Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 120
Текст из файла (страница 120)
Обсуждаемая модельная система свертывания белковой цепи ие отвечает основным положениям классической статистической физики: эргодической гипотезе и Н-теореме, принципу Больцмана о мультипликативности термодинамической вероятности, а также закону о равном распределении энергии по всем степеням свободы. Следование системой больцмановскому распределению вероятностей и больцмановскому принципу порядка лишено механизма структурообразования из беспорядка, и поэтому исключает саму возможность спонтанной сборки трехмерной структуры белка.
Кроме того, практически невозможен перебор всех равноценных с точки зрения статистической физики конформациониых вариантов (микроскопических состояний). Даже для низкомолекулярных белков (< 100 аминокислотных остатков в цепи) он занял бы около 10ю лет. В действительности же продолжительность процесса исчисляется долями секунд и секундами. Таким образом, величина порядка 10ю лет может служить своеобразной коли- 461 чественной мерой удаленности предложенных в литературе равновесных термодинамических моделей укладки белка от реального механизма свертывания природной аминокислотной последовательности.
Линейная неравновесная термодинамика изучает процессы, протекающие недалеко от положения равновесия (см. раздел 15.2). Для этого к известным началам равновесной термодинамики дополнительно вводится ряд новых постулатов уже не столь всеобъемлющего и строгого характера. Так, предполагаются постулированные Онсагером линейность термодинамических уравнений движения и симметричность кинематических коэффициентов, а также соблюдение сформулированных Пригожиным принципов локального равновесия и минимума производсгва энтропии.
Привлечение этих частных и строго несоблюдаемых постулатов не ведет, однако, к расширению возможностей термодинамического подхода для объяснения механизма самоорганизации высоко- упорядоченных структур. Изучение проводится путем экстраполяции равновесного состояния, т.е.
по-прежнему на основе усредненных термодииамических характеристик системы. Молекулярная специфика объекта учитывается лишь неявным образом через эмпирически определяемые кинематические коэффициенты. Таким образом, наша модельная система не может рассматриваться с помощью не только равновесной, но и линейной неравновесной термодинамикой.
Обратимся теперь к развитой Пригожиным в 1970 — 1980-е годы нелинейной термодинамике неравновесных процессов, важнейшими составными частями которой являются теории диссипативных систем и бифуркаций. На первый взгляд может показаться, что рассмотренные на ее основе системы существенно отличаются от выбранной системы структурной организации белков. Конвекционные ячейки Бенара, когерентное излучение лазера, турбулентное движение жидкости, реакция Белоусова — Жаботинского, модель Лотке — Вольтерра, описывающая взаимоотношения между "хищником и жертвой", — все это открытые днссипативные структуры. Динамические процессы перечисленных и подобных им неравновесных макроскопических систем, действительно, приводят при достижении условий, превышающих соответствующий критический уровень, к спонтанному возникновению из беспорядка высокоорганизованных пространственных, пространственно- временных и просто временных структур.
Однако во всех случаях поддерживание возникшего из хаоса порядка в стационарном режиме оказывается возможным только при постоянном энергетическом и/или материальном обмене между окружающей средой и динамической системой. Совершающийся в такой открытой системе неравновесный процесс вдали от положения равновесия связан с диссипацией, т.е.
с производством энтропии, или, иными словами, с компенсирующим это производство потреблением негэнтропии из окружающей среды. Перекрытие внешнего потока негэнтропии автоматически приводит к прекращению системой производства энтропии и, как следствие, распаду созданной диссипацией структуры. У открытых диссипативных систем аттрактором является не равновесное состояние, а расположенное далеко от него состояние текущего равновесия. 462 Может показаться, что белковая подсистема, в отличие от отмеченных выше диссипативных систем, потребляет негэнтропию не постоянно, а только в период своей структурной самоорганизации.
Созданная же структура термодинамически стабильна и как будто бы не нуждается в постоянной инъекции негэнтропии. Аттрактором процесса здесь служит не текущее равновесие, поддерживаемое внешним фактором, а равновесное состояние, к которому стремится свертываемая белковая цепь и которого она достигает, принимая нативную конформацню. Однако такое представление ошибочно, и белок является типичной диссипативиой системой, нузцдающейся в непрерывном притоке негэнтропии для создания своей структуры. В противном случае она была бы размыта деструктивными флуктуациями.
Подобный эффект, если ои возникает, обусловлен тем, что белковая цепь находится в среде своего негэнтроцийного источника, с которым образует прямые молекулярные контакты. Таким образом, физиологически активная трехмерная структура белка н его водное окружение отвечают термодинамически устойчивому равновесному состоянию макроскопической двухфазной системы. Понятие текущего равновесия диссипативной подсистемы в данном случае совпадает с понятием равновесного состояния всей системы. Согласно теории диссипативных систем и бифуркаций, возникновение порядка из беспорядка возможно только в ходе истинно неравновесного процесса, который даже в принципе не может быть представлен равновесным. Отличительная особенность истинно неравновесного процесса заключается в наличии у системы особых незатухающих, т.е.
необратимых, флуктуаций, проявляющихся в определенных условиях я вызываемых специфическими молекулярными свойствами микроскопических составляющих, т.е. тем, что, по определению, не учитывается равновесной и линейной неравновесной термодинамикой. Последовательная цепочка таких взаимосвязанных и согласованных друг с другом и благодаря этому неравновесных и эволюционирующих в определенном направлении флуктуаций — непосредственная причина зарождения и развития порядка из хаоса. И. Пригожиным были впервые разработаны физические принципы механизма диспропорционирования энтропии при самопроизвольных процессах.
Они утверждают, что для понимания и априорного описания спонтанного возникновения порядка из хаоса необходимо установление количественных взаимоотношений между коллективным поведением макроскопической системы и индивидуальными свойствами ее микроскопических составляющих. Развитые Пригожиным представления нелинейной термодинамики могуг служить основой теории свертывания белковой цепи.
В пользу этого свидетельствует наличие у процессов структурной организации диссипативных систем и белков следующих общих черт: эволюции в сторону создания высокоорганизованных структур нз хаоса, спонтанного протекания процесса, производства и днспропорционирования энтропии и, наконец, существования устойчивых бнфуркацнонных флуктуаций. Исходным состоянием обсуждаемой системы будем считать находя- 463 щуюся в водной среде белковую цепь в состоянии статистического клубка, которая совершает броуновское движение.
Предполагаем, что в начальный период все флуктуации — периодические вращения атомных групп вокруг одинарных связей — являются беспорядочными н нссинхронизированными друг с другом. В равновесных процессах они обратимы и поэтому не оказывают существенного воздействия на движение системы в сторону положения равновесия. В данном случае подавляющее болыпинство флуктуаций также обратимо и неустойчиво. Однако некоторые из флуктуаций сближают определенные атомные группы, которые могут эффективно взаимодействовать между собой. Благодаря этому сохраняются поначалу случайно появившиеся, но не случайным образом стабилизированные конформационные состояния тех или иных участков белковой цепи. Какие же силы делают устойчивым определенное сочетание случайных отклонений? Очевидно, возникшее благодаря флуктуациям необратимое конформационное состояние пептидного фрагмента будет обладать наименьшей энергией и, следовательно, явится стабильным, если приведзпие к его созданию флуктуации окажутся согласованными между собой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
