ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

М. В. ВОЛЬКЕНШТЕЙН

Биофизика есть физика сложных макроскопических молеку­лярных систем — клеток и организмов. Их функционирование, реализуемое в условиях относительно малых изменений темпе­ратуры и давления, определяется в конечном счете химическими, молекулярными процессами. Организм есть химическая машина, управление и регуляция которой осуществляются посредством молекулярных сигналов, молекулярных источников, преобразо­вателей и рецепторов информации.

Физика биологически функциональных молекул, к - которым в первую очередь относятся молекулы белков и нуклеиновых кислот, изложена в монографии [1]. Приведем здесь некоторые основные положения молекулярной биофизики.

Живая система принципиально гетерогенна. Она построена из множества различных низко - и высокомолекулярных веществ. Очевидно, что свойственные живым системам механизмы управ­ления и регуляции, механизмы молекулярной сигнализации не могли бы функционировать в гомогенной системе, построенной из однотипных молекул. Гетерогенность присуща всем уровням биологической организации вплоть до структуры отдельной био­логической макромолекулы — нуклеиновой кислоты или белка. Эти информационные макромолекулы представляют собой своего рода тексты, записанные соответственно четырех - или двадцатибуквенным алфавитом. Существенны именно структур­но-функциональные различия между разными «буквами» одного и того же текста. Гомогенные макромолекулы гомополимеров содержатся в живых организмах, но не участвуют в наиболее важных процессах биосинтеза и метаболизма. Они выполняют опорную функцию (например, целлюлоза в растениях), служат в качестве депо необходимых веществ (крахмал в растениях, гликоген в животных) и т. д.

Уже малые индивидуальные различия в структуре функцио­нальных атомных групп (например, различия изомерных угле­водородных радикалов), практически не играющие роли в обыч­ной химии, оказываются весьма существенными для реализа­ции тонкого химического баланса в живой системе. Высокий уровень химической и структурной индивидуализации неразрыв­но связан с биологической функциональностью. Одно из прояв­лений такой индивидуализации — хиральность биологических мо­лекул, обладающих определенными оптически-активными кон­фигурациями (см. [1], § 2.6).

Чрезвычайное многообразие молекул в живых системах не означает очень широкого многообразия «химических мотивов», в них представленных. Напротив, оно возникает в результате различного комбинирования ограниченного числа атомных групп, принадлежащих к еще меньшему числу классов органи­ческих соединений. Все белки, начиная с вирусных и кончая бел­ками, образующими наиболее сложные организмы растений и животных, строятся из двадцати канонических аминокислот, все ДНК—из четырех нуклеотидов. Те же или сходные группи­ровки фигурируют в ряде биорегуляторов (см. [1], § 2.9). Это химическое единство живой природы непосредственно связано с пройденным ею путем химической и биологической эволюции (см. гл. 9).

Основные биологически функциональные вещества — биопо­лимеры, белки и нуклеиновые кислоты—представляют собой макромолекулы, содержащие единичные связи, не сопряженные с двойными связями. Внутренние повороты вокруг единичных связей приводят к появлению поворотных изомеров (ротаме - ров), т. е. к различным конформациям цепи. Статистическая механика макромолекул основана именно на рассмотрении их флуктуирующего ротамерного строения ([1], гл. 3, [2—4]). Конформационная гибкость биополимерных молекул опреде­ляет их важнейшие физико-химические и, в конечном счете, биологические свойства — возникновение и динамику специфи­ческой пространственной структуры, отбираемой в процессе эволюции.

Отсутствие делокализованных л-электронов в биополимер­ной цепи непосредственно доказывается ее гибкостью. Гибкая цепь не содержит сопряженных связей. Конформационная под­вижность означает отсутствие л-электронной подвижности.

Особо важная роль конформационных движений в биологи­ческой функциональности биополимеров связана с тем, что их участие в биохимических процессах прежде всего каталитиче­ское. ДНК и мРНК являются матричными катализаторами био­синтеза белка ([1], гл. 9), белки действуют как ферменты ([1], гл. 6, 7). Эти биополимеры сохраняют свою целостность в биохимических процессах. Основой биомолекулярных процес­сов является молекулярное узнавание, определяемое слабыми взаимодействиями (см. ниже). Соответственно динамика таких процессов есть прежде всего конформационная динамика, так как само существование различных конформаций и их измене­ния также определены слабыми невалентными взаимодей­ствиями, что дает возможность реализовать биомолекулярные процессы в мягких условиях и поддерживать эти условия. В от­личие от обычной химии, в которой конформационные превра­щения имеют значение второстепенное по сравнению с элек­тронными перестройками, в биохимии и те и другие процессы связаны неразрывно. Каталитическая функция белков и нуклеи­новых кислот означает их непосредственное участие в электрон­ных перестройках соответствующих субстратов, но это участие реализуется посредством конформационной подвижности. Тем самым, актуальной (но еще далеко не изученной) проблемой молекулярной биофизики является исследование электронно - конформационных взаимодействий (ЭКВ) в биологических мо­лекулярных и надмолекулярных системах ([1], § 6.7). Именно явления ЭКВ, а не особые электронные (например, полупровод­никовые) свойства белков и нуклеиновых кислот (свойства, по - видимому, несуществующие или несущественные) ответственны за их биологическую значимость. Специфические электронные свойства, сводящиеся прежде всего к делокализации я-электро - нов в системе сопряженных связей, присущи многим низкомоле­кулярным соучастникам ферментативных процессов — ряду ко - ферментов, простетическим группам и т. д. Эти свойства регу­лируют ЭКВ в биополимере.

Биологически функциональна целостная пространственная структура молекулы белка. Эта конформационная структура полипептидной цепи поддерживается и стабилизируется опять - таки главным образом слабыми взаимодействиями ([1], гл. 4). Возникает глобула — апериодический кристалл, своеобразная молекулярная машина, поведение и свойства которой зависят от индивидуального поведения и положения каждого ее эле­мента. Все элементы белковой молекулы связаны друг с другом сильными химическими взаимодействиями вдоль полипептидной цепи и целой гаммой слабых невалентных взаимодействий. Бел­ковая глобула есть система. Иными словами, поведение ее коо­перативно на всех уровнях строения, начиная с первичной структуры. Кооперативна любая полимерная цепь, так как кон - формация данного ее звена не независима от конформаций соседних звеньев. В этом смысле рассмотрение свойств биоло­гических макромолекул основывается на ряде положений фи­зики конденсированного состояния, физики твердых и жидких тел. Процессы денатурации биополимеров, в частности переходы спираль — клубок ([1], §§ 4.5, 8.4), подобны фазовым переходам, в частности, плавлению кристалла.

Изучение денатурации белков проводится с целью получения информации о структуре и свойствах нативных молекул. Это — грубый способ. Сведения о сложной машине получаются путем ее разрушения. Наиболее мощный метод познания структуры биополимеров — рентгенографический ([1], §§ 5.1, 5.2). Вместе с тем очень велика и роль ряда других методов, прежде всего спектральных и оптических ([1], гл. 5,7), являющихся сегодня более доступными и дающих более разнообразную информацию, чем рентгенография. Конечно, эта информация гораздо менее точна и детальна.

В молекулярной биофизике как таковой, т. е. в физике бел­ков и нуклеиновых кислот, не возникают проблемы, связанные с неравновесным поведением живой открытой системы. Биопо­лимеры исследуются in vitro на тех же основаниях, как и любые другие вещества, не участвующие в процессах жизнедеятельно­сти. Именно это обстоятельство определило быстрое развитие молекулярной биофизики, ставшей сегодня наиболее разрабо­танной областью биофизики в целом.

ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ЗРЕНИЕ

Воздействие света на живые организмы не ограничивается фотосинтезом. Гетеротрофные организмы для своего существо­вания должны получать информацию о пище, а на более высо­ких уровнях развития и о других факторах жизни, связанных …

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕМБРАНАХ

Мембраны клеток и внутриклеточных органоидов в значи­тельной степени определяют их свойства. Естественно думать, что и периодические процессы, присущие живым организмам, связаны с периодическими явлениями в мембранах. Нелинейное поведение возбудимых мембран …

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биоэнергетические процессы, приводящие к синтезу АТФ, к зарядке «биологических аккумуляторов», протекают в специали­зированных мембранах митохондрий. Именно здесь локализо­ваны и пространственно организованы молекулярные системы, ответственные за энергетику живых организмов. Синтез АТФ …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.