CC BY
18Вода, хиральность и биологические молекулярные машины
В.А. Твердислов
МГУ имени М.В.Ломоносова, физический факультет, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, дом 1, строение 2, Физический
факультет
tverdislov@mail. ru
Физической основой функционирования живых систем являются молекулярные машины [1 - 3]. Выполнение «полезной работы» составляет существо биологических функций, характерных для ферментов, насосов, сократительных систем, рецепторов и пр. Молекулярные моторы являются ключевым элементом конструкции молекулярных машин. В молекулярных машинах «рабочее тело» идентично их конструктивным элементам. Молекулярные машины принципиально не тепловые, а электромеханохимические. Молекулярные машины являются хирально знакопеременными иерархически организованными устройствами (конструкциями). Они циклически осуществляют преобразование формы энергии за счет смены или переключений симметрий в её хиральных структурных элементах, которые как раз и реализуют в них выделенные «квазимеханические» степени свободы, способные депонировать энергию на относительно большие времена, по сравнению с тепловыми степенями свободы. Феномен хиральности позволяет формировать дискретные хирально знакопеременные иерархии структур в макромолекулярных машинах в процессе фолдинга, а также, в рамках развиваемых представлений, обеспечивает однонаправленное движение машин по энергетическому циклу за счет нелинейных вентильных свойств спиральных внутри- и надмолекулярных структур [4]. Принципиальным аспектом формирования симметрийной концепции молекулярных машин, в частности белковых, является развитие представлений о роли поверхностного слоя и внутримолекулярной воды в их формировании и функционировании. В рамках представлений о том, что машина является устройством, циклически сопрягающим череду нарушений симметрии со сменой формы энергии для совершения полезной работы, следует рассматривать относительно долгоживущие водные структуры не столько как полярный заполнитель, сколько как симметрически детерминированные структуры с выраженными хиральными свойствами [5, 6], зависящими от взаимодействия с гидрофобными или гидрофильными полостями белковой молекулы. Существенным становится понимание роли воды как компонента конструкции и рабочего тела молекулярной машины.
[1] С.Э. Шноль, Д.С. Чернавский и Ю.И. Хургин, Молекула белка- фермента как механическая система, В сб. Колебательные процессы в биол. и хим. системах, М.: Наука, стр. 42- 50, (1967)
[2] Л.А. Блюменфельд, Проблемы биологической физики, Изд. 2- е. М.: «Наука», 336 с., (1977)
[3] В.А. Твердислов, Нарушение симметрии - физическая основа совершения «полезной работы» биологическими молекулярными машинами, Актуальные вопросы биологической физики и химии, том 7, №4, стр. 552-556, (2022)
[4] В.А. Твердислов, Е.В. Малышко, О закономерностях спонтанного формирования структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой природы, Успехи физических наук, том 189, N° 4, стр. 375-385, (2019)
[5] V.I. Lobyshev, A.B. Solovey and N.A. Bulienkov, Computer construction of modular structures of water, J.Mol. Liquids, vol. 106/2, pages.277-297, (2003)
[6] В.А. Твердислов, О комплексах хиральных структур биомакромолекул и воды, Тезисы докладов конференции «Физика водных растворов», 67-69, (2019).
