А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 34
Текст из файла (страница 34)
е. сила, пропорциональна смещению, т. е. Лп~ . Но коэффициент трения р, по- прежнему пропорционален Ф, следовательно, скорость и, движения вдоль трубки (не путать с искомой скоростью движения цепи как целого) зз!к. "г = 01«~ С какой же скоростью движется при этом центр тяжести пенну Передвижение цепи на малую длину Л вдоль трубки можно представить себе как перенос участка Л с одного конца цепи на другой, т. е, на расстояние у'м; при этом центр масс передвигается на расстояние порядка Л'н»Л/Ф-Л!Й"'.
Следовательно, скорость ц движения центра масс цепи в Йн» раз меньше скорости рептации, т. е. получается, что в слабом поле о 11Й. Более аккуратный расчет полностью подтверждает сказанное и приводит к формуле «э- — ( — +соп51( ~у, ) Е. Здесь Š— вектор напряженности электрического г! — заряд единицы длины дНК, зу — число эффектз сегментов в цепи, 1 — длина сегмента, и — вязкость с соп51 — число порядка единицы. На рис. 8. !6 при график зависимости о от Ф. Как видно, скорость эл 170 форетического движения сильно зависит от гт' только прн достаточно малых Ж вЂ” разделять можно лишь относительно короткие цепи *). Правда, критическую длину можно увеличить, если уменьшить поле; но этот путь не слишком эф)тектнвег!, так как в очень слабом поле весь процесс будет м.дленным, что неудобно, да и чревато вмешательсгвом ряда дополнительных факторов.
Для преодоления обозначенной трудности используется следуюший прием: внешнее поле периодически выключается (или поворачивается на 90'). Как длительность действия поля, так и длительность его отсутствия должны примерно соответствовать времени полной замены трубки„ т. е. они должны быть порядка т'-)У" (8.)2) — в этом случае собственно электрофорстическое движение ~ ртисходит все время при наиболее выгодной гауссовой форме цепей.
И действительно, подобные кхитрыеь варианты метода гель-электрофореза оказываются исключительно точными. *) Режим независимости о от А' имеет место тогда, когда ~торой член в фигурных скобках 4ормулы (8. (6) настолько больше первого, что первым можно пренебречь. Но иа свмом деле при таких полях до полного вытягивания цепей ДНК еще далеко. Поэтому наш способ угадывания аависимости о((У) по двум предельным случаям це вполне строгий, но ответ (В.!6) правильный; он получаетсн в в точной теории.
ГЛАВА 9 и за«иден ПОЛИМЕРЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ Чтн мм ннеен о лисс? Ннчсеа. И тн нн нее. 9.1. Эволюции Вопрос о происхождении жизни интересен едва ли не л>обому мь>слящек>у человеку. И уже в детском саду ребята знают, что «человек произошел от обезьяны», Главное в этой расхожей формуле даже не то, что «от обезьяны», а то, что «произошел» вЂ” идея постепенного развития или эволюции. Сейчас пам очень пе просто даже представить себе, нисколько глубоко эволюционные представления проникли в самые осяовы нашего мировоззрешгя и какую бурю в»>звало всего сто с небольшим лет тому назад (1859) появление теории Дарвина.
Быть может, это было последнее сражение церкви против естествознания н). После Дарвина биологи собрали колоссальную и богатейшую коллекцию фактов, подтверждающих и развивающих эвол>оционпое учение,— жаль, что мы пе можем здесь пуститься в описание увлекательных примеров Тех> не менее некоторые вопросы, в том числе и поставленные самим Дарвиным или его современниками, оста>отса все еще без ответов. И в последние годы вновь (в который уже раз!) теория эволк>ции привлекла к себе повышенное внимание как широкой публики, так и специалистов.
Причем для нас важно отметить, что в новейших исследованиях па эту тему заметную роль и~рвет физика полимеров. ') Ме нужно, конечно, придерживаться наивного представления «Дарвин доканал, что бога нет». Показателен в этом отношении эпиграф, которь>м сам х(арвнн снабдил свою основную книгу «Происхождение видав»; эпиграф длинный, состоит нз трех пнтат, но суп его в кратко«> пересказе сводится к тому, >то божественному провидению пег необходимости вл>ешнааться в ка>кдое отдельное мелкое явление, о достаточно управлять нмя всеь>н вместе путем установления законов природы. Это значит, что эаолюпноннгн теория вь>теснила нли, точнее, завершила вытеснекие религии из области естествознания, так что все дальнейп>ес идеологическое противоборство религии с атеизмом уже относится только к сфере совести, морали и т.
п. 1УР Писать о проблеме происхождения жизня, тем более популярно, очень трудно — подчас кажется, что это прерогатива фантастов или даже просто болтунов, так много в этои области неизвестного и такое невыгодное соотношение между изученным и непознанным. Но «живая материя — самый интересный предмет исследования для живой материи, способной к исследованию» (Л. А. Блюменфельд). Поэтому не поговорить об эволюции в книжке о полимерах нельзя, и нам остается только честно предупреждать читателя, где речь идет об установленных фактах, аце — о вольных догадках. 9.2.
Картина биологической эволюции с молекулярной точки зрения Мы собираемся говорить об эволюции с молекулярной точки зрения. Какую же ленту внесла молекулярная биология в эволюционное учение? Молекулярные представления позволили формализовать (или, если угодно, математизировать) описание, правда, не причин и движущих сил, но хотя бы самой картины эволюционного процесса: мы можем сравнивать теперь не сами организмы, а их «анкеты», записанные в первичных структурах бионолимеров; изменение этих еанкет» и есть молекулярный механизм биологической эволюции. Если взя гь последовательности аминокислот ~ емоглобина *) человека, лошади и акулы, то оказывается, что из 141 «буквы» у человека и лошади отличгиотся 18, а у человека и акулы — 79; ясно, что это свидетельствует о большей близости нашего родства с лошадью, чем с акулой.
Дальше, проделав такие сравнения для нескольких белков, можно убедиться, что, например, белки-гистоны разных живых существ отличаются друг от друга несравненно меньше, чем, скажем, белки-фибринонентицы; это значит, то функция гистонов (участие в упаковке ДНК в хромосомах) возникла в процессе эволкщии гораздо раньше, чем функция фибринопентицов (система свертывания крови), и к настоящему моменту эволюционное совершенствование гистонов практически доведено до нрецела или, точнее говоря, зашло в туник, а фибринопептицов — далеко иет. '1 Глобулярннй белок, находящийся в эрнтронитах крови и переносящий кислород иа легких илн нгабер в другие органы и ткани.
!73 Конечно, сравнение текстов в 20-буквенном алфа- .',;;-,:,. вите — задача несравненно более простая и во всяком случае более доступная для ЭВМ„чем сравнение живых .::»"' или ископаемых организмов традиционными методами. Г1оэтому идет очень активное коллекционирование первичных структур и построение соотвегствующих «генеалоги-:,.''.'»1 ческих» деревьев.
Накоплено много интересных наблюдений на эту тему. Замечено, например, что в глобулярном белке замена гидрсфобной (см. выше раздел 3.7) аминокислоты на другую гидрофобную или гидрофильной на другую гидрофильную, если толы<о речь не идет об активном центре, часто не приводит к существенным нарушениям пространственной структуры глобулы и мало мешает белку вьиолнять свою функцию. Впрочем, из этого правила есть важные исключения — иногда наследственная (т. е. закодированная в ДНК) замена одной аминокислоты может проявляться как тяжелая болезнь организма. Тем не менее вряд ли случайно то обстоятельство, что генетический код, как заметил М.
В. Волькенштенн, обладает интересным свойством помехоустойчивости: случайная замена одного нуклеотида в ЛНК с вероятностью больше 1!2 (оримерно 213) ведет к гидрофобно-гидрофобной или гидрофильно-гидрофильной заменам в кодируемом белке. Интересно проанализировать статистически последовательности «букв» в белковых «текстах», Аналогичную задачу для текстов обычного русского языка впервые рассматривал еще в самом начале ХХ века знаменитый математик А.
А. Марков. Сейчас известно, что в обычных «человеческих» языках по статистике расположения букв можно, даже не зпая языка, отличить, например, прозу от стихов. ь!то же показывает «белковая л нгвистика»? Оказывается, белковые «тексты», но-видимому, довольно близки к случайным. Конечно, несколько аминокислот, формирующих активный центр глобулярного белка, нельзя заменить без ущерба для функционирования, но в расяоложении вдоль цепи остальных, а их в белке много десятков, особых неслучайных закономерностей уловить не удается. О.
Б. Птицын дал этому результату следующую наглядную и остроумную формулировку: белок есть отредактированный статистический сополимср. Эго значит, чго белки возникали со случайными первичными структурамн и загем в ходе эволюции подверглись лишь относительно небольшой правке — редактированию. Итак, с молекулярной точки зрения биологическая !74 эволюция сводится к изменению первичных структур нзбора биополимеров.
Важную и интересную для физика роль играет здесь тот факт, что у двойной спирали ДНК внешняя форма (см. выше рис. 3.11в) н, следовательно, энергия орск<- тически не зависят от последовательности звеньев (так как они попарно комплементарны и спрятаны внутри спирали).
Именно поэтому возможны изменения ДНКовых «тексто⻠— ведь в нрот«вноь< случае итогом эволюции были бы не наиболее приспособленные организмы, а всего только ДНК с наименьшей энергией. Напротив, вторичная и третичная структуры белков сильно зависят от первичной, что и позволяет белкам выполнять столько разных фу ш<ций. Наконец, еще одно замечание. Не думайте, что эволкционные изменения бионолимерных «текстов» сводятся к точечным мутациям — заменам отдельных «букв».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
