ТЕРМОДИНАМІКА МЕХАНОХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Як показано в гол. 3 та 4, хімічна енергія, запасена насамперед в АТФ, трансформується в осмотичну та електричну роботу в процесах мембранного транспорту. Це – біоенергетичні процеси. До біоенергетичних належать і механохімічні процеси, у яких хімічна енергія трансформується у механічну роботу.
Життя неможливе без механічного руху. Будучи «хімічними машинами», клітини та організми виконують механічну роботу, переміщаючись як ціле або роблячи переміщення своїх функціональних частин у полі сили тяжіння, долаючи опір повітряного чи водного середовища тощо. буд. Її джерелом тому може бути теплова енергія. Природно думати, що механічна робота живої системи здійснюється за рахунок хімічної або (і) електричної енергії.
Конформаційні перетворення білків - зміни вищих рівнів їх структури - означають просторове переміщення атомів та груп атомів, що входять до складу макромолекул. Якщо таке переміщення відбувається у полі зовнішніх сил, то відбувається механічна робота. Її джерелом може бути вільна енергія, що виділяється під час ферментативної реакції. Можна, отже, трактувати конформаційне перетворення білка як механохімічний процес, т. е. прямого перетворення хімічної енергії на механічну роботу. Приватним випадком такого процесу, що реалізується на мікроскопічному рівні, є створення напруженого стану субстрату у фермент-субстратному комплексі (див. [1]). У свою чергу, механічна енергія, запасена в деформованій молекулі субстрату, використовується для її хімічного перетворення.
Поки справа обмежується ферментативною реакцією у розчині, такетлумачення дає мало нового. У будь-якій хімічній реакції відбувається переміщення атомів, але це не дає підстав називати реакцію механохімічним процесом.
Фермент — дуже велика молекула, але говорити про її механохімічні властивості немає сенсу. Це лише заміна терміна «конформаційний» на термін «механічний».
Говорячи про механічну роботу, ми маємо на увазі рух у полі зовнішніх сил макроскопічної, надмолекулярної системи. Очевидно, що якщо молекули ферменту входять до складу такої системи, то за належної її організації вона може загалом здійснювати механічний рух і виконувати роботу за рахунок вільної енергії хімічної ферментативної реакції. Отже, робочі речовини механохімічних систем у живих організмах чи частина таких речовин можуть бути білками – ферментами. Більше того, вони мають бути ними. Джерело механічної роботи – хімічна енергія. Але будь-які біохімічні реакції протікають з обов'язковою участю ферментів. Механохімія живих систем є ферментативною механохімією. Як ми побачимо, важко уявити яку-небудь іншу причину механохімічного процесу в клітині і в організмі, крім конформаційних перетворень білків у надмолекулярних системах, в результаті яких розвиваються зусилля, що тягнуть або штовхають.
Перш ніж звернутися до безпосереднього розгляду біологічних механохімічних процесів, необхідно ознайомитися з їх термодинамічних основ.
Перетворення хімічної енергії на механічну роботу і назад може виконуватися циклічно працюючою «машиною», що повертається після кожного циклу у вихідний стан. Зміни, які перебувають у переході робочих речовин від одного хімічного потенціалу до іншого з одночасним виробництвом роботи, відбуваються у зовнішнійпо відношенню до «машини» середовища. Такою машиною може бути, наприклад, полімерне поліелектролітне волокно, довжина якого змінюється при зміні рН середовища. Термодинамічний дослідження механохімічних циклів було проведено в роботах [2-4].
Загальна зміна внутрішньої енергії системи («машини») дорівнює
Де dW - механічна робота, що виробляється системою, drii - кількість і-ї речовини, введеної з резервуара в систему при хімічному потенціалі цг-, tyde - електрична робота і т. д. Обмежимося термічними, механічними і хімічними процесами і відвернемося від tyde членів рівняння.
Механічну роботу можна відповідно до теорії пружності виразити через тензори напруг Pj% і деформації
DW = V Z pikdaik, (5.2)
Де V-обсяг твердого тіла. Для однорідних твердих тіл зручніше висловити роботу через сНли та усунення
TOC \o "1-3" \h \z dW=Zfi dL. (5.3)
Розглянемо однорідні волокна довжини I, що розтягуються силою /. Маємо
DE = TdS-pdV + f dl + Ziii dnt. (5.4)
Інтегральна форма цього рівняння записується як
E = TS - pV + fl + І'№ + Vqnq, (5.5)
Де tig – число молекул, що утворюють волокно. Число незалежних змінних дорівнює s + 4. Можна переписати (5.5) у формі
Де Pj - Інтенсивні величини Т, р, /, Ці, \yq, a Kj - Екстенсивні змінні S, V, І, пі і під. Термодинамічні потенціали мають вигляд
Р> та Kj виражаються через приватні похідні
Мал. 5.2. Механохімічний цикл площині f, I.
Мал. 5.1. Механохімічний цикл площині ц, п.
Навпаки, крива 1(f) при постійному значенні п подібна до адіабаті. Така крива називається ізофорою. На площині ц,, п ізо - потенціали та ізофори представляться прямимилініями, паралельними до осей координат (рис. 5.1). Криві ц(п) на цій площині називаються ізотонічними при постійній силі та ізометричними при постійній довжині зразка.
Цикл на площині f I зображений на рис. 5.2. Робота представиться виразом
W = - ^ / dl = ^ ц, dn + ^ і - dn = (щ - ц,2) An, (5.11)
Подібним з виразом для роботи в циклі Карно
W = §pdV = (Г, - 7j) AS. Істотна відмінність цих двох випадків у тому, що
Механохімічну машину не можна охарактеризувати коефіцієнтом корисної дії, подібним до
Оскільки хімічний потенціал немає абсолютного нуля. механохімічного процесу зручно подати у вигляді відношення роботи, отриманої в реальному циклі, до роботи ідеального оборотного циклу
Ц' = _ ф / dl/§ x dn. (5.12)
Перейдемо тепер до нерівноважної термодинаміки. При розтягуванні полімерного механохімічного волокна в ізобаричному та ізотермічному процесі відбувається зміна вільної енергії [6]
(dG)T, p = fdl-adl, (5.13)
Де – спорідненість, – хімічна координата. Рівняння (5.13) визначає внутрішню механічну силу та спорідненість
У рівноважному стані ці перші похідні від G дорівнюють нулю. Маємо
Тут індекс eq відноситься до рівноважного стану, б / - відхилення / і від рівноважних значень. З написаних співвідношень випливає
З диференціальних термодинамічних співвідношень випливає, що
V а"нсі Л V аінсі Jf V д1 ''
Для механічної стійкості необхідно, щоб df/dl було позитивним. Значить, дійсно, якщо (dl/dnna)f 0. Зворотний ефект 20. НС1 НС1 полягає в зменшенні рН середовища,
Naf)H Na0H. Na0H 5 70 75 20 t& 30 35хв
Мал. 5.3. Циклічна деформація нуклеогістоновоговолокна при періодичній зміні рН. По осі ординат відкладено довжину волокна в умовних одиницях.
Оточує полікислотне волокно при його розтягуванні [7]. Таким чином,
_уДінсЛ V df Лнсі
Механохімічна природа біологічної скорочувальної системи була вперше відкрита в класичних роботах Енгельгардта та Любимової, які вивчали міозин - білок, виділений з м'язового волокна [8]. При додаванні АТФ настає скорочення міозинових волокон, що має оборотний характер. Природно, що відбувається і зворотний процес перетворення механічної роботи на хімічну енергію скоротливого білка. Спостерігалося усунення ізоелектричної точки білка - кератину - при його деформації [9]. У роботі [10] було досліджено зміну рН середовища при механічному розтягуванні нуклеогістонового волокна, що знаходиться в ній. На рис. 5.3 показано циклічну деформацію нитки нуклеогістону при періодичній зміні рН середовища.
Механохімія поліелектролітних волокон очевидно визначається конформаційними перетвореннями макромолекул. Перетворення ці кооперативні. Константи дисоціації іонізованих груп у полімері інші, ніж для мономеру внаслідок електростатичного відштовхування сусідніх заряджених груп. Ступінь відштовхування залежить від конформації ланцюга [11, 12]. Ці явища знаходять своє вираження у кривих потенціометричного титрування поліелектролітів.
При не дуже малих силах, достатніх для орієнтації поліелектролітного ланцюга як цілого, довжина ланцюга виражається рівнянням (див. [1], § 3.3)
Середній квадрат відстані між кінцями ланцюга hi залежить від
Ступені іонізації а, тобто від рН середовища. Якщо dhlfda > 0, то під дією постійної сили поліелектролітні ланцюги розтягуються при іонізації і скорочуються при зменшенні ступеняіонізації. Якщо знак похідної негативний, то ефект рН протилежний. Другий випадок реалізується у синтетичних поліпептидів - розміри клубка зменшуються зі зростанням а, оскільки збільшення ступеня іонізації руйнує спіральну структуру. Навпаки, у синтетичних атактичних поліаніонітів довжина зростає зі зростанням а. У випадку [13]
Де АЕ — різниця енергій взаємодії вільних зарядів у згорнутому та витягнутому конформаціях ланцюга. АЕ є міра кооперативності системи; якщо А? = 0, то ланцюг некооперативний,
Ло залежить від а. Знак похідної dhl/da визначається знаком АЕ. Та ж теорія, заснована на обліку кооперативної взаємодії зарядів, дозволяє визначити, як має змінитись рН середовища при розтягуванні ланцюга.
Описаний кооперативний механізм не єдиний — можливі поліелектролітні механохімічні процеси, що визначаються змінами ступеня зв'язування іонів.
Таким чином, зміни конформацій ланцюга, спричинені зміною хімічного оточення, при дії постійної сили здійснюють механічну роботу. Навпаки, сила, що діє, повинна змінювати конформації ланцюга. У роботах Флорі [12] та Бірштейн [14] теоретично розглянуто вплив зовнішньої сили на переходи спіраль - клубок у поліпептидних ланцюгах. Показано, що якщо прикладена сила не дуже велика, вона стабілізує спіральну конформацію ланцюга. Навпаки, велика сила стабілізує конформацію сильно витягнутого клубка. Зміщення температури переходу може досягти 20-30 ° С, різкість переходу від сили практично не залежить. У заряджених ланцюгах невелика зовнішня сила призводить до збільшення ступеня дисоціації, що викликає перехід при фіксованій температурі. При великій силі ступінь дисоціації, що викликає перехід, може бути меншим, ніж відсутність сили. Узалежно від величини прикладеної сили під час переходу спіраль — витягнутий клубок може спостерігатися як збільшення, і зменшення розмірів ланцюга у бік сили.
Ряд положень, що випливає зі статистичного розгляду механохімії поліелектролітних ланцюгів, підлягає подальшому експериментальному дослідженню.
Біологічні скорочувальні системи, що виконують механохімічні процеси, далекі від простих поліелектролітних моделей. Ці процеси безпосередньо з ферментативної активністю. Тим не менш, описані властивості поліелектролітів дуже суттєві для біофізики механохімічних явищ.
Очевидно, однак, що розгляд рівноважних явищ – рівноважна термодинаміка та статистична механіка – недостатньо для розуміння біологічної механохімії. Ми маємо тут справу з кінетичними явищами у відкритих системах. Необхідне теоретичне та експериментальне дослідження кінетики скорочувальних процесів.
У біології ми зустрічаємося з різноманітними механохімічними процесами. Перелічимо найважливіші з них:
1) Рухи тварин та їх органів - робота м'язів; 2) рухи рослин; 3) рухи клітин - робота джгутиків і вій; 4) вся сукупність рухів у процесах мітозу та мейозу; 5) рух протоплазми всередині клітини, що не ділиться; 6) скорочувальні процеси у хвостах фагових частинок; 7) хутра – нохімічні процеси в мембранах; 8) рух мРНК щодо рибосом у полісомах; 9) механорецепція.
Цей список не можна вважати вичерпним. Усі названі явища відбуваються у надмолекулярних системах. Відповідно, їх вивчення відноситься до біофізики клітини. Є вагомі підстави вважати, що у всіх механохімічних біологічних процесах джерелом необхідної хімічної енергії ємакроергічні речовини, насамперед АТФ. Гідролітичне розщеплення АТФ відбувається за участю АТФ-ази – ферменту або групи ферментів. Робочими речовинами механохімічних процесів є скорочувальні білки. Відкриття АТФ-азної активності одного з них - міозину м'яза, зроблене Енгельгардтом і Любімової [8] є ключовим. Скорочувальний білок є одночасно АТФ-аза.
Енгельгардт сформулював загальний принцип біологічної механохімії: «Фермент, що каталізує завершальну біохімічну реакцію функціонального обміну, повинен бути інтегральною частиною самого механізму, що здійснює цю функцію» [15].
З усіх перелічених явищ найкраще вивчено м'язове скорочення — процес, що становить першорядний інтерес для фізіології та біофізики.