Nie ma fundamentalnego prawa, które zapobiega prostym reakcjom chemicznym: rzeczy są złożone z powodu kombinatorycznej złożoności związków chemicznych

Złożoność wielu reakcji chemicznych jest produktem ubocznym faktu że istnieje bardzo, bardzo duża różnorodność możliwych chemikaliów. Wiele z tej złożoności dzieje się z powodu prawie nieskończonego sposobu, w jaki nawet niektóre proste elementy można łączyć ze sobą, aby uzyskać skomplikowane struktury (węgiel jest archetypowym przykładem). Na przykład teoretycznie (teoretycznie, ponieważ nie wszystkie przykłady mogą istnieć w przestrzeni 3D) istnieje 366,319 sposobów na zbudowanie różnych związków alkanowych z zaledwie 20 atomów węgla i wodoru (patrz to pytanie tutaj i ten wpis w Encyklopedii sekwencji całkowitych). Ta liczba drastycznie zaniża prawdziwą złożoność, ponieważ ignoruje lustrzane odbicia i bardziej skomplikowane sposoby łączenia atomów węgla ze sobą (na przykład w pierścieniach). Złożoność staje się po prostu bardziej zadziwiająca, jeśli zaczniesz dodawać inne elementy do mieszanki.

Żadne prawo fizyczne nie uniemożliwia nam stworzenia możliwego związku w jednym kroku. Ale sama złożoność produktów końcowych sprawia, że ​​proste sposoby dotarcia do wielu z nich są niezwykle nieprawdopodobne na podstawie samych praw prawdopodobieństwa, nie wspominając o konkretnych sposobach łatwego łączenia składników chemicznych w bardziej złożone rzeczy.

Oto prosta analogia. Załóżmy, że chcesz złożyć model Lego broni Star Wars Death Star. Jest 4016 klocków lego, które należy złożyć we właściwej kombinacji i we właściwej kolejności. Nie ma prawa fizycznego , które mówi, że nie można tego zrobić w jednym kroku. Ale żadna rozsądna intuicja nie zakładałaby, że było to łatwe lub prawdopodobne. To nie prawo fizyczne uniemożliwia montaż jednoetapowy: to złożoność kombinatoryczna . Chemia jest, czy naprawdę muszę to powiedzieć, bardziej skomplikowana niż Lego: nie tylko dlatego, że atomy można łączyć na wiele bardziej złożonych sposobów niż proste, fizyczne szpilki o standardowej wielkości, które łączą ze sobą klocki Lego .

Zarówno natura, jak i chemicy syntetyczni zbadali wiele sposobów uzyskania konkretnych produktów końcowych z prostszych elementów budulcowych. Czasami nowe chemiczne odpowiedniki Gwiazdy Śmierci (takie jak geometrycznie piękny dodekaedran węglowodorowy, który, nawiasem mówiąc, ma 20 atomów węgla, ale nie znajduje się na liście 20 alkanów węglowych) powstają dopiero po długich sekwencjach reakcji. pierwotna synteza dodekaedranu obejmowała 29 kroków, ale inni znaleźli lepsze, bardziej wydajne drogi, które wymagały tylko 20. Wiele ważnych leków jest najpierw syntetyzowanych w długich sekwencjach reakcji, ale później okazuje się, że są dostępne w znacznie krótszych drogi (nie ma nic lepszego niż ekonomia kosztów produkcji, która zachęcałaby do kreatywności).

Zatem powodem wielu reakcji chemicznych nie są prawa fizyczne , ale teoria prawdopodobieństwa. Istnieje po prostu zbyt wiele możliwych chemikaliów i zbyt wiele sposobów łączenia różnych rzeczy, aby jednoetapowa droga do większości danych produktów miała szansę zadziałać. Robienie jednej rzeczy na raz (tak jak w przypadku budowania Lego Death Star) jest sposobem na zdobycie tego, czego chcesz.

Nie wierzę, że istnieje fundamentalne prawo, które zabrania skomplikowanych reakcji zachodzących w jednym kroku - jest to po prostu niezwykle nieprawdopodobne.

Teoria zderzeń

Gazy

Jest to szczególnie istotne w przypadku gazów, ale później odniosę się do glikolizy. Teoria kinetyczno-molekularna upraszcza gazy do bezwymiarowych punktów poruszających się w ciągłym, losowym, prostoliniowym ruchu i zderzających się ze sobą w 100% elastycznie. Chociaż nic z tego nie jest do końca prawdą, jest to dobry model.

Aby gazy zareagowały chemicznie, cząsteczki muszą zderzać się z odpowiednią orientacją i wystarczającą energią. Spójrzmy na następującą reakcję.

$$ \ ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl} $$

Chociaż teoretycznie możliwe jest zderzenie tych cząstek, byłoby to najprawdopodobniej raczej pomylisz system, niż faktycznie stworzysz pożądane produkty. Pozwól, że zaproponuję mechanizm.

$$ \ ce {Cl2 -> 2Cl} $$

$$ \ ce {CH4 + Cl -> CH3 + + HCl} $$

$$ \ ce {CH3 + + Cl2 -> CH3Cl + Cl} $$

$$ \ ce {2Cl -> Cl2} $$

Używając dwóch półprodukty (niestabilne substancje powstające podczas reakcji, które szybko reagują) i cztery etapy, rozłożyłem złożoną reakcję na serię jednocząsteczkowych i dwucząsteczkowych zderzeń (faworyzowanych przez prawdopodobieństwo). Co więcej, cząsteczki na tych etapach znacznie łatwiej zderzają się z właściwą orientacją. Spójrzmy na drugi krok. Metan ma tetraedryczną geometrię pary elektronów i kiedy jednoatomowy chlor zderza się z wystarczającą energią 180 stopni naprzeciw wodoru, chmury elektronów mogą się nakładać, tworząc jednocześnie wiązanie $ \ ce {C-Cl} $ i zrywając $ \ ce { CH} $ bond.

Grafika Google

Glikoliza

Zbytnio upraszczając, ale glikoliza zamienia cząsteczkę glukozy w dwie cząsteczki G3P i dwie ATP. Jeśli metan jest skomplikowany z pięcioma atomami, to glukoza ma o wiele więcej dwudziestu czterech atomów. Nie tylko byłoby prawie niemożliwe, aby jedna reakcja rozdzieliła ten solidny pierścień cukru, ale również przerobienie produktów na ich formy, które są porównywalne z cyklem Krebsa, itp. Wymagałoby szalonego szczęścia. Zamiast tego, dokładnie kontrolowany proces sprawia, że ​​podstawowa reakcja jest niezawodna.

Ponadto enzymy są „wynalezione” przez przypadkowe mutacje, więc enzym, który przeprowadzi ten proces, może być wykonalny, ale ewolucja prawdopodobnie by tego nie wymyśliła. A nawet gdyby tak było, prawdopodobnie nie zapewniłoby to tak dużej przewagi w zakresie przeżycia i zniknąłoby z puli genów.

Mam nadzieję, że to pomoże!

Uwaga autorów: Chociaż istnieje już kilka dobrych odpowiedzi, chciałbym pomóc ci je zrozumieć, wyjaśniając w inny sposób. Zgadzam się z innymi postami, że nie ma prawa fizycznego ani chemicznego uniemożliwiającego inny, prostszy proces.

Przyczyna procesu glikolizy

Powód, dla którego ten proces jest taka, jaka jest, jest skutecznością w dążeniu do celu. Celem nie jest rozbicie glukozy na mniejsze cząsteczki. Celem jest zmagazynowanie energii w nośniku, który może przemieszczać się w organizmie i jest kompatybilny z innymi procesami biologicznymi.

Kluczowe są tutaj trzy pogrubione słowa. Ciało potrzebuje energii do wykonywania różnych zadań, takich jak skurcze mięśni (oddychanie, bicie serca), wzrost komórek, zwalczanie bakterii i wiele innych. Nie zawsze jest wygodne generowanie energii potrzebnej w miejscu, w którym jest potrzebna. Zamiast tego mamy nośniki energii (przede wszystkim ATP), które są wytwarzane w niektórych częściach naszego ciała, a następnie rozprowadzane przez krew.

Energia w ciele

Zanim przejdę dalej, musisz trochę zrozumieć o swobodnej energii Gibbsa. Jak wspomniałeś, określa najbardziej energooszczędny sposób procesu od stanu początkowego do stanu końcowego. Jeśli jednak dostarczasz energię, proces może przebiegać w odwrotnym kierunku. Zatem spojrzenie na darmową energię Gibbsa pokazuje tylko proces, który z największym prawdopodobieństwem zachodzi spontanicznie w normalnych warunkach, ale nie we wszystkich okolicznościach.

Drugą informacją pośrednią jest to, że energia w ciele jest transportowana za pomocą adenozynowy tri fosforan (ATP) i adenozynowy di fosforan (ADP). Dodanie grupy fosforanowej do ADP (która następnie staje się ATP) kosztuje energię, którą można później wyekstrahować w procesie odwrotnym.

Po trzecie, dostępność energii w organizmie jest ograniczona. Mamy dwa główne źródła energii: ATP i ciepło ciała. Cząsteczka ATP zawsze będzie dostarczać określoną ilość energii, podczas gdy ciepło ciała może zapewnić od 0 aż do określonej granicy, w zależności od temperatury ciała (to maksimum jest niższe niż energia ATP). Każdy proces, który potrzebuje więcej energii niż może dostarczyć ATP, będzie musiał zostać podzielony na oddzielne mniejsze etapy.

Wracając do glikolizy

Mając na uwadze te podstawowe informacje, możemy wyjaśnić przyczynę za (złożonym) procesem glukolizy lepiej. Z punktu widzenia energii swobodnej Gibbsa nie musimy przechodzić od wysokoenergetycznej glukozy do niskoenergetycznego pirogronianu tak szybko, jak to możliwe . Zamiast tego musimy to zrobić w sposób, który obejmuje większość kroków, które zapewniają dokładną ilość energii potrzebnej do przekształcenia ADP w ATP.

Jak widać na obrazku podpis na stronie glukolizy, z którą łączysz się, potrzebujemy 1 glukozy + 2 ATP, aby wygenerować 4 ATP. Dlaczego potrzebne jest początkowe ATP? Ma to na celu uzyskanie określonego łańcucha rozpadu, który umożliwia 2 * 2 etapy ekstrakcji energii w całym procesie. Potrzebujemy początkowej inwestycji w energię, aby umożliwić wykonanie kroków pośrednich, mówiąc chemicznie. Bez tej inwestycji nie będziesz w stanie uformować cząsteczek pośredniczących potrzebnych do dostarczenia wystarczającej ilości energii, aby przechowywać ją w $ \ ce {ADP \ bond {->} ATP} $.

Porównanie z energią jądrową fuzja / rozszczepienie

Zwykle nie lubię porównywać do niepowiązanych tematów, ale myślę, że ten temat pasuje na tyle dobrze, aby o nim wspomnieć i mam nadzieję, że zrozumiesz go lepiej ze swoim doświadczeniem fizyka. W przypadku rozszczepienia i syntezy jądrowej określasz możliwe rozpady i fuzje jądrowe, patrząc na dostępne poziomy energii i energii atomu. A jeśli zadamy tutaj twoje pierwotne pytanie, otrzymamy takie same odpowiedzi, jak w chemii.

• Czy jest coś, co zapobiega fuzji 6 atomów wodoru w atom węgla?
• Czy jest coś, co powstrzymuje U-235 przed rozszczepieniem się na 20 różnych atomów w jednym kroku?

Do pierwszego: nie, ale jest bardzo mało prawdopodobne, że 6 atomów spotka się dokładnie w tym samym czas iz odpowiednią ilością energii. A nawet gdyby tak było, węgiel nie jest stabilnym atomem bez neutronów, więc skąd one pochodzą? Potrzeba wielu kroków, aby przejść od wodoru do węgla…

Co do sekundy: nie, nic nie stoi na przeszkodzie. Ale rozszczepianie atomów przebiega zgodnie z zestawem ścisłych zasad dotyczących stabilności i energii atomów oraz ich produktów promieniowania. Punkt początkowy i końcowy mogą być jasne, ale prawie zawsze istnieje wiele etapów pośrednich (przykład: łańcuch rozpadu toru. Podobnie, chemia ma wiele reguł w przypadku reakcji i przegrupowań atomów / elektronów w cząsteczce, ograniczając sposób, w jaki cząsteczki mogą się rozpadać lub łączyć.

Część, w której to porównanie jest błędne, polega na tym, że biologia nie zawsze skłania się ku najbardziej energooszczędnym rozwiązaniom. natura obiera złożoną, nieefektywną drogę do innego celu, jak w przypadku glikolizy.

Reakcje chemiczne, o których uczysz się na lekcjach chemii, są projektowane przez ludzi. Chociaż czasami może to być dość skomplikowane, istnieje silna tendencja do projektowania reakcji, które mogą być zracjonalizowane przez ludzki mózg. Sieci reakcji odkryte przez ewolucję nie są ograniczone przez to, co ludzie mogą zrozumieć i dlatego mogą wydawać się bardziej złożone.

W rzeczywistości ewolucja w niektórych przypadkach może faworyzować złożone reakcje, ponieważ mogą być bardziej wydajne. Przyjrzyj się cyklowi Krebsa (znanemu również jako cykl kwasu cytrynowego), który przekształca większość energii zużywanej przez organizm z cukrów w bardziej użyteczną formę (jak ATP, gdzie energia jest przechowywana w wiązaniach fosforanowych). Bank danych RCSB Protein ma dobry opis ( opis cyklu Krebsa ze strukturami enzymatycznymi) etapów, których to dotyczy. Cykl jest bardziej energooszczędny niż inne prostsze opcje konwersji energii z utleniania octanu do ATP ( praca Krebsa na temat efektywności cyklu).

Kolejną rzeczą, nad którą warto się zastanowić, jest to, jak powstały te procesy. Ewolucja jest prekursorem w zasadzie wszystkich procesów biochemicznych. Ewolucja nie [koniecznie] dba o wydajność, dba o skuteczność (tj. Istota pozostaje przy życiu). Jasne, mogę przeciąć czyjeś podwórko, żeby przedostać się przez okolicę, ale chodzenie po chodniku powstrzymuje sąsiadów przed wypuszczeniem na mnie psów.

Jest jeszcze energia. Wszystko w chemii sprowadza się do bycia faworyzowanym energetycznie. Wydaje się, że rozumiesz to dzięki energii swobodnej Gibbsa. Chociaż niekoniecznie tak jest w przypadku glikolizy, ale niektóre chemikalia zachowają swoje wiązania takie same, ponieważ są tak stabilne, chyba że zostanie do tego rzucona duża ilość energii. Tu właśnie pojawiają się białka. Białka zginają lub skręcają cząsteczki, tak że energia aktywacji jest znacznie mniejsza i sprzyja niektórym reakcjom. (Czworościenny węgiel nie będzie chciał mieć kątów wiązań znacznie mniejszych niż 109,5 stopnia, więc prawdopodobnie zajdzie zmiana wiązania i powrót do stabilności energetycznej).