http://lechebnaya-glina.ru » Материя организма

Физический механизм преобразования энергии молекулярной структурой биополимера и её движения в биологических системах. Солитон А. С. Давыдова

Автор: lenka   Май 8, 2015 Нет комментариев

Современная биоэнергетика — достаточно развитое направление молекулярной биологии, и её описанию посвящена значительная литература. Тем не менее, рассматриваемые в биоэнергетике представления не снимают её основных противоречий, т. к. они не позволяют объяснить ряд важнейших экспериментальных фактов, относящихся к физиологии клетки. Как уже говорилось в предыдущей главе, в современной биоэнергетике в качестве теоретической основы выступает линейная квантовая механика, но её физические модели, вполне достаточные для разработки законов квантовой химии, т. е. законов вещества, недостаточны для построения энергетической теории живой материи. Это хорошо видно на практике: там, где в биоэнергетике рассматриваются химические взаимодействия молекулярных объектов даже очень большой сложности, предсказываемые результаты, как правило, подтверждаются не только в экспериментах in vitro, но и в системах in vivo. Однако эффекты «безызлучательной миграции энергии», т. е. взаимодействия биополимеров на расстоянии, давно известные в биофизике и описанные, например, А. СентДьерди в «Биоэнергетике» [80] уже более 50 лет назад, таких объяснений не имеют. Для них в современных учебниках по биофизике попрежнему привлекаются различные варианты квантовомеханических моделей, но они не выглядят достоверными даже для самих авторов учебников. В настоящее время, в период развития нелинейной науки, уже очевидно, что процессы такого рода не только выходят за пределы линейных представлений биохимии, но и являются принципиально нелинейными. Это не просто ещё раз говорит, что для рассмотрения явлений, связанных с процессами передачи, преобразования и движения энергии в живых системах, необходимо переходить на модели и представления нелинейной физики. Многочисленные факты и явления, связанные с биоэнергетикой, означают, что без такого перехода от биоХИМИИ к биоФИЗИКЕ современная молекулярная биология не справится с описанием реальных процессов, происходящих в живых системах, и не сможет стать теоретической базой физиологии живых организмов.
В нелинейной физике математический анализ столь сложных процессов, как процессы биоэнергетики живого, невероятно затруднён, и современное состояние аналитической математики позволяет решить только очень ограниченный круг задач, связанных с преобразованием энергии цепями биополимеров и её транспортировкой [72]. Общие решения, включающие в себя и физическую постановку нелинейной задачи, и её «доведение» до возможности математического анализа, входят в предмет обобщённой науки об исследовании принципов самоорганизации — синергетики, физическая концепция которой была рассмотрена в предыдущей главе.
В синергетике изучение коллективных процессов в сложных нелинейных системах начинается с построения для них «мягких» физических моделей, назначение которых — правильно учесть и ранжировать по влиянию все факторы, действующие в системе и определяющие в ней протекание коллективных процессов [116]. Однако мягкая модель, по определению, настолько сложна, что не всегда представляется возможным провести её математическое описание даже в виде системы нелинейных математических уравнений, а уж получить аналитическое решение для такой системы и вовсе невозможно. Для получения требуемого решения на базе «мягкой» физической модели конструируют «жёсткую» математическую модель с упрощёнными граничными условиями, однако сохраняющую все принципиальные особенности рассматриваемой системы. Методы математического анализа «жёсткой» модели в идеале — аналитические, но на практике, как правило, комбинированные: аналитические и численные. И если конструирование «жёсткой» модели и её анализ выполнить удалось, то все характерные особенности протекающих в системе процессов, включая её реакцию на внешнее воздействие, полученные из математического решения для «жёсткой» модели, сохраняются и для модели «мягкой», т. е. могут быть распространены на описание поведения исходной физической системы [79, 107, 115].
Как уже говорилось, в современной биоэнергетике живой клетки на биохимическом уровне рассматриваются две задачи: каскад процессов синтеза АТФ и процессы передачи энергии от АТФ биополимеру. При этом во втором процессе изучается его биохимическая часть, а вопросы транспортировки энергии по цепи биополимера практически даже не упоминаются. Однако именно эта задача привлекла внимание биофизики в 70х годах прошлого века, когда в экспериментах было блестяще продемонстрировано, что движение энергии по цепи биополимера происходит со столь высокой скоростью, что этот эффект никак не может быть объяснён на основе общепринятой в то время модели переноса энергии «горячими» электронами, перешедшими к биополимеру от АТФ. Эта проблема изза своей неразрешимости в рамках принятых моделей была тогда названа «кризисом в биофизике». В 1973 г. она обсуждалась на специальном съезде в НьюЙорке Международного союза биофизиков, существовавшего в те годы.
Трудности в объяснении наблюдаемого эффекта с точки зрения физики состоят в следующем. Количество энергии, выделяемой в одном акте гидролиза фосфатной группой АТФ, очень мало, порядка 0.2 эВ, и этой энергии недостаточно для непосредственного возбуждения электронных состояний молекулы белка. Её достаточно, однако, для возбуждения внутримолекулярных колебаний диполей С=О, входящих в состав пептидных групп всех белковых молекул (колебаний Амид I), хотя возможность переноса энергии этими колебательными возбуждениями вдоль белковой цепи ставилась под сомнение в связи с тем, что время их жизни очень мало и не превышает 10–12 с. Это означает, что такие колебания не могут переносить энергию на расстояния, превышающие размеры одной пептидной группы. Вопрос о механизме переноса энергии в цепях биополимеров оставался, таким образом, открытым.
Блестящее решение этой задачи было доложено А. С. Да
выдовым на указанном съезде в 1973 г. (опубликовано в 1976 г.),
и оно сразу же было с воодушевлением воспринято представите
лями теоретической биофизики. А. С. Давыдов показал, что в непрерывных цепях белковых молекул, возбуждённых поступлением химической энергии от молекулы АТФ, будут создаваться локализованные колебания ангармоничных групп, принимающие форму
«одиночной волны» — солитона, без потери энергии распространяющейся вдоль цепи [121, 122]. Полученное решение, развитое им и в серии статей и в двух монографиях, в мировой литературе получило имя автора — «солитон Давыдова» [98, 135, 136].

Для биоэнергетики «солитон Давыдова» — не просто достижение биоматематики и даже не только ликвидация «кризиса
биофизике»34, к тому же современной биофизикой уже давно забытого. Его следует рассматривать как фундаментальный вклад
науку о живом, открывающий новую ступень в познании функционирования «живой» материи. А.С. Давыдов впервые внёс в молекулярную биофизику рассмотрение механизма того эффекта, который до него именовался «потоками энергии», но в который при этом не вкладывалось конкретного физического содержания.

Исключительное достоинство решения, предложенного Давыдовым, состоит также в его простоте и физической наглядности. Для описания взаимодействия АТФ и биополимера он предложил достаточно простую «жёсткую» модель, очень точно отражающую главное содержание рассматриваемого процесса, а именно экситоннофононный механизм преобразования биополимером химической энергии в энергию когерентную. Идеи и результаты Давыдова были не только полностью восприняты биоматематикой и получили дальнейшее развитие применительно к биополимерам других типов (прежде всего — ДНК [72]), но и подтверждены экспериментально [137], что будет показано далее.
34 Биофизика за прошедшие 50 лет настолько утеряла свою «физическую» составляющую, что перестала обращать внимание на такие «мелочи», как, например, эксперименты СентДьерди, и попрежнему пользуется биохимическими моделями со всеми их противоречиями.

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (Еще не оценили)
Загрузка...

Выразить свое мнение:

Копирование и использование материалов сайта разрешено только при наличии прямой ссылки на источник.
Голубая глина и белая для масок для лица и волос. Фитотерапия и спирулина