Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Существует также модель пьезоэлектрической передачи энергии [36], основанная на аналогии поведения биоструктур с поведением пьезокристаллов, которые способны использовать попеременно механическое движение и электрическое поле. На сходстве свойств некоторых минералов и биологических систем построена электретная модель коллективного поведения биологических систем [32]. Интересно отметить, что авторы приходят к выводу о существенной важности одиночных волн возбуждения (солитонов) в биологических системах (концепция солитонов А. С. Давыдова будет изложена ниже). Идея сверхпроводимости в биологических структурах, использующая неструктурные данные, развивается в работах Копа [41].
Несколько особняком стоит работа Г. Кемени [75], который для объяснения различных биоэнергетических процессов по-
стулирует существование в биоструктурах сети систем. Эти системы, по мысли автора, осуществляют проведение пар зарядов, которые двигаются в такой сети в одном направлении. Требование специального устройства биоэнергетических цепей возникает вследствие того, что деградация свободной энергии в тепло должна быть минимальной. Использование диаграмм сетей, предложенных в работе, может способствовать нахождению отсутствующих элементов биоэнергетических реакций. К сожалению, то, что концепция Кемени не базируется ни на каких конкретных структурах, которые противопоставили бы интересной самой по себе идее систем передачи энергии ряд ограничивающих условий, сделало ее слишком гипотетичной и неприемлемой для использования.
При всем многообразии рассмотренных выше концепций ни одна из них не дает описания процесса переноса энергии на уровне конкретных молекулярных устройств. Дальнейшим приближением к этому уровню являются подходы, основанные на анализе некоторых типов элементов биологических структур.
Гипотезы о специфических зонах проводимости в био-структурах. Идея о существовании специфических цепей передачи энергии в биоструктурах, о которых упоминалось в работе [75], не нова. По-видимому, одними из первых высказали мысль о миграции электронов в комплексах хлорофилла и генах по специфическим зонам Мёглих и Шён [95]. Эта идея была поддержана Р. Иорданом [69], однако, наиболее четкое' выражение она получила у А. Сцент-Дьердьи [127]. В то время только ставился вопрос о рассмотрении биологических структур в качестве твердых тел и о применимости к ним подходов, развитых в физике твердого тела, в частности, зонной теории полупроводников. Согласно Сцент-Дьердьи, «многие явления, известные в биологии, можно объяснить с позиции зон проводимости. В частности, предположение об общих энергетических уровнях дает простой ответ на вопрос, как энергия распада АТР может быть сообщена большому числу молекул, участвующих в мышечном сокращении. Другой вопрос, как белки окисления взаимодействуют друг с другом, станет понятным, если мы предположим, что один фермент связан с другим различными энергетическими уровнями, и электрон двигается не прямо от одного вещества к другому, а внутри соответствующей энергетической зоны и может переходить на более низкий энергетический уровень и отдавать энергию только там, где она требуется, чтобы совершить работу». Эта выдержка из статьи [127] показывает привлекательность представлений о зонах проводимости для объяснения биологических явлений.
Квантовохимические расчеты зон проводимости в белках и нуклеиновых кислотах. Структура белков — первичная и вторичная — может представить возможность для создания двух типов
моделей миграции энергии. Наиболее простое предположение — перенос энергии по системам о-связей вдоль полипептидной цепи по группам
R
о
было сформулировано в работе [6]. Ширина запрещенной зоны между энергетическими зонами достаточно велика — 8—10 эв. Однако, по мнению Бриллюэна, полипептидная цепь может иметь полупроводниковые свойства благодаря наличию боковых цепей, которые могут действовать как примеси. Расчет возможных полупроводниковых свойств в ^-структурах полиглицина показал, что подвижность для электронов и дырок в полипептидной цепи значительно выше, чем в системах водородных связей [125]. В дальнейшем, в работах [17, 107] с помощью квантовохимических расчетов были проанализированы возможности использования полипептидной цепи для переноса энергии. Показано, что при взаимодействии белков с полярным растворителем (водой) происходит образование энергодонорных групп (например, О—С=0“-групп) в белках. Наивысший заселенный уровень этих групп располагается вблизи зоны проводимости полипептидной цепи белка. При этом создается возможность переноса электрона от энергодонорной группы, через зону проводимости, к пространственно удаленному акцептору. Модель включает также возможность релаксационных процессов. Таким образом, несмотря на высокие значения запрещенной зоны, сближенность уровней доноров, полипептидной цепи и акцепторов электрона могут обеспечить миграцию энергии вдоль полипептидной цепи. Близкая идея лежит в основе расчетов энергетических зон и электронной делокализации в сахаро-фосфатном остове ДНК [126]. Автор не исключает возможности, что этот остов может явиться не менее эффективным проводником электронов, чем система гетероциклических оснований. Однако такие одномерные модели, по-видимому, слишком упрощают реальную ситуацию в структуре белков и нуклеопро-теидов, что будет видно из последующего изложения.
