Общая биофизика

М. В. ВОЛЬКЕНШТЕЙН

ОБЩАЯ БИОФИЗИКА

МОСКВА «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1978

ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

МОСКВА «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ 1978

ЛИТЕРАТУРЫ

57.04 В 71 УДК 577.3

Общая биофизика, В о л ь к е н ш т е й н М. В. Монография, Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1978. Монография посвящена основным проблемам физики надмолекулярных биологических систем — биофизики клетки и общим вопросам биофизики. Рассмотрены молекулярные основы биофизики, термодинамическая теория неравновесных процессов в открытых системах. Дано подробное изложение современных представлений о мембранном транспорте, распространении и генерации нервного импульса, о механохимических процессах (в частности, о мышечном сокращении), о сопряженных процессах в митохондриях, о фотобиологических процессах (фотосинтез, зрительная рецепция). В заключительных главах книги рассмотрены нелинейные процессы (в частности, колебательные) и проблемы эволюционного и индивидуального развития. Особенность книги состоит в изложении биофизики как части единой физической науки. Табл. 21, илл. 221, библ. 1104 назв.

_ "

21005—052 ,„„

Г.СО ,Пс\ т о 053 (02)-78

123-77

© Главная редакция

физико-математической литературы издательства сНаука», 1978

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

7

Г л а в а 1. Молекулярные основы биофизики § 1.1. Содержание молекулярной биофизики § 12. Молекулярное узнавание § 1.3. Взаимодействие антиген — антитело § 1.4. Рецепция запаха § 1.5. Межклеточные взаимодействия § 1.6. Молекулярная регуляция биосинтеза белка § 1.7. Биосинтез белка в клетках эукариотов

9 9 12 17 . 28 34 38 43

.

Г л а в а 2. Термодинамика неравновесных систем § 2.1. Функция диссипации § 2.2. Сопряжение химических реакций § 2.3. Стационарное состояние линейной системы § 2.4. Сопряжение химических реакций с процессами диффузии § 2.5. Процессы, удаленные от равновесия § 2.6. Энтропия § 2.7. Энтропия и информация в биологии

51 51 58 62 . . . . 67 . . 72 79 87

Г л а в а 3. Мембранный транспорт 96 § 3.1. М е м б р а н ы клетки 96 § 3.2. Т е р м о д и н а м и к а пассивного м е м б р а н н о г о т р а н с п о р т а .101 § 3.3. Т е р м о д и н а м и к а активного м е м б р а н н о г о т р а н с п о р т а . . . . . .111 § 3.4. Т е р м о д и н а м и ч е с к а я модель н а т р и е в о г о насоса 116 § 3.5. М о д е л ь н а я т е о р и я пассивного ионного т р а н с п о р т а .121 § 3.6. М о д е л ь н а я теория активного ионного т р а н с п о р т а . . . . . . . 130 § 3.7. С т р у к т у р а мембран 136 § 3.8. К о н ф о р м а ц и о н п ы е свойства м е м б р а н 142 § 3.9. И н д у ц и р о в а н н ы й ионный т р а н с п о р т 151 Г л а в а 4. Нервный импульс § 4.1. Аксон и нервный импульс § 4.2. Распространение нервного импульса § 4.3. Генерация импульса § 4.4. Активация и инактивация натриевой проводимости § 4.5. Синаптическая передача Г л а в а 5. Механохимические процессы § 5.1. Термодинамика механохимических процессов . § 5 2. Структура мышцы и мышечных белков § 5.3. Биохимия и механика мышцы § 5.4. Термомеханические свойства мышцы § 5.5. Теории мышечного сокращения § 5.6. Теория стационарного мышечного сокращения § 5.7. Теория термомеханических свойств мышцы § 5.8. Инициация мышечного сокращения

.

. 160 160 175 .185 193 206 .

.

.

.

.

.

.211 211 219 226 232 238 246 252 258

15

ОГЛАВЛЕНИЕ

§ 5.9. Кинетические свойства мышцы § 5.10. Задачи физики мышцы § 5.11. Движение жгутиков и ресничек § 5.12. Другие механохимические системы

264 268 270 276

Г л а в а 6. Сопряженные процессы в митохондриях 280 § 6.1. Биологическое окисление 280 § 6,2. Строение и свойства митохондрий 288 § 6.3. Термодинамика окислительного фосфорилирования . . . . . . 293 § 6.4. Хемиосмотическое сопряжение 298 § 6.5. Экспериментальные исследования хемиосмотического сопряжения . 307 § 6.6. Электронно-конформационные взаимодействия . 314 § 6.7. Цитохром с 327 Г л а в а 7. Фотобиологические процессы <j 7.1. Фотосинтез § 7.2. Хлорофилл и другие пигменты § 7.3. Две фотохимические системы § 7.4. Исследования флуоресценции § 7.5. Ферментативные процессы фотосинтеза § 7.6. Хлоропласты § 7.7. Первичные физические процессы фотосинтеза § 7.8. Зрение " § 7.9. Молекулярный механизм фоторецепции . § 7.10. Мембраны фоторецепторов Г § § § § § § § § § § § §

334 334 339 347 355 359 361 370 372 379 387

л а в а 8. Н е л и н е й н ы е д и н а м и ч е с к и е процессы 393 8.1. В в е д е н и е 393 8.2. Ф и з и к о - м а т е м а т и ч е с к и е основы кинетики нелинейных процессов . . 397 8.3. А в т о к а т а л и т и ч е с к и е химические системы . 408 8.4. Н е л и н е й н ы е х и м и к о - д и ф ф у з и о н н ы е системы . . . . . . . . . 418 8.5. П е р и о д и ч е с к и е химические р е а к ц и и . 423 8.6. Н е л и н е й н ы е ф е р м е н т а т и в н ы е процессы 433 8.7. А в т о к о л е б а н и я в ф е р м е н т а т и в н ы х р е а к ц и я х 440 8.8. А в т о к о л е б а н и я п р и ф о т о с и н т е з е 446 8.9. П е р и о д и ч е с к и е я в л е н и я в м е м б р а н а х 451 8.10. Ф и б р и л л я ц и я в о з б у д и м о й с р е д ы . . . . . . . . . . . . . . 455 8.11. Н е л и н е й н о с т ь и р е г у л я ц и я 463 8.12. Н е л и н е й н ы е д и н а м и ч е с к и е процессы и ф а з о в ы е переходы . . . . 4 6 5

Г л а в а 9. Проблемы развития 473 § 9.1. Ж и в а я природа . 473 § 9.2. Происхождение жизни . 476 § 9.3. Теория добиологической эволюции 483 § 9.4. Полинуклеотпдные и полипептидные системы 492 § 9.5. Термодинамика и эволюция . 499 § 9.6. Теория перехода к биологической эволюции 504 § 9.7. Физико-химические основы биологической эволюции и ценность. информации 509 § 9.8. Ценность информации и генетический код . . . . . . . . . 521 § 9.9. Онтогенез 528 § 9.10. Теоретическое моделирование онтогенеза . . 535 § 9.11. Иммунитет 543 Литература 557 Предметный указатель , . . , . 588

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга представляет собой вторую часть монографии, посвященной современной биофизике. Первая часть — «Молекулярная биофизика» — опубликована в 1975 г. Исходная идея, лежащая в основе этой двухтомной монографии, состоит в том, что биофизика есть физика явлений жизни, а не вспомогательная область биологии или физиологии. В «Молекулярной биофизике» изложена физика важнейших для жизни биологических макромолекул — белков и нуклеиновых кислот. В данной книге рассматриваются биологические явления, реализующиеся на надмолекулярном и клеточном уровнях строения. Эти сложные процессы протекают в организмах преимущественно в условиях, далеких от термодинамического равновесия. Соответственно, их теоретическое исследование основывается на термодинамике необратимых процессов, на кинетике. Организмы, клетки, надмолекулярные биологические структуры представляют собой динамические, а не статистические системы. Теория таких систем находится в начальной стадии своего развития. Тем не менее ряд научных фактов и положений, относящихся к этой области физики, установлен надежно. В отличие от многих книг, посвященных биофизике, здесь предпринята попытка по возможности отделить физику явлений жизни от физиологии как таковой. Те или иные явления рассматриваются на основе общих физических принципов, а не на основе физиологической классификации явлений. Поэтому, например, рецепция запаха описана в связи с явлениями молекулярного узнавания, осязательная рецепция — в связи с механохимическими процессами, а зрительная рецепция — в главе, посвященной фотобиологии. Современная физика — единая наука о строении и свойствах вещества и полей, о строении и свойствах материи — должна служить теоретической основой любых областей естествознания. Это уже реализовано в-химии. Ввиду чрезвычайной сложности биологических явлений теоретическая биология развивалась пока практически независимо от физики. Однако процесс объединения этих дисциплин уже начался. В книге соответственно рассматриваются и некоторые общебиологические проблемы, в том числе и важнейшие из них, а именно проблемы развития,

8

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основное внимание в книге уделено теоретико-физическому рассмотрению биологических явлений. Однако описаны и экспериментальные факты. Книга представляет собой обзорную монографию, которая может служить также пособием для научных работников, аспирантов и студентов, занимающихся биофизикой и обладающих необходимым знанием физики. Книгу можно читать и независимо от «Молекулярной биофизики» при некотором знакомстве с белками и нуклеиновыми кислотами. В ряде глав изложены результаты, полученные автором и его сотрудниками. Параграфы 3.5, 3.6, 4.3, 4.4, 5.6, 5.8, 8.6, 9.8, 9.11 основаны целиком на оригинальных работах. Я благодарю за множество ценных советов и замечаний А. М. Жаботинского и Д. С. Чернавского. Я благодарю также Л. А. Блюменфельда.Г. П. Георгиева, Б. Ф. Диброва, А. А. Красновского, В. И. Кринского, Е. А. Либермана, М. А. Лившица, Н. Я. Орлова, М. А. Островского, Е. Е. Селькова, Е. Е. Фесенко и С. Н. Фишман за предоставленные ими материалы и полезные советы. М.

Волькенштейн

ГЛАВА

1

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ

§ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКИ

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

10

ГЛ. 1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ

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 Д Н К — и з 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 (ротамеров), 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 я-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 асего конформационная динамика, так как само существование различных конформаций и их измене-

§ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКИ

И

ния 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 электронноконформационных 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, повидимому, несуществующие или несущественные) ответственны за их биологическую значимость. Специфические электронные свойства, сводящиеся прежде всего к делокализации л-электронов в системе сопряженных связей, присущи многим низкомолекулярным соучастникам ферментативных процессов — ряду коферментов, 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 опятьтаки 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 конформация 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

12

ГЛ. 1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ

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. § 1.2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ

Узнавание (распознавание) сигнала рецептором есть основное свойство регулируемой и регулирующей системы, будь то человеческий мозг или электронная вычислительная машина. Такого рода системы являются узнающими [5]. Они осуществляют классификацию объектов, информация о которых сообщается рецепторам. Эта классификация основывается на некотором принципе, заложенном в системе. Узнающие системы могут быть не обучающимися и обучающимися. Вторые представляют особый интерес для кибернетики, теории автоматического регулирования, для моделирования деятельности головного мозга животных и человека и т. д. В качестве примера обучаемой узнающей системы можно назвать перцептрон — схему, моделирующую важные черты работы мозга, прежде всего его способность узнавать и классифицировать сигналы, получаемые полем рецепторов [5, 6]. Очевидно, что возможность обучения узнающей системы определяется ее способностью обучаться, т. е. наличием в ее устройстве элементов памяти. Узнавание сигналов такой системой и является обучением с последующим «экзаменом» [5]. Способность обучаться, т. е. узнавать, запрограммирована в устройстве системы. Обращаясь к глубинным уровням биологической организации, мы встречаемся с обучаемыми клеточными системами и с необучаемыми молекулярными системами узнавания. Клеточное узнавание имеет принципиальное значение для процессов развития, в частности, для возникновения иммунитета (см. § 9.11). Молекулярное узнавание определяет все важнейшие молекулярно-биологические процессы — ферментативную

§ 1.2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ

13

активность, редупликацию ДНК, все этапы биосинтеза белка, взаимодействие антиген — антитело (см. § 1.3) и т.д. Молекула белка-фермента узнает молекулу субстрата или некоторую ее часть, как, например, в случае протеолитических ферментов, катализирующих гидролиз пептидных связей. Узнавание выражается в образовании реакционного комплекса со специфическим субстратом. Комплексы с ингибиторами и активаторами, с аллостерическими эффекторами также возникают в результате специфического узнавания. В узнавании участвуют непосредственно активный центр фермента, включающий и соответствующий кофактор, и косвенно вся белковая глобула. Само образование глобулы можно трактовать как результат узнавания, в частности, узнавания гидрофобных остатков гидрофобными же остатками, вследствие чего формируется ядро глобулы. Более простой случай узнавания реализуется при комплементарном связывании нуклеотидов в двойной спирали ДНК, в гибридной двойной спирали ДНК — РНК, в синтетических полинуклеотидах, при взаимодействии кодон — антикодон. В биосинтезе белка ([1], гл. 9) мы встречаемся с ферментативным узнаванием, происходящем в акте транскрипции, в котором необходимым образом участвует РНК-полимераза, и в акте трансляции, где узнающими системами, наряду с мРНК, служат аминоацил — тРНК-синтетаза, вся рибосома и ряд других факторов. Из приведенных выше данных следует определение термина «молекулярное узнавание». Это понятие имеет смысл применительно к системам, в которых узнающее устройство сохраняет свою целостность в акте узнавания и в ряде случаев возвращается в исходное состояние, совершив преобразование молекулярного сигнала. Одна молекула фермента перерабатывает множество молекул субстрата, одна рибосома «читает» весь текст, записанный в цепи мРНК. Можно было бы говорить о молекулярном узнавании и применительно к обычным химическим реакциям, причем с тем большим основанием, чем они специфичнее. Однако «узнающий» реагент изменяется радикальным образом в ходе реакции и утрачивает способность к дальнейшим актам узнавания. Таким образом, применяемое здесь определение молекулярного узнавания указывает на специфичность слабых, главным образом нехимических взаимодействий молекул. Для узнавания существенно стерическое соответствие структуры рецептора и структуры сигнальной молекулы, соответствие, фиксированное или индуцируемое. Специфическое понижение свободной энергии происходит вследствие многоточечного взаимодействия, которое и описывается как континуальное соответствие молекулярных поверхностей и находит свое наглядное выражение в атомных

14

ГЛ. I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ

моделях. В сущности, старое представление Фишера о соответствии «ключ — замок» и сводится к узнаванию. Достижение соответствия, как правило, связано с определенной перестройкой взаимодействующих систем и, следовательно, с конформационными превращениями. Реализуются электронноконформационные взаимодействия — ЭК.В. Молекулярное кодирование в биологии основывается в конечном счете на молекулярном узнавании. Генетический код связан с функционированием ряда узнающих систем, перечисленных выше. Естественно возникает вопрос о ферментном коде, т. е. о классификации соответствий между активными центрами ферментов и субстратами. Громадное число комбинаций из 20 сортов аминокислотных остатков на поверхности реактивной полости фермента, в его активном центре, обеспечивает практически неограниченное многообразие функциональности ферментов. Можно думать о наличии фиксированных комбинаций, кодирующих узнавание характерных атомных групп субстратов. Точнее, следует говорить о кодовых сорбирующих комбинациях и о кодовых каталитических комбинациях, действующих согласованно, но пространственно разделенных. Имеются некоторые указания на возможность существования такого кода. Так, важный для катализа остаток Сер содержится в активном центре ряда эстераз, протеиназ и фосфомутаз [7]. Для многих из этих ферментов характерна последовательность

Установлено, что Сер «узнает» ацильную группу, будучи ее промежуточным акцептором |8]. Подробно изучены кодовые свойства и других функциональных групп ферментов: имидазольной группы Гис, е-аминогруппы Лиз, карбоксильных [9], сульфгидрильных и дисульфидных групп [10]. Тем не менее, сегодня можно лишь поставить проблему ферментного кода. Решение этой проблемы требует обширной и разнообразной информации о структуре активных центров, получаемой прежде всего методом рентгеноструктурного анализа. Взаимодействие, определяющее узнавание субстрата или ингибитора белком, есть процесс передачи информации молекулярным сигналом рецептору. Как подчеркивает Кастлер, в большинстве реальных случаев передается не вся информация, содержащаяся в данном объекте, но лишь некоторая ее часть, именуемая сигнатурой [11]. Сигнатурой молекулы служат все те ее особенности, благодаря которым она становится участником данной реакции. В случае образования фермент-субстратного

§ 1.2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ

15

комплекса сигнатурой субстрата являются его функциональные группы, взаимодействующие с активным центром. В свою очередь, сигнатура фермента есть его активный центр, т. е. ограниченная совокупность аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. Узнавание сводится здесь к структурному соответствию молекулярных сигнатур, реализуемому в результате многоточечных слабых взаимодействий. Если обратиться к обучаемым узнающим системам, возникающим на более высоких уровнях биологической организации, то станет очевидным, что в результате обучения система должна перестать «обращать внимание» на несущественные обстоятельства [5]. Иными словами, система обучается узнаванию сигнатуры. Совершенство молекулярного узнавания имеет первостепенное значение для молекулярной биологии и биофизики, в частности, для процессов развития и эволюции (см. гл. 9). Специфичность ферментов не абсолютна. Данный фермент зачастую катализирует не определенную реакцию одного строго заданного субстрата, а однотипные реакции группы сходных субстратов. Это определяется двумя причинами. Первая непосредственно связана с общей программой онтогенеза и филогенеза, приводящей к оптимальной экономии числа действующих белков. В тех ситуациях, в которых биологически существенна одна и та же реакция группы родственных субстратов, она может быть эффективно реализована единственным ферментом. Конечно, вся названная группа должна характеризоваться одной и той же сигнатурой или близкими сигнатурами. Вторая причина наличия конечного интервала специфичности имеет молекулярно-кинетический характер. Реальная молекулярная узнающая система, фермент, предназначена не только для узнавания сигнала, но и для его достаточно быстрого преобразования. Степень специфичности узнавания, вообще говоря, симбатна степени связывания субстрата, т. е. выражается свободной энергией взаимодействия. Если выигрыш свободной энергии слишком велик, то прочность фермент-субстратного комплекса может быть настолько большой, что число оборотов фермента окажется чрезмерно низким. Необходимо оптимальное соотношение между стабильностью и скоростью преобразования [12]. Эта ситуация с особенной ясностью проявляется в более простых случаях узнавания в полинуклеотидах и нуклеиновых кислотах. Приведем две таблицы, заимствованные из [12]. Табл. 1.1 характеризует точность узнавания азотистых осно* ваний РНК. Комплементарные пары АУ и ГЦ оказываются действительно наиболее прочными; так, АУ значительно прочнее АА или УУ. Однако возможно образование и некомплементарных пар, что и является одной из важнейших причин мутагенеза.

ГЛ. 1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ

16

Константы стабильности достаточно низки, вследствие чего образование пар в полярных средах затруднено. Таблица

1.1

Константы ассоциации Клсс при спаривании оснований в неполярных растворителях С 6 Н 6 и СС! 4 при 25 °С (2', 3', 5'-О-замещенные рибонуклеозиды) [12]

""v.

ссь с„н„ У А Ц Г

*ассУ

^ \ 15

150

моль _ 1

А 45

< 28 < 1,12 - 10'

8

550

22

< 28 < 1,2- 103

28

Ц

Г

оо}

Следовательно, в стационарном состоянии, близком к равновесию, продукция энтропии а минимальна (действительно, д*