Молекулярные демоны

Так осуществляется выбор нужного направления флуктуации, использование тепловой энергии для направленного превращения. Нас обычно преследует демонобоязнь — боимся мы демонов Максвелла!
Действительно, по первоначальному замыслу Максвелла, демоны должны были открывать дверцу в перегородке для молекул газа, летящих с большей, чем средняя, скоростью, имеющих избыток кинетической энергии, и закрывать эту дверцу перед медленными молекулами. Так демоны призваны "были разделять газ, находящийся в тепловом равновесии на две части — холодную и горячую. Давно уже Сциллард и Бриллюэн показали принципиальную невозможность сушествования таких демонов. Затраты свободной энергии на различение молекул в точности равны ожидаемому возрастанию свободной энергии (за счет уменьшения энтропии системы) при сортировке молекул.
Нужно поэтому особо подчеркнуть, что в данном случае мы имеем дело с неравновесной системой, идет превращение вещества, при котором выделяется энергия, причем выделяется она необратимо. Следовательно, принципиальных запретов для окупаемого затратами энергии направленного использования флуктуации нет.
Молекулярные демоны — анизотропные структуры — в принципе могут работать за счет энергии, освобождаемой в катализируемой реакции.
Механизм нашего демона также вполне рационален — отобранные в ходе длительной эволюции, синтезируемые с затратой свободной энергии из сопряженных процессов, структуры макромолекул таковы, что конформационные движения в них резко и целесообразно ограниченны. Таким образом, предполагаемое своеобразие макромолекулы фермента в том, что она представляет собой машину, работа которой невозможна без тепловых флуктуации, хотя энергия, обеспечивающая весь ее рабочий цикл, поступает из нетепловых источников — тратится химический потенциал превращаемых веществ.
Впрочем, для приведенной выше картины работы макромоле-кулярной машины не требуется каких-либо механизмов накопления флуктуации; не предполагается и ускорение катализируемого процесса за счет энергии, накопленной тем или иным способом в макромолекуле фермента'. Например, в результате «рекуперации» энергии, выделяющейся в ферментативной реакции. Любая конгруентная реакция, т. е. превращение веществ без участия фермента (если бы ее удалось осуществить) шла бы с такой же скоростью, как и при помощи фермента. Медленные реакции и там и тут медленные. Просто без фермента эти процессы в данной системе вообще не идут таким маршрутом. Итак, ферменты могут не ускорять отдельные элементарные реакции, а «просто» позволяют осуществляться таким промежуточным элементарным стадиям, которые невозможны без них, они ускоряют образование конечных продуктов, делая возможным осуществление новых маршрутов. Это звучит, конечно, парадоксально, и тем не менее, вероятно, соответствует действительности.
Здесь уместно отметить, что представление о ферментативных реакциях как об очень быстрых — привычное заблуждение. Ферментативные реакции (правильнее, процессы) обычно гораздо быстрее неферментативных. Но неферментативные, как было показано, нельзя сравнивать с ферментативными — они идут по другим маршрутам. Абсолютные скорости ферментативных процессов (как и конгруентных им неферментативных) вовсе не велики.
В самом деле, ферментативные циклы — превращения субстрата в продукт — совершаются за 1 — 10~3 сек, т. е. идут очень медленно. За это время в элементарном акте взаимодействия молекул, атомов, радикалов происходит 10!3—1010 соударений и только одно из Ю13—1010 эффективно — где уже тут говорить о высокой скорости!
Поэтому актуальны «парадоксальные» вопросы — в чем причина столь медленной работы ферментов? Почему столь малы числа оборотов большинства ферментов? Что ограничивает эти числа? Скорее всего — малая частота больших тепловых флуктуации. В самом деле, частота появления флуктуации величиной 30 кТ на каждую степень свободы составляет примерно 1 сек-1, 25 кТ— 100 сек-1, 20 кТ— 104 сек-1. А такие флуктуации и нужны для преодоления потенциальных барьеров при взаимодействии реагентов. Таким образом, ферментативные процессы протекают медленно из-за малой частоты больших тепловых флуктуации.
Подведем итог. Белки — ферменты должны претерпевать последовательные изменения конформации, что обеспечивает прохождение катализируемого процесса по наиболее быстрому маршруту. Эти последовательные изменения конформации осуществляются за счет флуктуации тепловой энергии и энергии, выделяющейся в катализируемом процессе. Общее для всех ферментов «узкое место» — малая частота больших флуктуации.







Материалы

Яндекс.Метрика