Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 111
Текст из файла (страница 111)
Поставленные вопросы так и остались без ответов [18, 11О, 171, 172]. Развитие свелось к появлению некоторых новых терминов и новых феноменологических моделей, которые мало что добавили к сказанному ранее. Особенно оживленно обсуждаются модель гидрофобного схлопывания [ЬудгорЬоЬ]с со11арзе) и каркасная модель (Ггашеи ог1с пкк1е1). Первая из них основывается на предположении о том, что в начальный период свертывания в центре флуктуирующего клубка возрастает концентрация гидрофобных остатков [297 — 299]. Когда число их достигает критического значения, происходит реорганизация положений боковых цепей, резкое снижение энергии невалентных взаимодействий и быстрый переход [гидрофобное схлопыванне) белковой цепи в новое, более компактное конформационное состояние, получившее название расплавленной глобулы [шо11еп 81оЬп1е) [173, 300, 301].
По своим размерам и форме это состояние близко нативной структуре белка. Амидные группы его гидрофобного интерьера обменивают атомы водорода быстрее по сравнению с полностью свернутым состоянием, но медленнее, чем в состоянии статистического клубка [302, 303]. Модель гидрофобного схлопывания принципиально ие отличается от рассмотренной в разделе 6.1 модели структурной организации белковой глобулы с гидрофобным ядром и гидрофнльной внешней оболочкой, которая была предложена В.И. Лимом в 1974 г. и позднее детализирована им в серии работ [304 — 309]. Столь же неоригинальна каркасная модель сборки белка, базирующаяся на постулате, прямо следующим из гипотезы Полинга н Кори об энергетической предпочтительности регулярных вторичных структур, играющих в связи с этим центральную роль в определении пути структурирования белковой цепи.
Предполагается, что процесс сборки начинается с появления изолированных и на первых порах изменчивых вторичных структур ["мерцающих кластеров"). Взаимодействуя друг с другом, они вытесняют молекулы воды, стабилизируют свои структуры и посредством гидрофобных контактов образуют единый, достаточно жесткий каркас третичной структуры [310, 311]. Очень близкое представление о свертывании белковой цепи заложено в так называемой диффузионно-коллизионной модели [312, 313].
По существу, аналогичные механизмы сборки рассматриваются также в работах [314, 315]. В основе всех предложенных моделей лежат гипотеза Полинга и Кори о вторичных структурах и гипотеза Козмана о гидрофобных взаимодействиях. Сам же подход к резпению с их помощью проблемы свертывания белковой цепи строится на эмпирических корреляциях и равно- 432 весной термодинамике.
В чем же причины отсутствия заметного прогресса в развитии этой области за последние 2 — 3 десятилетия? Главная причина, следующая как из общих соображений, так и конкретных результатов теоретического анализа и сопоставлений с опытными данными, заключается, на наш взгляд, в принципиальной несовместимости спонтанного, быстрого и безошибочного свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в строго детерминированную трехмерную структуру, с одной стороны, н используемого для изучения данного явления аппарата классической статистической физики и равновесной термодинамики, с другой. Ни в одной работе по моделированию процесса структурной самоорганизации белка не обращено внимание на "противоестественность" с точки зрения этого аппарата самого феномена спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из беспорядка.
Сборка структуры белка является сугубо неравновесным процессом перехода от хаоса к порядку, и использованный во всех гипотетических моделях чисто статистический подход в принципе не мог привести к желанной цели. В последующем изложении мы попытаемся обсудить несостоятельность равновесной термодинамики, решить проблему структурной организации белка и выяснить возможность в этом отношении нелинейной неравновесной термодинамики — физики открытых диссипативных систем. возникшей в первой половине 1980-х годов. Предпринимаемая попытка имеет, по-видимому, и более общее значение, так как биологические объекты всех уровней структурной организации являются открытыми системами. Учитывая это обстоятельство, а также демонстрируемую большинством авторов публикаций по свертыванию белковых цепей осведомленность в специфике используемого имн подхода, представляется целесообразным перед изложением общей теории самосборки белка кратко остановиться на некоторых принципиальных моментах н понятиях равновесной и неравновесной термодинамики.
15.1. ЭЛЕМЕНТЫ РАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Классическая равновесная термодинамика возникла как наука о взаимном превращении работы и энергии при наличии самой хаотичной в обычных условиях формы движения материи — тепловой. Годом рождения этой новой области физических знаний считается 1824 — год издания основного сочинения Сади Карно "Размышления о движущей силе огня". Необходимость в разработке принципиально нового, термодинамического подхода к описанию поведения макроскопических систем возникла из-за того, что решение этой задачи оказалось не под силу ни классической физике, ни позднее квантовой механике.
Непреодолимые для них трудности были вызваны невозможностью составления полной системы уравнений движения для множества частиц и незнанием начальных условий. Отказавшись от попытки проследить за движением каждой молекулы (атома, иона, коллоидной частицы), авторы термодииамического подхода обратились к усредненным характеристи. кам огромного числа частиц, ответственных за характер поведения нх ансамбля как единого целого. Естественно, отказ от детального анализа влияния свойств отдельных микроскопических систем и вх взаимодействия на свойство макроскопической системы н переход к изучению коллективного проявления движения сразу всей совокупности частиц не могли не сделать термодинамический подход уникальным в отношении как его достоинств, так и ограничений, и не отразиться на специфике решаемых с его помощью задач.
Перечислим необходимые и достаточные требования, которым должна удовлетворять система, чтобы она могла стать объектом изучения методами равновесной термодинамики. 1. Система должна быть макроскопической, т.е. состоять из огромного количества частиц и/или иметь множество степеней свободы. 2. Макроскопическая система должна быть замкнутой, причем изоляция от внешней среды не должна заметно сказываться на свойствах сисгемы и протекающих в ней процессах, 3. Движение микроскопических частиц, определяк>щих термодинамические свойства макроскопической системы, должно иметь беспорядочный, хаотический характер.
4. Процесс, который протекает в системе, удовлетворяющей отмеченным выше условиям, может стать предметом исследования равновесной термодинамики, если он не зависит от конкретного механизма взаимодействия микроскопических частиц и деталей их внутреннего строения. 5. Рассмотрению классической термодинамики подлежат те процессы в изолированной макроскопической системе, которые могут быть представлены как равновесные, т.е, состоящие из непрерывной последовательности обратимых, равновесных состояний системы. 6.
Термодинамика равновесных процессов изучает только такие свойства макроскопической системы, которые не определяются флуктуациями термодинамических параметров. Создание термодинамической модели с помощькз статистической физики означает установление корреляций между двумя — макроскопическим и микроскопическим — уровнями информации о системе, удовлетворяющей перечисленным требованиям. Первый уровень описывается ограниченным числом термодинамических параметров (функций состояния, потенциалов), а второй — статистическим представлением микроскопических состояний и вероятностными значениями нх физических характеристик. Случайность в поведении макроскопической системы, выведенная в начальный момент времени предположением о вероятностно-статистическом состоянии микроскопических частиц.
характеризует лишь ее исходное хаотическое состояние. Дальнейшее поведение системы диктуется динамическими законами и корреляционными соотношениями между макроскопическнмн н микроскопическими параметрами ~3161. Основу равновесной феноменологической термодинамики составляют несколько, на первый взгляд. предельно простых утверждений.
434 называемых началами или законами термодинамики. Обычно принято выделять четыре начала, которые, согласно А. Зоммерфельду, кратко формулируются следующим образом [317): 1, температура является функцией состояния (нулевое начало); 2. закон сохранения энергии (первое начало); 3. энтропия и энергия (второе начало); 4. тепловая теорема Нернста (третье начало). Второе начало термодинамики было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом в виде следующего принципа: "Теплота не может переходить сама собой (позднее Клаузиус заменил последние слова на выражение "без компенсации" ) от более холодного тела к более нагретому". Энтропию (5) как функцию состояния Клаузиус ввел в 1865 г.
при рассмотрении кругового обратимого процесса типа цикла Карно и поиске соотношения между имеющими место двумя превращениями тепла. Одно из них — переход тепла в работу, другое — переход тепла более высокой температуры в тепло более низкой температуры. Прийдя к выводу об увеличении энтропии изолированной системы при протекании в ней самопроизвольных процессов, Клаузиус обобщил второе начало термодинамики до вселенского закона, который сформулировал так: "Энтропия Вселенной стремится к максимуму". Из этого заключения следует, что эволюция Вселенной направлена к установлению равновесного состояния с максимальным значением энтропии н пэ = О. Р. Клаузиус, как и другие создатели термодинамики, считал равновесную термодинамику началом и концом термодинамического подхода к объяснению природных явлений, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
