Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
3.2.2. Физические подходы к проблеме переноса энергии в биоструктурах
В зависимости от степени приближения к реальным биоструктурам физические подходы можно подразделить на три группы: общие подходы, не рассматривающие конкретные биологические структуры; подходы на основе анализа конкретных типов биоструктур; структурно-функциональный подход, учитывающий в максимально возможной полноте молекулярные особенности биоструктур. Изложение этих подходов мы будем проводить в последовательности, соответствующей возрастанию степени приближения их к последней из перечисленных групп, которой, по-видимому, следует отдать предпочтение.
Концепция электронно-конформационных взаимодействий. Понятие конформона. Эта концепция, называемая сокращенно ЭКВ-концепция, была сформулирована М. В. Волькенштейном для объяснения эффектов понижения активационного барьера в катализе ферментами [9]. Основная идея ее состоит в том,
что энергия электронного возбуждения, возникающего в ходе реакции, трансформируется в работу перемещения атомных ядер, т. е. конформационную энергию [7]. Иными словами, электронная перестройка в ходе ферментативной реакции связана с изменением конформации белка. На языке физики твердого тела это формулируется как сдвиг электронов или электронной плотности в макромолекуле, вызывающий деформацию решетки, т. е. конформационные изменения. Эти изменения можно рассматривать как возбуждение длинноволновых фононов (напомним, что фононом является распространяющаяся со скоростью звука вибрация молекулярной решетки). Система электрон + локальная деформация решетки оказывается аналогичной полярону. Такую специфическую систему было предложено называть конформоном (от слова «конформация») [136]. Отличие конформона от полярона, по Волькенштейну, состоит в том, что первый существует в апериодических структурах. Вследствие этого он не является истинной квазичастицей и его энергия быстро диссипирует (в пределах нескольких пептидных связей). Этого, однако, может быть достаточно, чтобы вызвать значительные конформационные изменения, обусловленные уже кооперативными свойствами макромолекулы.
В работе [27] было получено и решено уравнение, описывающее сопряжение функциональной активности и конформа-ционной подвижности белков простейшей «молекулярной машины», которое можно рассматривать как уравнение движения для конформона. Таким образом, понятие конформона приобрело кроме качественного, также элементы количественного описания. Современное состояние исследований, развивающих ЭКВ-концепцию, изложено в работе [8]. Модели использования энергии конформационных изменений развиваются также в работах Л. А. Блюменфельда и его сотрудников [2, 3].
Почти одновременно с М. В. Волькенштейном понятие конформона ввели еще две группы исследователей — Д. Грин и С. Джи [58] и Г. Кемени и И. Гоклани {76]. Мы уже упоминали о представлениях Д. Грина 70-х годов об эндергонических и экзергонических центрах в супермолекулах. Было предположено, что перенос энергии между центрами осуществляется в виде дискретных пакетов свободной энергии, которые связаны с локальной деформацией белков. Такие пакеты и были названы конформонами. В настоящее время, однако, понятие конформона по Грину и Джи утратило свое значение, поскольку даже сами авторы его не используют. Г. Кемени и И. Гоклани ввели понятие конформона в контексте полупроводимости биологических структур. Объяснение полупроводящих свойств было дано с использованием представлений о состояниях высокой электронной плотности, связанной с носителями возбужденного заряда, для чего и было введено понятие конформона. В
целом, однако, во всех трех случаях это одна и та же концепция, различная в деталях, но не в принципе.
Дальнейшим развитием ЭКВ-концепции является создание теории квантовых динамических реакций [13,49]. В этих работах Догонадзе и сотр. создали общий квантовомеханический формализм для теоретического описания важнейших особенностей и кооперативных свойств химических реакций в биологических системах. Формализм основан на модели эффективного гамильтониана для среды (растворитель и белок), линейно реагирующей на внешние возмущения, и полуклассическом приближении для нелинейно реагирующей среды. В пределах этой модели формализм количественно описывает поведение различных подсистем реагирующих молекул, т. е. электронов, высокочастотной молекулярной конформационной моды и раствора. Фундаментальный вывод теории состоит в том, что реакции, включающие биологические макромолекулы, и реакции с низкомолекулярными системами описываются одним и тем же формализмом. Авторы отмечают при этом, что хотя конформационный вклад в энергию активации может быть преобладающим, он не может быть единственным, вследствие чего не было получено уравнения для определения элементарных биологических процессов только в терминах конформационной релаксации.
Туннельный механизм переноса электронов. Как мы уже упоминали, конформон может переносить энергию лишь на короткие расстояния. Однако в биологических системах этот перенос может осуществляться на расстояния порядка 20—50 А°. Для объяснения такого дальнодействующего переноса предложен ряд моделей, одной из которых является туннельный (подбарьерный) механизм переноса электронов.
