Изменения конформаций макромолекул
Пока мы рассматривали механо-химический преобразователь энергии, состоящий из одной свободно плавающей макромолекулы фермента. При сколь угодно эффективном преобразовании химической энергии в механическую такая макромолекула мало пригодна для перемещений в пространстве макрообъектов. Ее собственные перемещения в пространстве будут осуществляться лишь реактивно, посредством импульсов отдачи. Действительно, в растворе таких макромолекул, движущихся несинхронно и в случайных направлениях, будет происходить лишь некоторое перемешивание, эквивалентное возрастанию амплитуд «броуни-рования» (по терминологии Н. И. Кобозева). Таким образом, «эволюционный потенциал» — возможность эволюционного совершенствования — определяется переходом от беспорядочно движущихся макромолекул ферментов, осуществляющих механо-химические преобразования к предельно векторизованным перемещениям макроскопических многомолекулярных ансамблей таких макромолекул.
Простейшим и, вероятно, исходным способом создания таких многомолекулярных ансамблей является синхронизация конформационных циклов свободно растворенных макромолекул ферментов.
Реальна ли синхронизация конформационных движений отдельных макромолекул? Мне кажется, что вполне. В самом деле, представим себе обстановку в протоплазме. Макромолекулы разных ферментов, отделенные друг от друга большим или меньшим слоем воды, грызут или сшивают свои субстраты, претерпевая циклические изменения своей конформаций. Что это значит? Изменения конформаций макромолекул состоят.в изменении взаимного расположения отдельных функциональных групп макромолекулы, т. е. радикалов аминокислот. Эти группы сближаются и раздвигаются, таким образом, для контактов с окружающей водой и субстратами открываются то одни, то другие аминокислотные остатки. Соответственно изменяются электрические заряды на поверхности макромолекулы. К открывающимся заряженным группам устремляются молекулы воды и соответствующие мелкие противоионы. Движущаяся, изменяющая свою конформацию макромолекула оказывается источником, генератором электромагнитного поля. Правда, противоионы и молекулы воды компенсируют в значительной степени это поле (радиоволны плохо распространяются в морской воде), но конформационные колебания — каталитические циклы — происходят с относительно очень малой частотой (1 —105 гц). Такие низкочастотные колебания, такие сверхдлинные волны (3 10s — 3 км) вполне хорошо проходят и сквозь морскую воду. Однако сейчас нам важно лишь, что изменения электрических зарядов на поверхности макромолекул в ходе их конформационных колебаний могут передаваться и на некоторое расстояние от молекулы фермента.
При изменении взаимного расположения аминокислотных радикалов в макромолекуле будут то открываться, то закрываться для контактов с водой и неполярные группы — гидрофоб-но-гидрофильная мозаика поверхности макромолекулы будет претерпевать циклические изменения рисунка, соответствующие конформационным изменениям макромолекулы. Всякое изменение степени экранированное™ гидрофобных групп, любое изменение рисунка полярно-неполярной мозаики на поверхности макромолекулы вызовет немедленное изменение ориентации молекул воды около макромолекулы. Молекулы воды, повернутые к полярным группам макромолекулы, отвернутся от возникших на их месте неполярных, образуя связи по преимуществу друг с другом, образуя структуру чистой воды. Это вызовет переориентацию в следующих слоях воды, и волна структурной перестройки воды распространится на некоторое расстояние от поверхности макромолекулы. Таким образом, претерпевающая конформационные колебания макромолекула белка должна быть также и генератором волн структурной перестройки окружающей воды.
Наконец, все эти изменения (и изменения электрических зарядов, и изменения полярно-неполярных соотношений) будут сопровождаться объемными эффектами (о чем мы уже говорили выше). Так, упаковка молекул воды, ориентированных в направлении заряженных групп, и упаковка ее молекул вблизи гидрофобных поверхностей, различна. Конформационные колебания должны, как правило, сопровождаться колебаниями объема системы молекулы белка —вода. Значит, претерпевающая конформационные колебания макромолекула должна быть также и генератором акустических колебаний.