Januar 2014, 5/76. letnik cena V redni prodaji 5,00 eur
Ponavljanje uhajanja zraka v prsni koš je
Yüklə 0,52 Mb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- K splošni preventivi sodita le pravilno in pravočasno prepoznavanje in ozaveščenost
- Trištevni minerali n = 3
|
Ponavljanje uhajanja zraka v prsni koš je v večini primerov mogoče preprečiti le operativno V primeru ponavljajočih se pojavov spon- tanega pnevmotoraksa se je uveljavilo ope- rativno zdravljenje s torakoskopijo ali to- rakotomijo. Torakoskopija, imenovana tudi VATS (video-assisted thoracoscopic surge- ry), je operativni postopek, pri katerem se v plevralno votlino običajno skozi tri vstopna mesta vstavi kamero ter kirurška orodja. Bolj invazivna operativna metoda pa je to- rakotomija, kjer se prsni koš povsem odpre. Pri obeh metodah je poglavitna odstranitev poškodovanega oziroma patološko spreme- njenega pljučnega tkiva, ki znova in znova povzroča vdiranje zraka v plevralni prostor. Povsem preventivno se skupaj s torakosko- pijo ali torakotomijo izvaja še kemična ali mehanska plevrodeza, najpogosteje v pri- merih, ko se operira zgornji del pljučnega krila (apeks), ki je pri primarnem sponta- nem pnevmotoraksu najpogostejše mesto nastanka subplevralnih mehurčkov. Tako se del pljuč, ki mu je bilo poškodovano tkivo odstranjeno, zaraste z umetno razdraženo ter nekoliko poškodovano in krvavečo popr- snico oziroma plevro. To nam omogoča, da se pljučno krilo niti v zelo redkem slučaju pooperativne ponovitve spontanega pnev- motoraksa ne more sesesti, saj je pritrjeno na notranjo steno oziroma »svod« prsnega koša. Metodo plevrodeze je mogoče izvesti tudi brez operacije, pri čemer v plevralni prostor po drenu vbrizgnemo bolnikovo la- stno kri ali različne kemične snovi (običajno smukec), ki povzročijo vnetno reakcijo na popljučnici in poprsnici ter njuno zlepljenje. K splošni preventivi sodita le pravilno in pravočasno prepoznavanje in ozaveščenost Medtem ko o umetnem pnevmotoraksu pravzaprav ne slišimo več in je le še stvar preteklosti, bo pojav spontanega pnevmo- toraks vsaj v bližnji prihodnosti še vedno prisoten v naši družbi. Čeprav je epidemi- ološko gledano primarni spontani pnevmo-
proteus januar 2014.indd 210 3/16/14 8:02 PM
211 Nepredvidljivi spontani pnevmotoraks • Medicina
toraks dokaj redek, se ne da prav dobro na- povedati, pri kom je njegova verjetnost večja in pri kom manjša, saj subtilnih pljučnih sprememb, kot so subplevralni mehurčki, ni možno zlahka prepoznati. Te spremembe so vidne le z računalniškim tomografskim slikanjem pljuč, ki pa se ne izvaja v preven- tivne namene. Zato se večkrat pojavi po- polnoma nepričakovano, pri čemer se lahko zaradi podobnih znakov hitro zamenja za kakšno drugo akutno stanje v prsnem ko- šu. Statistično si lahko do neke mere poma- gamo z dejstvom, da se večinoma pojavlja pri mlajših moških astenične postave. Ne- varnost nastanka sekundarnega spontanega pnevmotoraksa je lažje napovedati, saj je odvisna od obsega patoloških sprememb v pljučih. V določenih primerih, kjer gre za dedne bolezni, si lahko pomagamo tudi z genetskimi analizami. Četudi vemo, da verjetnost nastanka spon- tanega pnevmotoraksa obstaja, nikakor ne moremo enostavno določiti, v kakšni situa- ciji, pri kakšnem gibu, v kakšnem položaju ali v katerih okoliščinah je nevarnost njego- ve sprožitve največja, saj je spremenljivk, ki vplivajo na sprožitev (iniciacijo) tega pojava, preprosto preveč. Razvije se namreč lahko kjerkoli in kadarkoli, kar je zelo nepraktič- no. Poleg tega pa, v nasprotju s pričakova- nji, do pnevmotoraksa pride najpogosteje v mirovanju in ne pri fizični aktivnosti. Za- radi vsega naštetega je za zdaj še težko go- voriti o kakršnih koli preventivnih ukrepih, ki bi zmanjšali pojavnost te vrste pnevmoto- raksa v populaciji. Ostane nam le ozavešča- nje ljudi o tem akutnem pojavu, kar je tudi pomembno. Kljub temu, da spontani pnev- motoraks sam po sebi ne pomeni posebne grožnje, sta zaradi stalno navzoče možnosti razvoja smrtno nevarnega tenzijskega pnev- motoraksa ključnega pomena hitra in zane- sljiva prepoznava ter takojšna napotitev na urgentni oddelek. Zahvala Za spodbudo, pomoč in podporo pri nasta- janju članka se iskreno zahvaljujem men- torici prof. dr. Zvonki Zupanič Slavec, dr. med., in recenzentu, specializantu torakalne kirurgije Mihi Zavrlu. Viri/literatura: AhËan, U., in sod., 2007: Prva pomoË, priroËnik s praktiËnimi primeri. Ljubljana: RdeËi križ Slovenije. Childerhose, Ross K., 1936: Pneumothorax Treatment of Tuberculosis, A Clinical and Roentgenological Evaluation. Radiology, 27 (6): 741-748. Dosegljivo na: http://radiology.rsna. org/content/27/6/741.extract#. Pridobljeno: 10.9.2013. Jelatancev, A., Grmec, ©., 2005: Spontani pnevmotoraks kot vzrok boleËine v prsnem košu pri mlajših osebah. Urgentna medicina, Izbrana poglavja, 223-225. Prosen, G., Grmec, ©., 2010: Spontani pnevmotoraks pri adolescentu, Urgentna UZ diagnostika. XX. sreËanje pediatrov in VII. sreËanje medicinskih sester v pediatriji, 55-57. Randall, B. Graham, in sod., 2005: Nonsense Mutations in Folliculin Presenting as Isolated Familial Spontaneous Slika 7: VeËji subplevralni mehurËek, viden pri torakoskopiji (postopku VATS). Vir: http://cirugiadetorax. org/2012/02/08/blebs-bullae-and- spontaneous-pneumothorax/. proteus januar 2014.indd 211 3/16/14 8:02 PM
212 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Medicina
Kristalografija
Pneumothorax in Adults. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 172: 39-44. Skavlem, John H., 1950: The Present-Day Usage of Pneumothorax in Treatment of Pulmonary Tuberculosis, California Medicine, 73 (6): 569-572. Dosegljivo na: http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1520736/. Pridobljeno: 10.9.2013. Sok, M., Mikulecky, M., Eržen, J., 2001: Onset of spontaneous pneumothorax and the synodic lunar cycle. Medical Hypotheses, 57 (5): 638-641. http://ghr.nlm.nih.gov/condition/primary-spontaneous- pneumothorax. http://www.lung.ca/tb/tbhistory/treatment/pneumo.html. Omar Alhady, rojen 9. decembra leta 1993 v Ljubljani, je študent drugega letnika medicine na Medicinski fakulteti v Ljubljana. Že zgodaj ga je navdušilo raziskovalno delo in naravoslovne vede, še posebej fizika in kemija, katerih prepletenost in soodvisnost ga zelo zanimata. V prostem Ëasu rad igra klavir, se ukvarja s športom (veË kot deset let je treniral gimnastiko). PriËujoËi Ëlanek, ki je bolj kliniËne narave, se je odloËil napisati zaradi osebnih izkušenj na tem podroËju, ki je med ljudmi dokaj slabo poznano. V prvih dveh nadaljevanjih smo opisali si- metrijske lastnosti eno- in dvoštevnih mi- neralov, ki predstavljajo slabi tretjini vseh znanih mineralov, hkrati pa le eno četrtino od vseh simetrij s števnostmi med 1 in 6. V tem nadaljevanju bomo pregledali trištevne minerale, katerih kristali so zaradi višjih si- metrij pogosto bogatejši s kristalnimi liki in imajo posledično več kristalnih ploskev. Trištevni minerali n = 3 Pogled vzdolž glavne trištevne osi razkrije dva značilna tipa presekov, od katerih je prvi trikotni, drugi pa šesterokotni. Zadnji nas utegne zmesti, saj vendar ne govorimo o šestštevnih mineralih. Pri mineralih s še- sterokotnim presekom moramo zato najprej preveriti še nekatere druge podrobnosti, kot so terminalne ploskve, njihova progavost in Razvrščanje kristalov po njihovih oblikah (tretji del)
proteus januar 2014.indd 212 3/16/14 8:02 PM
213 Razvrščanje kristalov po njihovih oblikah • Kristalografija vicinalne ploskve ter figure jedkanja. V pri- meru trištevnih mineralov bomo vedno opa- zili trištevni vzorec (risba 12). Pri trištev- nih mineralih velja še pravilo, da ne morejo imeti ravnine simetrije, ki je pravokotna na glavno trištevno os. Zaradi tega je najvišje možno število enakih ploskev kristalograf- skega lika 12, ki ustreza skalenoedru. V tej skupini je nekaj zelo razširjenih mine- ralov, kot so karbonati na čelu s kalcitom, dolomitom in sideritom ter korund in he- matit.
Slika 11: Kristal kalcita je prirašËen na kremenovem kristalu, oba pa obrašËajo še drobni kristali pirita. Oblika kristala je enostavna, ker je omejen samo s ploskvami negativnega položnega romboedra {012}, zato je kristal splošËen. Vidna je glavna trištevna os. Rahla progavost na ploskvah je nastala zaradi menjavanja ploskev likov negativnega in pozitivnega romboedra. Premer kristala je 26 milimetrov. Rudnik TrepËa, Stari trg pri Kosovski Mitrovici na Kosovu. Foto: Mirjan Žorž. Risba 12: Najbolj znaËilni liki kristalov kalcita, ki ima sicer najvišjo trištevno simetrijo, so skalenoeder k, romboeder r in prizma d. Ob prevladi skalenoedra se razvijejo skalenoedrski kristali (A), ki so lahko na terminacijah nekoliko modificirani z majhnimi ploskvami pozitivnega romboedra r+. »e so najbolj razvite ploskve romboedra r+, ki so po robovih nekoliko odrezane z majhnimi ploskvami negativnega romboedra r-, je kristal romboedrske oblike (B). Pogosti so kristali prizmatske oblike, ki jih omejujejo ploskve prizme d, ker pa ploskve prizme ne zaprejo kristala, se jim mora pridružiti še kakšen lik. Zelo pogosto je to negativni romboeder r- (C). Pri nas najbolj razširjena oblika kalcitovih kristalov so splošËeni romboedri, ki so omejeni le s ploskvami negativnega romboedra r- (D). V spodnji vrsti so prikazani ustrezni trištevni preseki, ki imajo vsi šestštevni obris, vendar vsak vsebuje le trištevni vzorec ploskev. Vsi kristali imajo tri ravnine simetrije, ki so vzporedne z glavno troštevno osjo, nimajo pa ravnine simetrije, ki je pravokotna nanjo. Risba: Mirjan Žorž. proteus januar 2014.indd 213 3/16/14 8:02 PM
214 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Kristalografija
Slika 12: Ta kristal kalcita omejuje šest ploskev prizme, zato ima na videz šestštevno simetrijo. Terminalna ploskev je rahlo izboËena zaradi sekundarne rasti, pri kateri so se razvile nove ploskve, ki so prekrile ploskve primarnega kristala. V sredini se še vidi trikraki obris primarnega kristala, okoli njega pa se je razvil svetleje obarvani vzorec, ki ima obliko trikrake zvezde. Te podrobnosti razkrijejo, da je prava simetrija trištevna holomorfija. Kristal meri 66 milimetrov v premeru. Ping Wu na Kitajskem. Foto: Mirjan Žorž. Slika 13: »adovec je barvni razliËek kremena, ki najraje raste v razpokah alpskega tipa. Tudi pri nas jih je nekaj. Tale primerek je z vrha Piz Ganaresch v kantonu Grischun v ©vici. Kristali kremena tega tipa imajo razvite ploskve trapezoedrov, ki nam omogoËajo doloËitev njihove orientacije. Trapezoeder je svetla trikotna ploskev na levem kristalu, ki je na njegovi desni strani, zato ima kristal desno orientacijo. Kristal ne desni pa ima razvito ploskev levega trapezoedra in temu ustrezno orientacijo. Na sredinskem kristalu najdemo drobno ploskev desnega trapezoedra tik pod svetlo ploskvijo romboedra. Tudi na ležeËem kristalu je razvita drobna ploskev levega trapezoedra. Vsi kristali so nekoliko motni na terminalnih ploskvah, ker so rahlo prekriti s sivkastimi kristali klorita. Velikost kopuËe je 60 x 46 milimetrov. Foto: Mirjan Žorž. proteus januar 2014.indd 214 3/16/14 8:02 PM
215 Razvrščanje kristalov po njihovih oblikah • Kristalografija Risba 14: Dravit, ki je prikazan na risbi, je turmalinov razliËek. Kristal ima neizrazito hemimorfno simetrijo. Zgornja terminacija se od spodnje razlikuje le po dodatnih ploskvah piramide s 3 . Morfologijo kristala najbolj opredeljujejo ploskve prizem d 1 in d 2 , ki jih zapirajo ploskve zgornje piramide s 1 in spodnje piramide . Risba B prikazuje zgornjo, risba C pa spodnjo terminacijo kristala. Risba: Mirjan Žorž. Risba 13: Kristali kremena nimajo nobene ravnine simetrije, imajo pa tri dvoštevne osi, ki so pravokotne na glavno trištevno os. VeËinoma so prizmatske oblike, ker imajo najbolj razvite ploskve prizme d. Terminacije zapirajo bolj razvite ploskve pozitivnega r+ in manj razvite ploskve negativnega romboedra r-. Najbolj znaËilne so ploskve trapezoedra, ki imajo desno orientacijo x' (A) ali levo orientacijo 'x (B). Kakorkoli obraËamo kristal s to simetrijo, vedno bodo ploskve trapezoedra usmerjene v isto stran. Glede na orientacijo trapezoedrov x' ali 'x so kristali kremena desni (A) ali levi (B). Risba: Mirjan Žorž. d A r + r - x’ ’x r + r - x’ ’x B Slika 14: NajznaËilnejši predstavnik trištevne hemimorfije je turmalin oziroma dravit, ki je na posnetku. Kristal je prizmatske oblike z romboedrskima terminacijama, ki se med seboj zelo malo razlikujeta. Kristal meri 21 x 12 milimetrov. Strojna pri Slovenj Gradcu. Foto: Mirjan Žorž. d 1 s 1 -s 2 d 2 s 3 s 3 A B C proteus januar 2014.indd 215 3/16/14 8:02 PM
216 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Kristalografija
Nobelove nagrade za leto 2013
Zanimivo simetrijo, za katero je najbolj zna- čilna sučnost, ima kremen. Njegovi kristali namreč nimajo nobene ravnine simetrije, imajo pa tri dvoštevne osi, ki so pravokotne na glavno trištevno os in se sekajo pod ko- tom 60 stopinj. Posledica take kombinacije osi je pojav kristalnih likov z desno ali le- vo orientacijo. Zato pravimo, da so kristali enantiomorfni, kar izhaja iz grškega enantio in pomeni nasproten. Polovica kremenovih kristalov ima tako levo orientacijo, druga polovica pa desno. Najvišje možno število enakih ploskev je 6, ki opredeljujejo lik tra- pezoedra. Enako simetrijo ima še cinabarit. Tudi v tej skupini obstajajo hemimorfni minerali in med njimi je turmalin. Hemi- morfizem je pri turmalinu nekoliko manj izrazit, ker se terminaciji pogosto le malo razlikujeta. Najvišje možno število enakih ploskev je 6, kar ustreza liku ditrigonalne piramide. (Nadaljevanje prihodnjič.) V tem prispevku bi rad opisal svoj pogled na Nobelovo nagrado za kemijo. Dobitni- ki Nobelove nagrade za kemijo v letu 2013 so Martin Karplus, Michael Levitt in Ari- eh Warshel. Nagrada je bila podeljena za razvoj večnivojskih modelov za simulacije kompleksnih molekulskih sistemov. Nobelova nagrade za kemijo 2013: Razvoj večnivojskih modelov za simulacije kompleksnih molekulskih sistemov Janez Mavri Slika 1: Nobelovi nagrajenci za kemijo 2013: Martin Karplus, Michael Levitt in Arieh Warshel. Vir: www.nobelprize.org/nobelprizes/chemistry. proteus januar 2014.indd 216 3/16/14 8:02 PM
217 Nobelova nagrade za kemijo 2013 • Nobelove nagrade za leto 2013 Skoraj prepričan sem, da se večini bralcev naslov zdi tako zapleten, da bi najraje takoj prenehali z branjem. Poskusimo kljub vsemu razumeti, kaj bi naslov pomenil in za kaj bi bile (bio)molekularne simulacije uporabne. Za motivacijo naj najprej poudarim, da je razumevanje bioloških procesov na ravni atomov oziroma molekul ključnega pomena za medicino in vede o življenju nasploh in da njihovo razumevanje pomeni ključ do ra- zvoja novih zdravil in zdravljenja. S praktičnega gledišča so kompleksni bio- molekulski sistemi povezani z velikim števi- lom atomov, ki lahko tudi vstopajo v kemij- ske reakcije. Razumevanje takšnih procesov na molekularni ravni je danes ključni izziv ved o življenju. Še vedno nimamo jasnih od- govorov na vprašanja, kot so: kako se zvijajo proteini, kaj nadzoruje selektivnost ionskega kanala in kako encimi katalizirajo reakcije. Nezadostno razumevanje teh procesov na molekularni ravni biomedicini onemogoča bistveni napredek pri izzivih, kot so zdra- vljenje Creutzfeldt-Jakobove bolezni, okužb, ki jih povzročajo sevi bakterij, obstojnih na antibiotike, degeneracije živcev in depresije. Biomolekularni sistemi so veliki, komple- ksni, polarni in poleg tega se še izdatno gibljejo. Molekularne zvrsti v biomoleku- larnih sistemih vključujejo proteine, nukle- inske kisline, amfifilne molekule bioloških membran, vodo, ione in številne manjše mo- lekule. Za razumevanja njihovega delovanja moramo razumeti medatomske interakcijske energije. Te lahko dokaj uspešno opišemo z molekulsko mehaniko, kar poenostavlje- no pomeni, da so atomi kroglice, poveza- ne s harmonskimi vzmetmi, na katerih so električni naboji. Samo ena konfiguracija tipično ne zadošča za opis lastnosti hidra- tiranega proteina in napraviti moramo ter- mično povprečenje, tako da premikamo ato- me z numeričnim reševanjem enačb gibanja. Postopek se imenuje simulacija molekulske dinamike. Termično povprečenje lahko na- pravimo tudi s stohastično metodo Monte Carlo. Za izračune interakcijskih (prostih) energij in določitev strukture tak opis obi- čajno zadošča in je uporaben za študij ve- zave zaviralcev (inhibitorjev). Velika večina zdravilnih učinkovin so namreč ligandi, ki se vežejo na biološko makromolekulo in Slika 2: QM/MM−opis monoamino oksidaze A z oznaËenimi regijami in serotoninom kot substratom. Encim razgrajuje serotonin in v manjši meri ostale biogene amine. Rumeno oznaËeni atomi opisujejo kvantne atome, modro oznaËen je gibljiv ostanek encima, v obmoËju sive sfere pa so atomi, fiksirani na zaËetne eksperimentalne položaje. Molekule vode so odstranjene zaradi preglednosti (Miha Purg, osebna komunikacija). proteus januar 2014.indd 217 3/16/14 8:02 PM
218 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Nobelove nagrade za leto 2013
spremenijo njeno funkcijo. Molekulsko me- haniko lahko bistvemo izboljšamo z vklju- čevanjem eksperimentalnih strukturnih po- datkov v simulacijo. Simulacija lahko tudi dopolni manjkajoče eksperimentalne podat- ke. Brez uporabe molekularnih simulacij ni moderne strukturne biologije, saj je število eksperimentalnih NMR– ali rentgenskih podatkov preskromno za določitev strukture biološke makromolekule s spodobno resolu- cijo. Proteini so ključne biološke makromolekule, sestavljene iz niza aninokislinskih ostankov. Še posebej zanimivi proteini so encimi, saj katalizirajo kemijske reakcije, tako da pote- kajo mnogo hitreje in nadzorovano glede na reakcije v vodni raztopini. Napoved meha- nizma in hitrosti kemijske reakcije v encim- skem aktivnem mestu s prvih principov je še poseben izziv, saj cepitve vezi zahtevajo kvantno obravnavo, v kateri moramo giba- nje elektronov opisati z zahtevnimi izraču- ni, povezano z reševanjem Schroedingerjeve enačbe. Trenutno hidratiranega proteina z na primer sto tisoč atomi na kvantni rav- nini ne zmorejo simulirati niti najzmoglji- vejši računalniki na svetu in kljub nenehne- mu napredku bo položaj zelo verjetno ostal enak tudi v naslednjih desetletjih. Izhod predstavlja hkratna uporaba kvantnega opi- sa reaktivnega dela encima z opisom ostan- ka sistema na ravni molekulske mehanike. Metodo imenujemo QM/MM in je primer večnivojskega modela, ki omogoča obravna- vo encimskih reakcij. Pri simulacijah lahko del molekularnega sis- tema še dodatno poenostavimo, na primer da je cel aminokislinski ostanek opisan kot ena točka. Ta je lahko celo omejena na dis- kretne položaje na kubični mreži, lahko pa tudi žrtvujemo atomsko ločljivost za opise delov sistema, ki nas manj zanimajo. Bio- molekularne simulacije zahtevajo izjemno računalniško moč in njihov razvoj je bil ve- dno tesno povezan z razvojem računalniške strojne opreme. V sedemdesetih letih, ko so nagrajenci naredili prve biomolekular- ne simulacije, je bila računska moč veliko manjša, kot je procesorska moč današnjega pametnega telefona. Kolega Deni Bačić je pred kratkim v našem laboratoriju uspešno izvedel simulacijo molekulske dinamike na iPhonu zadnje generacije. Biomolekularne simulacije so danes sestavni del eksperimen- ta in eksperimentalna strukturna biologija bi bila brez njih izjemno otežena. Letošnji nagrajenci so ključno prispevali k razvoju simulacijskih metod in njihovi upo- rabi v biomedicinsko pomembnih sistemih. Dr. Martin Karplus je profesor kemije na Harvardski univerzi v Združenih državah Amerike in Univerzi v Strasbourgu v Fran- ciji. Njegova raziskovalna zanimanja so bila v začetku usmerjena v natančne simulacije majhnih sistemov. Raziskovalci s področja biomolekularne NMR–spektroskopije da- nes rutinsko uporabljajo Karplusovo enačbo, ki pri sistemih z interno rotacijo povezuje dihedralni kot s sklopitveno konstanto. Ka- sneje je dr. Karplus začel svojo smer razvo- ja metodologije za biomolekularne simu- lacije in z razvojem programskega paketa CHARMM.
Dr. Michael Levitt je profesor na Me- dicinski fakulteti na Univerzi Stanford v Združenih državah Amerike. Skupaj z dr. Warshlom sta naredila prvo molekularno si- mulacijo zvijanja proteina. Po uvedbi prvega pristopa QM/MM, ki sta ga naredila skupaj z dr. Warshlom, je delo dr. Levitta usmerje- no v napovedi strukture proteinov in nukle- inskih kislin v smislu razumevanja njihove funkcije in načrtovanja zdravil, ki spremeni- jo funkcijo makromolekul po vezavi. Dr. Arieh Warshel je profesor biofizike in teoretske kemije na Univerzi v Južni Kali- forniji v Združenih državah Amerike. Dr. Warshel je opravil pionirsko delo na podro- čju biomolekularnih simulacij. Skupaj z dr. Levittom sta leta 1976 razvila prvo hibridno metodo QM/MM. Reaktivni podsistem sta opisala z metodo empirične valenčne vezi, ki omogoča dolge simulacije in konvergirane rezultate. Metodologijo v skoraj nespreme- proteus januar 2014.indd 218 3/16/14 8:02 PM
219 Nobelova nagrade za kemijo 2013 • Nobelove nagrade za leto 2013 njeni obliki uporabljajo še danes. Študije dr. Warshla na področju katalitske aktivnosti encimov kažejo, da je encimska aktivnost v celoti pogojena s predorganizirano elek- trostatiko. To pomeni, da je v encimskem aktivnem mestu porazdelitev elekričnega naboja razporejena tako, da bolje stabilizi- ra prehodno stanje kot reaktante, ovira za reakcijo se zmanjša in reakcija teče hitreje. Laboratorij za računalniške bioznanosti in bioinformatiko, ki ga vodim, sodeluje z Ariehom Warshlom vrsto let. V letu 2004 sem se učil encimologije pri dr. Warshlu kot Fulbrightov štipendist, za kar sem še danes hvaležen ameriškim davkoplačevalcem. De- lala sva na reakcijah kaskade arahidonske kisline. V zadnjih letih se je sodelovanje še poglobilo in obsega objave ter redna sreča- nja med člani naše in Warshlove raziskoval- ne skupine. V decembru leta 2013 sem se z njim in dr. Levittom pogovarjal na sprejemu na Univerzi v Uppsali. Dr. Warshel je leta 2007 obiskal Kemijski inštitut, kjer je imel vabljeno predavanje. V našem laboratoriju uporabljamo Warshlovo metodologijo empi- rične valenčne vezi, ki velja za najbolj per- spektivno na področju računske encimologi- je, poleg tega pa tudi njegov programski pa- ket MOLARIS za preučevanje delovanja in inhibicije flavoencimov monoamin oksidaz, ki imajo pomembno vlogo v farmakologiji osrednjega živčnega sistema in so povezane s procesom degeneracije osrednjega živčnega sistema. Pri raziskovanju monoaminergičnih sistemov tesno sodelujemo z dr. Robertom Vianellom z Inštituta Rudjer Bošković na Hrvaškem in dr. Lynn Kamerlin z Univerze v Uppsali na Švedskem. Smer ni izbrana na- Slika 3: Osnovna ideja encimske katalize. V encimu so elektriËni dipoli predorganizirani tako, da stabilizirajo prehodno stanje reakcije ter tako znižajo aktivacijsko energijo reakcije glede na reakcijo v vodni raztopini. Preko nižje ovire reakcija poteka hitreje glede na ustrezno reakcijo v vodni raztopini. Ker je elektrostatika daljnosežna intereakcija, ne moremo realizirati encima samo z nekaj aminokislinskimi ostanki. Pravilna izbira protonacijskih stanj ionizabilnih aminokislinskih ostankov je kljuËna za katalizo (Miha Purg, osebna komunikacija). proteus januar 2014.indd 219 3/16/14 8:02 PM
220 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Nobelove nagrade za leto 2013
ključno: degeneracija živcev je namreč eden od prednostnih nalog evropskega projekta o človeških možganih (Human Brain Project). Biomolekularne simulacije predstavljajo in- terdisciplinarno področje, ki se razteza od molekularne fizike do predklinične medici- ne. Univerza v Ljubljani nezadostno pokriva področja biomolekularnih simulacij tako v raziskovalnem kot v pedagoškem smislu. Ta ustanova je bila v veliki meri za to področje zaprta in si ni prizadevala, da bi povabila k sodelovanju uveljavljene tuje in domače strokovnjake in temeljito prevetrila in pre- novila učne programe. Nihče od obstoječih pedagoških kadrov se s tem področjem ne ukvarja v tolikšni meri, da bi to tematiko kritično poučeval. Učni načrti, ki se doti- kajo tega področja, so zastareli in kličejo po prenovi. V tem prispevku moram posebej opozoriti, da je v Sloveniji celotno raziskovalno podro- čje in s tem tudi biomolekularne simulacije prizadelo zmanjšanje sredstev za raziskoval- no delo. Pred kratkim smo investirali v no- vo računalniško gručo za biomolekularne si- mulacije s sodelovanjem s Centrom odlično- sti EN-FIST. Ko bo gruča začela polno de- lati v novem Preglovem računskem središču, predvidoma v marcu leta 2014, ocenjujem, da bomo imeli dovolj računalniške moči vsaj za naslednji dve leti. Nova računalnica je moderno zasnovana in s 180 kW hladilne moči sodi v sam vrh v Sloveniji. Na srečo so biomolekularne simulacije finančno manj- ši zalogaj kot na primer sintezna biologija, proteinska kristalografija ali biomolekularni NMR, zavedam pa se, da sodelavci na teh področjih še bistveno bolj občutijo zmanjša- nje sredstev. Žalostno dejstvo je, da najboljši mladi strokovnjaki s tega področja odhajajo v tujino, ker zanje v Sloveniji ni sredstev, ne v industriji in ne na akademskem področju. Biomolekularne simulacije so pomembne za slovensko gospodarstvo, saj imamo skupaj z ostalimi raziskavami ved o življenju končne- ga uporabnika, zelo dobro delujočo domačo farmacevtsko industrijo. Krka in Lek pome- nita hrbtenico slovenskega gospodarstva in ena od skrivnosti njunega uspeha so sred- stva, vložena v raziskave. SlovarËek: Amfifilna molekula. Molekula, katere en del se rad topi v vodi, drugi del pa v olju. ZnaËilni predstavnik je detergent. Hidratirani protein. Biološka makromolekula, obdana z vodo. NMR. Nuklearna magnetna resonanca. QM/MM. VeËnivojska obravnava molekularnega sistema, kjer en njegov del opišemo kvantno, ostale pa na nivoju molekulske mehanike. Monoamino oksidaza A. Encim, ki presnavlja serotonin, noradrenalin in v manjši meri dopamin. Biogeni amini. Amini, ki nastajajo v telesu. Arahidonska kislina. Omega-6-mašËobna kislina s kemijsko formulo C20H32O2. Prisotna je v fosfolipidih, ki tvorijo celiËne membrane. Produkti njene presnove so levkotrieni in prostaglandini, ki so kljuËnega pomena pri vnetnih procesih. MonoaminergiËni sistemi. Monoamini so molekule z eno aminsko skupino, nekateri od jih so prenašalci živËnega signala v sinaptiËni špranji. V to skupino sodijo dopamin, serotonin in noradrenalin. Literatura: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/ laureates/2013/. Warshel, A., 1991: Computer Modelling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions. New York: John Wiley and Sons. Purg, M., RepiË, M., Mavri, J., 2013: RaËunalniško modeliranje SN2 reakcije z metodo empiriËne valenËne vezi (EVB). Kemija v šoli in družbi, 25: 10-18 Mavri, J., 2013: Biomolekularne simulacije - pot do novih zdravil. Delo, 17. 10. 2013. Janez Mavri, pisec prispevka. proteus januar 2014.indd 220 3/16/14 8:02 PM
221 Subjektivna interpretacija kvantne mehanike • Fizika
Kvantna mehanika velja za najuspešnejšo fizikalno teorijo. Na širokem območju ve- ljavnosti njenim napovedim ne nasprotuje nobena eksperimentalna izkušnja. A razpra- ve o osnovah kvantne mehanike se vlečejo že domala sto let. Večine fizikov ne vzne- mirja, da obstaja, če je dovoljeno pretiravati, skoraj toliko interpretacij kvantne mehanike, kolikor je fizikov. Čeprav se interpretaci- je med seboj razlikujejo, vse pripeljejo do enakih napovedi, ki jih je mogoče preiz- kusiti z merjenji. O interpretacijah kvantne mehanike je Proteus poročal pred nedavnim: 73 (2010/2011): 414-421; 74 (2011/2012): 72-23. Prispevek smiselno nadaljuje poro- čilo.
N. David Mermin se je v reviji Physics Today zavzel za novo interpretacijo, potem ko je pred leti predložil itaško interpretacijo (po Ithaci, sedežu Cornellove univerze). Prav je imel, ko je potožil, da se nove interpreta- cije pojavijo vsako leto, a nikoli nobena ne izgine. V teoriji verjetnosti, ki je veliko starejša od kvantne mehanike, se tudi pojavijo vpraša- nja o osnovah. Carl Caves, Chris Fuchs in Ruediger Schack, ki se v ukvarjajo s teorijo kvantnih informacij, so leta 2002 objavili članek Kvantne verjetnosti kot Bayesove ver-
ve kvantne mehanike, od katerih nekatere poznamo kot paradokse, razblinijo ali vsaj postanejo manj moteče, če verjetnost v njej razumemo subjektivno. Mermin, ki je novi pogled sprejel, je želel z njim seznaniti šir- ši krog, ne da bi hotel pridobiti tiste, ki se ukvarjajo z osnovami kvantne mehanike. Ta pogled imenujejo kvantni bayesijanizem ali krajše QBizem (kvbizem, kvubizem?). Subjektivna interpretacija kvantne mehanike
Janez Strnad Thomas Bayes (izgovorite bejz) (1702?-1761), angleški matematik in prezbiterijanski duhovnik, je za življenja poleg teološkega prispevka objavil le Ëlanek, v katerem je Newtonovo ≈doktrino fluksij« branil pred ugovori. Leta 1842 so ga izvolili v Kraljevo družbo, angleško akademijo znanosti. Njegov Esej o reševanju problema iz doktrine nakljuËij so prebrali v tej družbi dve leti po smrti. V prvih desetletjih 18. stoletja so rešili vprašanja o verjetnosti dogodkov v doloËenih okolišËinah, na primer kolikšna je verjetnost, da iz posode z doloËenim številom Ërnih in belih kroglic na slepo potegnemo Ërno kroglico. Bayes je obravnaval obrnjeno vprašanje: kaj lahko povemo o barvi kroglic v posodi, Ëe smo potegnili doloËeno število kroglic dane barve. Razmišljal je o ≈najveËjem priËakovanju« (angleško ≈maximum likelihood«) in je verjetnost vpeljal kot subjektivno priËakovanje, da se bo dogodek zgodil. Tako je lahko razpravljal o verjetnosti osamljenega dogodka. Danes si z Bayesovo enaËbo pomagamo pri raËunanju pogojnih verjetnosti, potem ko smo si pridobili nove izkušnje. Ni gotovo, da je Bayes mislil tako, kot mislijo današnji bayesijanci. Vir slike: Wikipedia. proteus januar 2014.indd 221 3/16/14 8:02 PM
222 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Fizika
Poskusimo slediti Merminu in nakazati ne- katere poglede QBizma. QBizem ne pozna problema merjenja. Zastopnik (v angleščini »agent«, »opazovalec« ima preveč drugačnih pomenov) na podlagi novih izkušenj brez težav spreminja valovno funkcijo, s katero opiše stanja fizikalnega sistema. To ne pri- zadene fizikalnega sistema, ampak le spre- meni zastopnikova pričakovanja (angleško »belief«). Valovne funkcije tako niso lastnost sistema, ampak sodijo k zastopniku, ki upo- števa vsakokratne izkušnje. Kvantna mehanika trpi zaradi nejasnega in negotovega premičnega preloma (angleško »shifty split«, zveza Johna Bella) med kvan- tnim in klasičnim ali med mikroskopskim in makroskopskim. QBizem prelom postavi med svet, v katerem zastopnik živi, in nje- gove izkušnje o tem svetu. Premičnost, ne- jasnost in negotovost niso značilne za realni svet, ampak za mejo med tem svetom in izkušnjami različnih zastopnikov, ki upora- bljajo kvantno mehaniko. Po tem je verjetnost kakega dogodka oseb- no pričakovanje predstavnika o tem, ali se bo dogodek dogodil. To stališče je blizu Bayesovemu pojmovanju verjetnosti. Večina fizikov ne deli tega pojmovanja. Na verje- tnost gleda »frekvenčno« in ima frekvenco za objektivni opis množice enako pripravlje- nih sistemov. Pri tem je relativna frekvenca razmerje števila ugodnih dogodkov in števi- la vseh dogodkov. Kvantna mehanika se ukvarja s kolapsom va- lovne funkcije, ko se ob opazovanju valovna funkcija sesuje. Pred opazovanjem valovna funkcija zajame vsa dopustna stanja sistema, po opazovanju pa je sistem v enem samem od teh stanj. Ob tem se pojavi vprašanje, ali se ob kolapsu sporočilo prenese s hitrostjo, večjo od hitrosti svetlobe. Ali miš z opazo- vanjem lahko sesuje valovno funkcijo? Ali je za to potreben doktorat iz fizike? QBizem zagotovi, da miš ne more pozvročiti kolap- sa valovne funkcije, a da za to ni potreben doktorat. Dovolj je, če se nekdo zaveda, kako z novimi izkušnjami dopolni prejšnje pričakovanje. Česar ne zmore miš, zmore na primer študent fizike. Kvantno mehaniko pesti paradoks Schrö- dingerjeve mačke. Mislimo na mačko v ne- prozornem zaboju z atomom, katerega jedro razpade z razpolovnim časom ene ure. Če jedro razpade, merilnik to zazna in povzro- či, da kladivce razbije posodico s strupenim plinom, ki usmrti mačko. Po eni uri je atom z verjetnostjo ½ razpadel. Valovno funkci- jo mačke enakovredno sestavljata valovna funkcija mrtve mačke in valovna funkcija žive mačke. Mačka je z verjetnostjo ½ živa in z enako verjetnostjo mrtva. Do kolapsa valovne funnkcije pride, ko pogledamo v prostor in ugotovimo, da je mačka ali živa ali mrtva. V QBizmu ni paradoksa: valovna funkcija ne zadeva mačke, ampak zgolj za- stopnikovo pričakovanje. Na Merminov zapis je uredništvo revije
Merminu precej ostro ugovarjali in pouda- rili prednosti vsak svojega pogleda. Mermin je ugovore zavrnil in dodatno pojasnil neka- tere zadeve. Zapisal je, da je kolaps valovne funkcije le upoštevanje novih podatkov. Po- udaril je, da QBizem ne nasprotuje obstoju neke vrste fizikalne realnosti. Zanika pa, da obstajajo elementi realnosti pri prirejanju valovnih funkcij. Ne nasprotujejo pravilu Maxa Borna, da dobimo verjetnostno gosto- to kot kvadrat absolutne vrednosti valovne funkcije, a nasprotujejo objektivnemu zna- čaju, ki ga zastopniki frekvenčnega pogleda priredijo tej verjetnostni gostoti. Mermin je knjige o tej zadevi našel v knjižnici poslov- ne šole na Cornellovi univerzi, ne v mate- matični ali fizikalni knjižnici. Nazadnje je priznal, »da je QBizmu z nekaj pomemb- nimi izjemami kot splošen odgovor sledilo skomiganje z rameni«. Še bolj je Mermin, ki je skupaj z Neilom Ashcroftom napisal zelo uspešen učbenik
ko ga je bralec revije Physics Today povpra- šal, kako bo QBizem vplival na ugotovitve proteus januar 2014.indd 222 3/16/14 8:02 PM
223 Subjektivna interpretacija kvantne mehanike • Fizika
v knjigi. Odgovoril je, da je realist, a da njegov model realnosti počiva neposredno ali posredno na izkušnjah drugih. »Za vse praktične namene« (FAPP, zlobna Bellova kratica) kvantnim stanjem pripisuje real- nost, ki mu omogoča, da izračuna verjetnost njegovih naslednjih izkušenj. Pri reševanju trdovratnih pojmovnih ugank (FROCC, duhovita Merminova kratica), kot sta »kvan- tno merjenje« ali »kvantna nelokalnost«, pa se mu zdi bistveno, da miselnemu orodju ne priredi reči. Ta vidik fizikalnih pojmov v učbeniku prepušča bralcu. Iz tega izvira pričakovanje, da se pogled na kvantno me- haniko ne bo spremenil, dobro pa je, če je širok krog obveščen o novostih. Tudi tisti, ki prijazno gledajo na QBizem, opozarjajo na njegove pomanjkljivosti. Von Baeyer mu zameri, da še ne more pojasniti zapletenih makroskopskih pojavov s prepro- stimi mikroskopskimi pojavi, kar zmorejo druge interpretacije. Po njegovem mnenju v tem pogledu QBizmu ne preostane nič dru- gega, kot da se z zbiranjem in upoštevanjem novih izkušenj približa poti, ki jo uberejo druge interpretacije. Najbrž bi podroben pregled pokazal, da se pogledi vseh QBistov med seboj ne ujema- jo do zadnje pike. Vsa razprava napeljuje na misel, da interpretacije kvantne mehanike pravzaprav ne sodijo v del fizike, ki kot druge veje naravoslovja trditve preizkusi z opazovanji in merjenji. Bolj sodijo na obmo- čje, ki nima niti dobro opredeljenega imena: osebna znanost, filozofija fizike, pogled na svet, in si ga vsakdo kroji po svojem okusu, če le ne nasprotuje zakonom fizike.
Niels Bohr »Bistveni korak na poti do znanstvenega mišljenja so naredili, ko so opustili prazno vero v obstoj flogistona, vesoljskega etra, absolutnega prostora in časa ... ali vil in čarovnic. Verjetnost, ki ji pripisujejo kako vrsto objektivnega obstoja, ni nič manj zavajajoča zabloda, varljiv poskus, da pozunanjijo ali materializirajo [prava] verjetnostna pričakovanja.« Bruno de Finetti, 1990 »QBizem se ne odpove realistični interpretaciji narave. Posvari pa nas, da ne pomešamo narave z abstrakcijami, ki smo jih prebrisano izdelali, da bi kateremu koli zastopniku pomagali, da obrav- nava zelo dejanski vpliv narave na svojo notranjo izkušnjo.« N. D. Mermin, 2012 »Nova različica kvantne teorije pomete z nenavadnimi paradoksi mikroskopskega sveta. Cena? Kvantna informacija obstaja samo v vaši domišljiji.« H. Ch. von Baeyer, 2013 Literatura: Baeyer, H. Ch. von, 2013: Quantum weirdness? It's all in your mind. Scientific American, 308 (6): 47-51. Griffiths, R. B., Woo, Ch. H., Nauenberg, M., Hobson, A., Stacey, B., Mermin, N.D., 2012: Measured responses to quantum Bayesianism. Physics Today, 65 (12): 8-15. Menéndez, J., 2013: Impresionism, realism, and the aging of Ashcroft and Mermin. Physics Today, 66 (6): 8. Mermin, N. D., 2012: Quantum mechanics: Fixing the shifty split. Physics Today, 65 (8): 8-10. proteus januar 2014.indd 223 3/16/14 8:02 PM
224 ■
Proteus 76/5 • Januar 2014 Iz zgodovine žlahtnjenja krompirja v Sloveniji
Pred sto leti se je rodil Viktor Repanšek (1913-2006). Na spominski plošči na rojstni hiši v Kamniku so poudarjene tri njegove odlike: zaslužni agronom, žlahtnitelj sloven- skih sort krompirja, soustanovitelj skavtov v Kamniku, častni občan občine Kamnik. Prav je, da ga spoznamo kot žlahtnitelja pr- vih slovenskih sort krompirja. Yüklə 0,52 Mb. Dostları ilə paylaş:
|