Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Изучение строится путем экстраполяции равновесного состояния, т.е. по-прежнему на основе усредненных термодинамических характеристик системы. Молекулярная специфика объекта учитывается лишь неявным образом через определяемые эмпирически кинематическне коэффициенты. Обратимся теперь к развитой И. Пригожиным нелинейной неравновесной термодинамике, важнейшими составными элементами которой являются, как отмечалось, теория диссипативных систем и теория бифуркаций (43]. К непременным условиям возникновения упорядоченной структуры в диссипативной системе следует отнести, во-первых, наличие обмена с окружающей средой веществом и/или энергией; во-вторых, состояние системы должно находиться далеко от положения равновесия, где наблюдается нелинейность термодннамических уравнений движения, нарушение соотношения взаимности Онсагера и принципов локального равновесия н минимума производства энтропии Пригожина; в-третьих, отклонение системы от равновесного состояния не может быть представлено путем непрерывной деформации последнего и, следовательно, отнесено к одной термодинамической ветви.

Это условие будет соблюдаться в том случае, если малые изменения на входе вызывают большие отклонения на выходе или, иными словами, когда значения градиентов соответствующих термодинамических параметров (температуры, давления, концентрации) превышают критические величины. И, наконец, в-четвертых, организация упорядоченной макроскопической структуры должна быть результатом как случайного, так и детерминистического кооперативного (согласованного, синэргетического) движения микроскопических частиц.

Материальный и энергетический обмен диссипативной системы со средой (первое условие) происходит без нарушения второго начала термодинамики. В данном случае оно проявляется в более общем виде н относится к изолированной системе, в которую открытая диссипативная структура входит как подсистема. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при протекании которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят положительный вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах происходит диспропорционирование энтропии. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной диссипативной структуры сопровождается одновременным увеличением энтропии остальной части изолированной системы. Второе условие означает невозможность описания диссипативной системы с помощью аппарата линейной термодинамики неравновесных процессов, а третье утверждает качественное отличие диссипативной структуры от равновесного 91 состояния,как и любого другого близкого к нему состояния.

Четвертое условие отражает новизну диссипативных систем в отношении макроскопической динамики, определяемой избирательными взаимодействиями микроскопических частиц, их внутренним строением, наличием наряду с обратимыми, необратимых флуктуаций. Как уже отмечалось, нелинейная неравновесная термодинамика возникла в результате синтеза статистики и детерминизма.

случайности и необходимости, обратимости и необратимости, эволюционных концепций Больцмана и Дарвина, короче, синтеза термодинамики н статистической физики, изучающих макроскопическое проявление множественных ансамблей, и классической физики и квантовой механики, изучающих конкретные свойства и строение микроскопических составляющих и единичных тел. Такой синтез — зто не просто конвергенция наук, а рождение качественно новой области знаний. которой впервые стали подвластны процессы спонтанного возникновения порядка из хаоса, разработка соответствующих теорий и расчетных методов, Согласно теории диссипативных систем и теории бифуркаций Пригожина, возникновение упорядоченной структуры из беспорядка означает неожиданное и резкое отклонение поведения системы от соответствующей термодинамической ветви, скачкообразное изменение свойств, получившее название "бифуркация".

Возникновение бифуркаций связано с флуктуациями — беспорядочным, чисто случайным явлением, которое проявляется в определенных условиях и вызвано специфическими молекулярными свойствами микроскопических составляющих, т,е. тем, что по определению не учитывается равновесной термодинамикой и линейной неравновесной термодинамикой.

В равновесных системах флуктуации симметричны, обратимы, случайны и образуют сплошной фон. Их эволюция может быть ограниченной и кратковременной, а поэтому они, как правило, не влияют на свойства системы. Известным исключением является флуктуация плотности, определяющая броуновское движение коллоидной частицы и классическое релеевское рассеяние света гомогенной средой. Общий характер равновесных процессов, в которых отсутствуют бифуркации, не зависит от особенностей внутреннего строения и взаимодействий микроскопических частиц. Именно благодаря этому обстоятельству равновесная термодинамика обладает единым теоретическим базисом — универсальной теорией, не учитывающей внутренних свойств элементарных составляющих и, следовательно, справедливой для всех процессов такого рода, и поэтому может строиться как наука исключительно на аксиоматнческой основе.

Иная ситуация в неравновесных диссипативных системах. Хотя и здесь появление флуктуаций случайно, ио не случайна их различная устойчивость, ведущая к избирательной стабилизации некоторых из флуктуаций и рождению детерминизма, а следовательно, и самого механизма структурной самоорганизации. Можно сказать, что образование диссипативных структур — это эволюция бнфуркационных флуктуаций, обусловленная в начале процесса внутренним строением и согласованными взаимодействиями микроскопических частиц, а затем вполне определенной структурой со специфическими, также достаточно строго согласованными контактами 92 „ежду последовательно усложняющимися ансамблямн, которые выступают как подсистемы формирующейся макроскопической диссипатнвной системы. Таким образом, отдельные виды флуктуаций, спонтанно выделяющиеся из сплошного спектра случайных отклонений и эволюционизирующие при неравновесном процессе вдали от равновесия, предстают одновременно н как выразители индивидуальных свойств микроскопических частиц и их взаимодействий, н как накопители, усилители и интеграторы этих свойств и, тем самым,как преобразователи и трансформаторы их в качественно новые макроскопические свойства диссипативной структуры.

Бифуркации порождают необратимые процессы, которые активизируют и организуют систему. Прн соблюдении соответствующих внешних условий содержание и последовательность реализации необратимых флуктуаций детерминированы н определяются исключительно индивидуальными свойствами микроскопических составляющих. Керавновеснвя модель свертывания. Начнем обсуждение модели с определения минимального фазового и компонентного состава системы, обеспечивающей спонтанное протекание процесса в изолированных условиях. Не нарушая общности модели свертывания, во всяком случае, применительно к условиям )п чйго, будем считать, что объектом рассмотрения является мономерный белок.

Имеющиеся опытные данные о структурной самоорганизации белков позволяют представить укладку линейной аминокислотной последовательности в трехмерную структуру как внутри- молекулярный процесс, который полностью определяется проявляющимися в соответствующих условиях свойствами единичной полнпептидной цепи.

Иными словами, свертывание не зависит от концентрации белка, и поэтому модель может включать лишь одну белковую молекулу. В систему должна входить также водная фаза. Для предварительного феноменологического описания процесса не требуется учет конкретных специфических свойств среды, обусловливающих реализацию заложенной в белковой цепи потенции к самоорганизации. Пока будем считать 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. Являстся лн такая двухфазная система макроскопической в термодинамическом, статистическом смысле? Чтобы стать объектом равновесной термодинамики, все ее подсистемы должны представлять собой совокупность множеств несвязанных друг с другом частиц. Макроскопичность белковой подсистемы определяется большим числом образующих молекулу белка атомов (порядка ! Оз-1О ) и значительным количеством конформационных степеней свободы (10з-10з), позволяющих полипептидной цепи в принципе принимать множество микроскопических состояний (10", где л — число амннокислотных остатков в цепи).

Однако эта подсистема не может быть представлена совокупностью беспорядочно перемещающихся и не взаимодействующих друг с другом атомов. Напротив, все они эффективно связаны между собой посредством валентных и иевалентных взаимодействий. Тот факт, что разные природные амино- 93 кислотные последовательности в одинаковых условиях свертываются су. щественно различным образом, неоспоримо доказывает, что совокупность невалентных взаимодействий влияет на траектории движения включен. ных в данную валентную схему атомных групп, делает движения атомов взаимозависимыми, не совсем хаотичными, что в конечном счете, ках увидим, определит механизм структурной самоорганизации белка.

На это же указывают данные противоположного характера, касающиеся синте тических полимеров, в том числе, полипептидов, и практически всех биологических макромолекул небелковой природы. В значительной мере лишенные специфических корреляций между звеньями полимерной цепи, они ни при каких условиях не образуют идентичных для всех молекул стабильных трехмерных структур, и в крайнем случае принимают конформационные состояния с участками линейной регулярности.

Характеристики

Список файлов книги