Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
весной термодинамике. В чем же причины отсутствия заметного прогресса в развитии этой области за последние 2—3 десятилетия? Главная причина, следующая как из общих соображений, так и конкретных результатов теоретического анализа и сопоставлений с опытными данными, заключается, на наш взгляд, в принципиальной несовместимости спонтанного, быстрого и безошибочного свертывания беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в строго детерминированную трехмерную структуру, с одной стороны, и используемого для изучения данного явления аппарата классической статистической физики и равновесной термодинамики, с другой. Ни в одной работе по моделированию процесса структурной самоорганизации белка не обращено внимание на ’’противоестественность” с точки зрения этого аппарата самого феномена спонтанного возникновения высокоупорядоченной структуры из беспорядка. Сборка структуры белка является сугубо неравновесным процессом перехода от хаоса к порядку, и использованный во всех гипотетических моделях чисто статистический подход в принципе не мог привести к желанной цели.
В последующем изложении мы попытаемся обсудить несостоятельность равновесной термодинамики, решить проблему структурной организации белка и выяснить возможность в этом отношении нелинейной неравновесной термодинамики — физики открытых диссипативных систем, возникшей в первой полоцине 1980-х годов. Предпринимаемая попытка имеет, по-видимому, и более общее значение, так как биологические объекты всех уровней структурной организации являются открытыми системами. Учитывая это обстоятельство, а также демонстрируемую большинством авторов публикаций по свертыванию белковых цепей осведомленность в специфике используемого ими подхода, представляется целесообразным перед изложением общей теории самосборки белка кратко остановиться на некоторых принципиальных моментах и понятиях равновесной и неравновесной термодинамики.
15.1. ЭЛЕМЕНТЫ РАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Классическая равновесная термодинамика возникла как наука о взаимном превращении работы и энергии при наличии самой хаотичной в обычных условиях формы движения материи — тепловой. Годом рождения этой новой области физических знаний считается 1824 — год издания основного сочинения Сади Карно ’’Размышления о движущей силе огня”.
Необходимость в разработке принципиально нового, термодинамического подхода к описанию поведения макроскопических систем возникла из-за того, что решение этой задачи оказалось не под силу ни классической физике, ни позднее квантовой механике. Непреодолимые для них трудности были вызваны невозможностью составления полной системы уравнений движения для множества частиц и незнанием начальных условий. Отказавшись от попытки проследить за движением каждой молекулы (атома, иона, коллоидной частицы), авторы
433
термодинамического подхода обратились к усредненным характеристикам огромного числа частиц, ответственных за характер поведения их ансамбля как единого целого. Естественно, отказ от детального анализа влияния свойств отдельных микроскопических систем и их взаимодействия на свойство макроскопической системы и переход к изучению коллективного проявления движения сразу всей совокупности частиц не могли не сделать термодинамический подход уникальным в отношении как его достоинств, так и ограничений, и не отразиться на специфике решаемых с его помощью задач.
Перечислим необходимые и достаточные требования, которым должна удовлетворять система, чтобы она могла стать объектом изучения методами равновесной термодинамики.
1. Система должна быть макроскопической, т.е. состоять из огромного количества частиц и/или иметь множество степеней свободы.
2. Макроскопическая система должна быть замкнутой, причем изоляция от внешней среды не должна заметно сказываться на свойствах системы и протекающих в ней процессах.
3. Движение микроскопических частиц, определяющих термодинамические свойства макроскопической системы, должно иметь беспорядочный, хаотический характер.
4. Процесс, который протекает в системе, удовлетворяющей отмеченным выше условиям, может стать предметом исследования равновесной термодинамики, если он не зависит от конкретного механизма взаимодействия микроскопических частиц и деталей их внутреннего строения.
5. Рассмотрению классической термодинамики подлежат те процессы в изолированной макроскопической системе, которые могут быть представлены как равновесные, т.е. состоящие из непрерывной последовательности обратимых, равновесных состояний системы.
6. Термодинамика равновесных процессов изучает только такие свойства макроскопической системы, которые не определяются флуктуациями термодинамических параметров.
Создание термодинамической модели с помощью статистической физики означает установление корреляций между двумя — макроскопическим и микроскопическим — уровнями информации о системе, удовлетворяющей перечисленным требованиям. Первый уровень описывается ограниченным числом термодинамических параметров (функций состояния, потенциалов), а второй — статистическим представлением микроскопических состояний и вероятностными значениями их физических характеристик. Случайность в поведении макроскопической системы, выведенная в начальный момент времени предположением о вероятностно-статистическом состоянии микроскопических частиц, характеризует лишь ее исходное хаотическое состояние. Дальнейшее поведение системы диктуется динамическими законами и корреляционными соотношениями между макроскопическими и микроскопическими параметрами [3161.
