Изложенные в предыдущей части работы методы молекулярного моделирования были использованы для прояснения деталей работы некоторых конкретных механизмов химической и биологической эволюции. Приведем здесь некоторые результаты, не вдаваясь в вычислительные подробности.
Распространение механического возмущения вдоль молекулярного пространства
Химия имеет дело с объектами, погруженными в плотную окружающую среду. При любой температуре T > 0 каждая молекула подвергается механическим ударам в результате теплового движения. Недавно появилась возможность детально проследить за судьбой такого отдельного механического возмущения либо серии последовательных возмущений в молекулярной модели практически неограниченной сложности. Проведен ряд компьютерных экспериментов с моделями различной структуры [6]. Для данной работы важны следующие результаты.
В анизотропных молекулярных пространствах локальное механическое возмущение распространяется по некоторым выделенным каналам в форме нерегулярных колебательных волн. Однако, эти волны не случайны. Их всегда можно представить суммой нормальных колебаний, присущих данной молекулярной среде. То есть внутренняя природа бегущих возмущений опять-таки определяется строго согласованными ядерными движениями. Как следствие этого, энергия возмущения не только рассеивается по всему молекулярному пространству, но иногда может концентрироваться в ограниченных областях. При подходящих структурных особенностях это может приводить к инициации локальных структурных превращений. Изучение таких превращений является предметом механохимии. Важно, что этот универсальный механизм объясняет такое распространенное явление, как самодеструкция длинных полимерных цепей. А это имеет прямое отношение к процессам в живом веществе и к механизмам эволюции. Тепловое разрушение структур биополимеров ведет, с одной стороны, к старению живого вещества, к порче хорошо настроенной химической машины живого организма. С другой стороны, это может приводить к мутациям.
Еще более важен результат, связанный с анализом роли слабых связей между элементами молекулярных структур в судьбе тепловых механических ударов. Выяснилось, что такие связи (водородные и ван дер Ваальсовы) практически не передают энергию механического удара в систему сильных химических связей. Отсюда выведены два следствия, касающихся эволюции добиологического и живого вещества.
Прочность супрамолекулярных структур.
Известна высокая устойчивость этих образований, поддерживающая их длительную эффективную функциональность. Устойчивость объясняется обнаруженной нами слабой проводимостью энергии тепловых ударов системой слабых связей, соединяющих разные части супрамолекулярной структуры. То есть участки пространства сильных связей, где и сосредоточена химическая функциональность, хорошо защищены от взаимного влияния тех тепловых возмущений, которым подвергаются эти участки независимо друг от друга. Удар же непосредственно по одной из систем сильных связей хорошо распространяется по этой системе, локализуется в ней, а поэтому может привески к ее повреждению не хуже, чем в обычной протяженной молекуле.
В ходе химической эволюции Природа изобрела супрамолекулы, обладающие высокой химической эффективностью и способностью к самосборке. Мы не проследили за историей такой эволюции, это отдельная сложная задача. Но методами молекулярного моделирования прояснили одну из причин высокой устойчивости этих химических систем, имеющих особую ценность для живого вещества и его эволюционной истории. Напомним, что ДНК является супрамолекулярной системой.
Компартментация как условие протекания ферментативной реакции.
Субстрат, попавший в полость активного центра фермента, образует с этой полостью супрамолекулярную систему. По данным биофизики, роль фермента на раннем этапе реакции состоит в распознавании специфического субстрата (избирательность) и в его однозначной ориентации относительно стенок полости (каталитическая функция). В большинстве ферментов эта полость довольно глубока. В ряде ферментов она находится в теле глобулы, под ее поверхностью, так что субстрат должен проникнуть в активный центр фермента с помощью конформационной подвижности поверхностных слоев третичной структуры белка. В полости субстрат взаимодействует со стенками, образуя временные слабые связи ради оптимальной ориентации молекул. Критерий оптимальности состоит в требовании минимального расстояния небольшого числа атомов от их будущих новых потенциальных ям, в которых они должны будут закрепиться в результате катализируемой таким образом реакции.
Заметим, что здесь создаются условия протекания реакции в почти полной изоляции от окружающей среды, в которую погружен фермент. Эти условия были проанализированы в компьютерных экспериментах по распространению механических ударов в системе слабых связей. Как было сказано выше, слабые связи практически неспособны передавать энергию механических возмущений в систему химических связей молекул. Следовательно, ни субстрат, ни продукты ферментативной реакции в таких условиях не способны испытывать воздействия тепловых ударов со стороны окружения и массивного тела самого фермента. Отсюда следуют выводы, которые до сих пор в биофизике не были отмечены.
- Ферментативная реакция проходит в строго стандартных условиях, близких к полной изоляции реагентов. Поэтому результаты реакции получаются стандартизованными. Теперь не может вызывать удивления тот факт, что при ферментативном синтезе крупных биологических молекул никогда не наблюдается ожидаемое разнообразие изомерных форм. Природа вообще экономна в демонстрации изомеров – требуются различные пути синтеза для получения различных изомеров сложного соединения. В ферментативных реакциях условия синтеза всегда строго одинаковы. Эти условия не могут быть нарушены вариациями интенсивности теплового движения в живом веществе.
- Фермент проявляет новую, ранее неотмеченную функцию. Глубокая полость, где размещается активный центр, создает условия компартментации для субстрата и продукта. Таким образом, эволюция живого вещества привела к появлению компартментации практически на всех уровнях организации организма как химической машины. Все жизненно важные химические процессы в организме проходят в сравнительно строгих условиях изоляции друг от друга. Этому служат внешняя оболочка организма или клетки, мембраны клеточных органелл. А на молекулярном уровне это тело фермента, временно прячущее реагенты.
- Для молекулярного моделирования важно, что при исследовании механизма конкретной ферментативной реакции можно строить более простую модель, чем при учете воздействия окружающей среды. Ферментативная реакция протекает в «вакууме». Следовательно, создаются условия для прямого прогнозирования вероятности протекания реакции методами последовательной квантовой теории [9] без опасений, что учет окружающей среды серьезно повлияет на прогноз. Можно считать, что здесь физической теории химических процессов крупно повезло.
Последнее обстоятельство позволяет дать ясную интерпретацию результатам работ Галимова по изучению изотопного фракционирования в продуктах биологического происхождения. В этих работах обнаружены и обсуждаются такие особенности изотопного фракционирования в продуктах ферментативных реакций, которые нашли свое объяснение лишь с помощью предположения, что в процессе такой реакции вещество многократно переходит из начальной формы в конечную, и назад. Это явление было названо микрообратимостью и противопоставлено известной необратимости биосинтеза в целом. Но ведь это предположение буквально совпадает с недавно выявленным в теории [9] механизмом элементарного акта любого химического превращения. Механизм этот состоит в квантовых биениях молекулярной системы между стационарными состояниями «до реакции» и «после реакции». Следовательно, теперь можно считать, что особенности изотопного фракционирования прямо отражают физику химического превращения. Современная квантовая теория акта химического превращения, примененная к проблеме механизма ферментативной реакции, подтверждает справедливость предположения о микрообратимости этого процесса.
Заметим также, что субстрат до попадания в полость фермента находится в тепловом равновесии с окружающей средой организма. В полости реагенты оказываются в условиях изоляции. Они не могут потерять свою полную энергию, пока не произойдет излучения кванта энергии при закреплении состояния «после реакции». В процессе квантовых биений молекулярная система продолжает находиться в температурном равновесии с окружением. Поэтому можно сказать, что оправдано утверждение Галимова, что условия ферментативной реакции близки к условиям термодинамического равновесия.
В неферментативных реакциях химическое превращение происходит в условиях воздействия окружающей среды. Конечно, и там происходят квантовые биения. Однако тепловое движение сбивает ход биений механическими ударами, заставляя систему совершить вынужденный переход в новое состояние, когда переход реализуется (или в прежнее состояние, когда реакция не состоялась). Под воздействием окружения время существования молекулярной системы в состоянии квантовых биений существенно сокращается, тем самым реализуются совершенно иные условия изотопного фракционирования.
В работах по изучению изотопного фракционирования в продуктах ферментативных реакций не всегда наблюдаются данные, говорящие о протекании реакции в условиях полной термодинамической изоляции. Этот факт становится понятным, если учесть, что некоторые ферментативные реакции проходят с участием кофакторов. Если кофактор является частью тела фермента, то он тем самым связывает реагирующую систему и с телом белка, и с окружением белка. И там, и там происходит тепловое движение, которое сбивает в какой-то мере квантовые биения в системе и уменьшает время этих биений. Реакция в такой системе протекает в условиях меньшей изоляции, что сказывается на результатах изотопного фракционирования.
