Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 119
Текст из файла (страница 119)
Было ликвидировано противоречие в трактовке самопроизвольных процессов разрушения и созидания структур. Появилась возможность координировать макроскопический и микроскопический уровни описания, одновременно учитывать детерминистические и стохастические особенности систем. В классической физике и квантовой механике, включая и релятивистскую механику, время, как уже отмечалось, выступает лишь как внешний параметр, не имеющий выделенного направления. В классической и квантовой динамике нет ничего такого, что позволило бы отличить прошлое от будущего.
Такую динамику Пригожин назвал физикой существующего, а современную, в значительной мере созданную им термодинамику, — физикой возникающего. Даже равновесная термодинамика у.ке содержит специальную функцию состояния — энтропию, наделяющую время определенным направлением. Энтропия — это стрела времени, устанавливающая различие между прошлым и будущим.
Нелинейная термодинамика неравновесных процессов идет в этом отношении еще дальше и формирует новое представление о времени как внутренней переменной, присущей данной макроскопической системе и отражающей ее историю. Такое время в отличие от внешнего времени характеризует эволюционное состояние системы, пройденные ею этапы развития. Еще Аристотель различал время как "движение" (кинезис) и время как "рождение и гибель' (метаболе).
Возраст живого организма может определяться астрономичебким временем, а может — внутренним, биологическим временем, нс совпадающим с внешним временем, хотя и выраженным в тех жс единицах. Два организма одного вида, рожденные одновременно (даже однояйцевые близнецы), имеют одинаковый возраст в масштабе внешнего, астрономического времени и в зависимости от условий созревания могут иметь разный возраст в масштабе внутреннего времени, ха- 458 рактеризующего уровень их биологического развития. "Для большинства основателей классической науки (и даже для Эйнштейна),— отмечает Пригожин, — наука была попыткой выйти за рамки мира наблюдаемого, достичь вечного мира рациональности — мира Спинозы. Но, быть может, существует более тонкая форма реальности, охватывающая законы и игры, время и вечность.
Наш век Ио праву можно назвать веком исканий в изобразительном искусстве, музыке, литературе и науке. Мы все еще не в состоянии предсказать, чем завершится эта глава истории человечества. Несомненно лишь одно: она положила новый диалог между природой и человеком" [318. С. 95). 15.4. БИФУРКАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ СТРУКТУРНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВ Обсуждение неравновесной модели свертывания белковой цепи в нативную конформацию начнем с определения минимального фазового и компонентного состава системы, обеспечивающей спонтанное протекание процесса в изолированных условиях. Не нарушая общности модели, будем считать, что объектом рассмотрения является мономерный белок, Имеющиеся опытные данные о структурной самоорганизации белков позволяют представить укладку линейной полипептидной цепи в трехмерную структуру как внутримолекулярный процесс, который полностью определяется проявляющимися в соответствующих условиях свойствами единичной гетерогенной аминокислотной последовательности.
Другими словами, будем считать, что свертывание природной полипептидной цели не зависит от концентрации белка, и поэтому модель может включать лишь одну белковую молекулу. Кроме того, в систему, безусловно, должна входить водная фаза. Для феноменологического описания процесса не требуется учет конкретных специфических свойств среды, в конечном счете обусловливающих реализацию заложенной в белковой цепи потенции к самоорганизации.
Полагаем водное окружение гомогенным, обладающим необходимыми для сборки белка свойствами. Таким образом, выбранная модельная система состоит из двух подсистем — единичной природной аминокислотной последовательности и водной среды. Является ли такая двухфазная система объектом исследования равновесной термолинамики? Чтобы быть действительно таковым, система в целом и ее подсистемы должны удовлетворять всем условиям, отмеченным в разделе 15.1 для объектов классической термодинамики, н прежде всего представлять собой совокупности множеств не связанных друг с другом частиц. Макроскопнчность белковой подсистемы определяется большим числом образующих молекулу белка атомов (10з — 10') и значительным количеством конформационных степеней свободы (10з — 10з), позволяющих полипептидной цепи в принципе принимать множесгво микроскопических состояний (10", где и — число аминокислотных остатков в цепи).
Тем не менее эту подсистему нельзя считать строго термодннамической. Во-первых, число 459 атомов и степеней свободы белковой макрол.олекулы по мерке равновесной термодинамики невелико. Во-вторых, и это самое главное, белковая подсистема не может быть представлена совокупностью беспорядочно перемещающихся и не взаимодействующих друг с другом атомов.
Напротив, все они тесно связаны между собой посредством валентных и невалентных взаимодействий (дисперсионных, электростатических, торсионных и водородных связей). Тот факт, что разные природные аминокислотные последовательности в одинаковых условиях свертываются существенно различным образом, неоспоримо доказывает, что совокупность невалентных взаимодействий влияет на траекторию движений включенных в уникальную валентную схему атомных групп, делает движение атомов взаимозависимым, не в полной мере хаотичным, что в конечном счете и определяет процесс структурной организации белков.
На это же указывают данные противоположного характера, полученные для синтетических полипептидов. В значительной мере лишенные специфических корреляций между аминокислот- ными остатками, они ни при каких условиях не образуют идентичных для всех молекул стабильных пространственных структур.
Возможности нх полипептидных цепей ограничены линейной спирализацией. Белковая молекула в водном окружении подвержена лишь одному виду истинно хаотического движения — броуиовскому. Что касается второй подсистемы — водного окружения, то она действительно состоит из множества малых молекул, склонных, однако, в силу своей природы к образованию сильных водородных связей и электростатическим взаимодействиям. Ни одно свойство жидкой воды не может быть описано на основе предположения о плотности хаотического движения отдельных молекул. Эксперименты, в частности инфракрасные спектры, вообще ие обнаруживают в жидкой воде свободных молекул. Дж. Бернал еще в 1932 г.
в своих, ставших классическими рентгеноструктурных исследованиях воды впервые наблюдал в ее жидкой фазе зародьппевые формы кристаллов льда. Тщательный статистический анализ Г. Немети и Г. Шераги свидетельствует о присутствии в воде при нормальных условиях значительных количеств ассоциатов с 1 — 4 межмолекулярными водородными связями [325). Специфика взаимодействия воды с природной аминокнслотной последовательностью, раскрывающая возможность последней к структурированию, определяется не полностью независимым хаотическим, тепловым движением молекул НзО, а сложной, многофазной структурой воды, сильным поверхностным натяжением (большой избыточной энергией поверхностного слоя), высокой избирательностью взаимодействий в контактном слое с разными по своей природе атомными группами белка. Итак, выбранная модель белкового свертывания, включающая две эффективно взаимодействующие между собой подсистемы, не может быть отнесена к классическим макроскопическим системам равновесной термодинамики.
Будем считать, что на протяжении всего процесса структурной самоорганизации белка наша система не обменивается с або окружающим пространством ни энергией, ни веществом, т.е. принадлежит к замкнутому типу систем. Исходим из того, что в начальный момент белковая молекула находится в состоянии флуктуирующего клубка. Аттрактором спонтанно возникающего изотермо-изобарического процесса свертывания полипептидной цепи является равновесное состояние, в котором белок приобретает высокоорганизованную, устойчивую трехмерную структуру.
Процесс идет без нарушения второго начала термодинамики, т.е. протекает с повьппением энтропии всей системы, и заканчивается, когда она достигает максимума. Очевидно, предлагаемая модельная система не может быть объектом рассмотрения классической равновесной термодинамики (см. раздел 15.1). Последняя оперирует только усредненными характеристиками и функциями состояний, а потому ограничена исследованием макроскопнческих сисгем с чисто случайным, полностью неупорядоченным и независимым движением микроскопических частиц. Равновесная термодинамика, как известно, в состоянии анализировать коллективное поведение огромного числа частиц, не вдаваясь при этом в детали нх внутреннего строения и не конкретизируя механизм равновесного процесса. Особенно важно отметить то обстоятельство, что для классической термодинамики все случайные флуктуации системы неустойчивы, обратимы и, следовательно, не могут оказывать заметного, а тем более конструктивного воздействию на протекающий процесс и его инициацию.
Все самопроизвольно совершающиеся явления в изолированной системе должны быть направлены, согласно равновесной термодинамике, на достижение однородности системы, т.е. на нарушение существующих структур, а не на их создание. Равновесные процессы всегда идут с увеличением энтропии не только всей системы, но н каждой ее подсистемы. Общим условием равновесия многофазной системы является равенство температур, давлений и химических потенциалов всех компонентов. В равновесной термодинамике отсутствуют какие-либо следствия из ее фундаментальных начал, которые указывали бы на принципиальную возможность диспропорционироаания энтропии между различными фазами изолированной системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
