупностей целевой доставки лекарственных препаратов к ненормально функционирующим клеткам.

за теоретическое открытие механизма, что содействует отечественному пониманию происхождения массы субатомных частиц и что сравнительно не так давно был обоснован методом открытия предсказанной элементарной частицы в опытах ATLAS иCMS на Громадном адронном коллайдере.

Лауреаты: Питер Хиггс (Эдинбургский университет) и Франсуа Энглерт (Вольный университет Брюсселя).

История бозона Хиггса, что последние пара лет практически не сходит со журналов и страниц газет, началась в 1950-х годах. Как раз тогда теоретики врамках квантовой электродинамики стали разрабатывать разные подходы, каковые в будущем стали причиной появлению Стандартной модели элементарных частиц.

Пробуя выстроить теорию не сильный сотрудничества, а позднее объединить его с электромагнитным, физики тогда столкнулись с проблемой. Предсказанные частицы — три векторных бозона-переносчика не сильный сотрудничества — получались безмассовыми, не смотря на то, что, в соответствии с квантовой механике, посредниками в переносе короткодействующих сил смогут быть только достаточно массивные виртуальные частицы.

К тому же безмассовые бозоны достаточно легко зарегистрировать в опытах, но однако замечать их не получалось. Исходя из этого теоретики того времени вычисляли подобные выводы чисто «бумажным», гипотетическим случаем.

Спасательный круг

В первой половине 60-ых годов двадцатого века физики из брюссельского Свободного университета Франсуа Энглерт и Роджер Броут, Питер Хиггс и сотрудники английского Имперского колледжа Джерри Гуральник, Роберт Томас и Хаген Киббл нашли метод решить эту проблему и придать бозонам не сильный сотрудничества ненулевую массу. Данный метод на данный момент именуют механизмом Хиггса.

Нужно заявить, что работу Хиггса и его сотрудников оценили далеко не сходу, а только через пара лет, в то время, когда Стивен Вайнберг и Абдус Салам выстроили теорию, объединявшую электромагнитное и не сильный сотрудничества (за что во второй половине 70-ых годов двадцатого века, по окончании экспериментального подтверждения, удостоились Нобелевской премии). В данной теории механизм Хиггса наделяет массой два заряженных и один нейтральный векторный бозон. А через пара лет, в первой половине 70-ых годов XX века, вЦЕРНе были экспериментально зарегистрированы так именуемые не сильный нейтральные токи, говорящие о существовании незаряженного промежуточного бозона.

Механизм Хиггса основан на скалярных полях, квантами которых являются хиггсовские бозоны. Считается, что поля эти появились спустя весьма маленькое время по окончании Громадного взрыва и сейчас пронизывают всю Вселенную. Такие поля владеют мельчайшей энергией при ненулевой величине — это и имеется их устойчивое состояние.

Часто пишут, что элементарные частицы обретают массу в следствии торможения хиггсовским полем, но это чересчур механистическая аналогия. В теории электрослабого сотрудничества фигурируют четыре хиггсовских поля (каждое со собственными квантами) ичетыре векторных бозона- два нейтральных и два заряженных, каковые сами по себе не имеют массы. Три бозона, оба заряженных и один нейтральный, поглощают по одному хиггсу и в следствии обретают способность и массу переносить короткодействующие силы (их обозначают знаками W+, W- и Z0).

Последний бозон ничего не поглощает и остается безмассовым — это фотон. «Съеденные» хиггсы ненаблюдаемы (физики их именуют «духами»), тогда как их четвертый собрат обязан наблюдаться при энергиях, достаточных для его рождения.

Но теория теорией, но физикам необходимо было экспериментальное свидетельство существования бозона Хиггса. Его стали целенаправленно искать сконца XX века — сперва на Громадном электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) вЦЕРНе, позже на американском «Тэватроне», а позднее висследования вступила самая громадная имощная научная установка из когда-либо выстроенных- Большой адронный коллайдер (БАК). И наконец, летом 2013 года, по окончании нескольких обработки и лёт накопления данных ученые с достаточной долей уверенности смогли экспериментально опознать следы бозона Хиггса.

Статья «Нобелевские премии 2013» размещена в издании «Популярная механика» (№135, январь 2014).

Нобелевская премия 2013 в медицине


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: