WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 12 О характере процесса релаксации энергии возникающего при высыхании коллоидального раствора белка в открытой и в закрытой системах © Е. Рапис Лаборатория прикладной физики Тель-Авивского университета, Рамат-Авив, 64239 Тель-Авив, Израиль (Поступило в Редакцию 27 декабря 2004 г.) Многочисленные экспериментальные исследования показали, что при высыхании одного и того же коллоидального раствора белка в открытой (на воздухе) и в закрытой системах возникают два различных термодинамически неравновесных процесса с различающимся характером релаксации энергии. Они продемонстрировали, что для возникновнения неравновесного состояния белка критически важно относительно быстрое удаление воды (в данном случае ее испарение) из системы белок–вода. Это может рассматриваться в какой-то мере как упрощенный экспериментальный эквивалент существующей в живом организме реакции быстрого гидролиза АТФ (аденазинтрифосфорной кислоты), поскольку при этом также происходит быстрый захват воды из системы белок–вода. Выявленная аналогия и внешнее сходство структур белка, их симметрии (ее видов и масштабов), возникающих при высыхании коллоидального раствора протеина на стекле и в живом организме, дает основание предполагать наличие сходных по термодинамическим параметрам процессов релаксации при самоорганизации неравновесного состояния белка в этих двух случаях. Отсюда появляется возможность начать исследование белка не только в равновесном, но и в неравновесном, еще малоизученном его состоянии.

Проведенные нами многолетние экспериментальные процессе самоорганизации с высвобождением порций исследования, опубликованные ранее, дают повод об- свободной энергии при ее диссипации. В данном случае судить соображения о характере релаксации энергии при высыхании раствора белка происходит структуропри высыхании коллоидального раствора белка в разных образование, динамика которого по существу отражает условиях (в открытой и в закрытой системах, в неравно- путь стабилизации энергии.

весном состоянии разной степени). Опыты убедительно Итак, появление двух различных видов релаксации и наглядно, со 100%-ной повторяемостью показали, что энергии при одном и том же процессе высыхания раствов одном и том же коллоидальном растворе (белок–вода) ра белка в слабонеравновесных и в более неравновесных в открытой (на воздухе) и в закрытой системах на твер- условиях (в закрытой и в открытой системах) объясдой подложке при комнатной температуре возникают няется действием 2-го закона неравновесной термодидва различных процесса с отличающимся характером намики. При этом один путь высыхания оказывается релаксации энергии. энергетически активным, а другой — консервативным.

В закрытой системе при медленной дегидратации Возникает вопрос: какое отношение имеет наблюдаемый возникает равновесная кристаллическая структура белка нами феномен к тому, что происходит с белком в живом с решеткой дальнего порядка на уровне A. В открытой организме Есть ли хоть что-то общее в этих совершенсистеме, в которой процесс испарения воды значительно но, казалось бы, далеких процессах — процессах жизни ускоряется, возникают более неравновесные условия. и высыхания раствора белка Характер релаксации энергии в таких системах изменя- Выявленная аналогия и внешнее сходство структур и ется. Среда возбуждается, становится активной, в ней их симметрии (ее видов и масштабов), возникающих появляются автоволновые процессы, возникает способ- на стекле и в живом, дают повод к размышлению и ность к самоорганизации. Это выражается в наличии ставят задачу выяснить причину общности. Возможно, самоподобия, копирования, размножения трехмерных что-то их сближает Для того чтобы появилась жизнь спиральных вихревых структур с серией упорядоченных с ее активностью, высокой энергией, подвижностью, дефектов. Последние достигают макроуровня, проис- неравновесностью, нелинейностью, очевидно, на роль ходит деление гомогенной массы на блоки (домены мотора живого из двух состояний белка — активного или клетки с центральной зоной — ядром), возникают и консервативного должно быть отобрано именно то, все признаки автокатализа, для которого характерно что обладает всеми свойствами активного поведения.

высокоэнергетическое состояние. Иначе говоря, логика подсказывает, что Природа в В этом случае, как видно, в белке появляются при- процессе эволюции должна выбрать для жизни более знаки, характерные для поведения различных неравно- неравновесное состояние белка. Отсюда следует, что весных систем (реакция Белоусова–Жаботинского, фе- такая форма белка представляет особый интерес для номен Бенара и др.), где непременно возникают нели- изучения живых систем. Но именно это состояние нейная динамика и высокоэнергетическое состояние в мы и обнаружили в процессе исследования высыхания 9 130 Е. Рапис раствора белка на воздухе, в открытой системе, в опытах существующей в живом организме реакции — быстроin vitro. Возможно, что в этих двух разных процессах го гидролиза АТФ, т. е. быстрого захвата воды. Тем общим, сближающим их, является именно активность самым представилась возможность из очень сложного белка, неравновесность, возникающая в открытой систе- процесса взаимодействия живых систем выделить одно ме с выраженной неравновесностью не только в живой звено: быструю дегидратацию белка (системы белок– системе, но и на стекле. Исходя из этого предположения, вода) и наглядно исследовать ее функциональную роль попробуем по-иному взглянуть на некоторые аспекты в процессе полимеризации (иначе — в синтезе) белка релаксации энергии, обеспечивающей работу белка в в упрощенном виде in vitro. Опыты также показали, неравновесном состоянии в живом организме.

что, несмотря на простоту условий, при достаточной Так, в настоящее время в биологии принято считать, скорости удаления воды возникает выраженная неравчто основным источником энергии, необходимой для новесность в системе, которая приводит к появлению работы белка (для его конформационных переходов), неравновесного состояния белка в процессах конденсаявляется быстрый гидролиз АТФ с дальнейшей фосфоции и самоорганизации.

риляцией протеина. Последняя считается источником Это позволило ответить на вопрос об источнике энергии для его синтеза и работы [1–4]. В современной энергетического потенциала in vitro при высыхании биологии можно считать общепринятым мнение о том, (конденсации) коллоидального раствора белка без АТФ, что АТФ играет ключевую энергетическую роль в рапоскольку известно, что самоорганизация сопровождаетботе белка (при его конформационных переходах) [1–7].

ся рождением свободной энергии (при ее релаксации и Несмотря на это, до сих пор остается загадкой источник минимизации) в процессе стабилизации неравновесного каталитической силы белка (энзима), его высокоэнергесостояния [8–10]. Именно этот механизм обеспечивает в тического состояния и характера процесса релаксации.

приведенных опытах работу белка, состоящую в струкС другой стороны, показано, что основой всех явлений турообразовании с конформационной его перестройкой.

в живом, в том числе и в белке, является процесс Такое объяснение полностью согласуется с концепсамоорганизации, неравновесный по определению [8,10].

цией работы [17], в которой считается, что спонтанная В то же время полученные экспериментальные данные самоорганизация является вершиной конденсации, осупозволили установить, что в неравновесных условиях ществляющей программу данной системы. По мнению при высыхании коллоидального раствора белка в отавтора, этот процесс самостоятельно способен генерирокрытой системе на твердой подложке возникает явно вать нелинейную динамику с появлением функционирувыраженное его неравновесное состояние, находящееся ющих организованных, алгоритмически повторяющихся в процессе самоорганизации [11–16]. По-видимому, в супрамолекулярных диссипативных структур от наноэтом состоит общность двух процессов.

до макромасштаба in vitro и in vivo. Эта программа Возможно, что проведенные опыты окажутся полеззапрещает системе эволюционировать в направлении ными для того, чтобы обратить особое внимание на другой сущности. Исходя их приведенных данных, можфактор спонтанной самоорганизации и выделить его из но представить себе очень схематично работу АТФ сложных, неразделимо протекающих процессов в живом in vivo как своеобразный механизм быстрого забора воды организме. Для этого, несомненно, требуется изучение с помощью фосфатной химической системы, которая динамики конденсации и структурообразования белка в формирует скоростную реакцию дегидратации протенеравновесном состоянии при выраженных неравновесина (при гидролизе АТФ) и выделение энергии при ных термодинамических условиях, которые можно смофосфориляции белка. Экстраполируя результаты опытов делировать отдельно от других процессов лишь in vitro.

in vitro, можно думать, что in vivo быстрая дегидратация Эти опыты пока не получили распространения. До сих также инициирует в системе белок–вода неравновесные пор преимущественно изучается равновесное состояусловия, которые необходимы для генерации процесса ние белка с образованием кристаллов, т. е. с решеткой самоорганизации неравновесного состояния белка.

дальнего порядка (метод рентгеноструктурного анализа Можно предполагать, что в живом организме оба и др.).

источника энергии, возникающей при самоорганизации И в то же время сделаны только первые, самые белка и зависящей от его фосфориляции, чаще всего начальные шаги в изучении неравновесного состояния взаимодействуют, создавая максимальную активность белка [11–16]. Но и они уже достаточно убедительно и подвижность в живых биологических системах. Но показали, что in vitro процессы структурообразования нельзя искючить, что in vivo возможны также отдельные и автокатализа в неравновесном состоянии белка могут варианты самоорганизации без участия АТФ.

происходить и без участия АТФ, которой при высыхании Все сказанное можно подтвердить рядом теоретичебелка попросту нет.

Опыты in vitro продемонстрировали, что для возник- ских и экспериментальных данных, а также результатами биологических исследований.

новения выраженного неравновесного состояния белка 1. Общепризнано положение о том, что работа живого критически важно относительно быстрое удаление воды (в данном случае ее испарение) из системы белок– организма, связанная с процессами самоорганизации, вода. Можно считать, что тем самым удалось экспе- осуществляется только в условиях открытой, далекой риментально получить упрощенный эквивалент реально от термодинамического равновесия системы, тогда как Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. О характере процесса релаксации энергии возникающего при высыхании коллоидального раствора... приближение к равновесному состоянию внутренней Более детальное изучение неравновесного состояния среды организма ведет к его смерти [1–9,18,19]. протеина и его роли в живом организме может ока2. Полученные нами экспериментальные данные со- заться полезным для развития протеомики (науки о белответственно показали, что процессы самоорганизации ке), биологии, биотехнологии, фармакологии, медицины белка в неравновесном состоянии с конформационными (особенно ее диагностических и лечебных аспектов), перестройками возникали при высыхании коллоидальноа также для технологии, где все большее значение го раствора белка только в открытой, далекой от терприобретают органические полимеры, в частности намодинамического равновесия системе белок–вода, хотя, ноструктуры белка.

естественно, и происходили без участия АТФ [11–16].

В заключение считаю своим приятным долгом по3. Следует отметить наличие экспериментальных и благодарить за многолетнюю моральную поддержку и клинических фактов работы белка в отсутствие АТФ:

помощь в проведении исследований, в обсуждении полунапример, работа белка в пробирке без АТФ [18,19], широко проводимая в клинической практике реакция ченных результатов, выдвинутых гипотез и высказанные антиген–антитело, работа чистого лиофилизированного при этом ценные замечания и предложения М. Амубелка при его гидратации.

сью, А. Ареля, Е. Браудо, В. Буравцева, В. Волкова, 4. Кроме того, в самое последнее время накапливается А. Заикина, М. Клингера, Л. Маневича, Ю. Неемана, все больше конкретных биологических фактов, которые И. Пригожина.

косвенно подтверждают роль неравновесности и наноструктур в работе белка в живых системах. Например, Список литературы показано, что энзимы работают с огромной скоростью, обладая уникальной способностью к синхронизации.

[1] Alberts Bruce D., Liwis J., Raff M., Roberts K., Watson // Это поведение обозначено как „нестабильная динамика“ Molecular Biology of the Cell. 1989.

белка. В частности, это касается его микротрубочек [20].

[2] Де Робертис Э., Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки.

С гидролизом АТФ, стимулирующим быструю полимеМ.: Мир, 1973.

ризацию, связывают появление условий для когерент[3] Альбертс Бруце, Брей Д. и др. // Молекулярная биология ного поведения белка [21,23]. Особенно наглядно это клетки. Ч. 5. М.: Мир, 1987.

видно на макроуровне при митозе, когда микротрубочки [4] Alberts Bruce et al. // Molecular Biology of the Cell. 1994.

как бы „собираются и разбираются“ с очень большой [5] Kimura K. et al. // Science. 1998. Vol. 282. P. 487–490.

скоростью. Важно отметить, что именно с наномасштаба [6] Evans D. et al. // Nature. 1995. Vol. 394. P. 23–26.

начинаются все процессы в живом: деление, размноже[7] Yaffe et al. // Science. 1997. Vol. 278. P. 1957–1961.

ние, функционирование и т. д., достигая макромасштаба.

[8] Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986.

[9] Winfree A. // The Geometry of Biological Time. Berlin:

Заключение Springer, 1980.

[10] Avnir D. et al. // Chem. Phys. Lett. 1987. Vol. 135. N 3.

Таким образом, проведенные экспериментальные ис[11] Рапис Е. // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 17. С. 1561– следования in vitro позволили установить в белке уни1564.

версальные термодинамические энергетические свой[12] Рапис Е. // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21. С. 13–20.

ства самоорганизации материи от нано- до макромасшта[13] Рапис Е. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. С. 28–38.

ба. Последние, как известно, присущи неорганической, [14] Рапис Е. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 1. С. 122–133.

органической и живой материи [8–10,17,19]. В част[15] Рапис Е. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 10. С. 104–111.

ности, можно считать, что в белке также возникают [16] Рапис Е. Белок и жизнь. (Самоорганизация и симметрия диссипативные структуры в неравновесных условиях в наноструктур белка). Иерусалим; Москва: ЗЛО „Милтаходе стабилизации его неравновесного высокоэнергетиПКПТИТ“, 2003. С. 257.

ческого состояния. Это значит, что механическую работу [17] Lehn J.M. // PNAS. 2002. Vol. 99. N 8. P. 4763–4768.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.