ТЕРМОДИНАМИКА НА МЕХАНОХИМИЧНИТЕ ПРОЦЕСИ
Както е показано в гл. 3 и 4, химическата енергия, съхранявана предимно в АТФ, се трансформира в осмотична и електрическа работа в процесите на мембранен транспорт. Това са биоенергийни процеси. Биоенергията включва и механохимични процеси, при които химичната енергия се трансформира в механична работа.
Животът е невъзможен без механично движение. Като „химически машини“ клетките и организмите извършват механична работа, като се движат като цяло или преместват своите функционални части в полето на гравитацията, преодоляват съпротивлението на въздуха или водата и др. Механичната работа се извършва при изотермични и изобарни условия. Следователно неин източник не може да бъде топлинна енергия. Естествено е да се мисли, че механичната работа на живата система се извършва за сметка на химическа и/или електрическа енергия.
Конформационните трансформации на протеините - промените в по-високите нива на тяхната структура - означават пространственото движение на атомите и групите от атоми, които изграждат макромолекулите. Ако такова движение се случи в полето на външни сили, тогава се извършва механична работа. Негов източник може да бъде свободната енергия, освободена по време на ензимната реакция. Следователно, конформационната трансформация на протеин може да се тълкува като механохимичен процес, т.е. процес на директно преобразуване на химическата енергия в механична работа. Частен случай на такъв процес, реализиран на микроскопично ниво, е създаването на стресово състояние на субстрат в ензимно-субстратен комплекс (виж [1]). От своя страна, механичната енергия, съхранявана в деформираната молекула на субстрата, се използва за нейната химическа трансформация.
Докато въпросът е ограничен до ензимна реакция в разтвор, т.нтълкуването дава малко ново. При всяка химическа реакция възниква движение на атоми, но това не дава основание реакцията да се нарече механохимичен процес.
Ензимът е много голяма молекула, но няма смисъл да говорим за неговите механохимични свойства. Това е само замяна на термина "конформационен" с термина "механичен".
Говорейки за механична работа, имаме предвид движението в полето на външни сили на макроскопична, надмолекулна система. Очевидно, ако ензимните молекули са част от такава система, тогава с правилната си организация, тя като цяло може да извършва механично движение и да извършва работа поради свободната енергия на химичната ензимна реакция. Следователно работните вещества на механохимичните системи в живите организми или част от такива вещества могат да бъдат протеини - ензими. Освен това те трябва да бъдат. Източникът на механичната работа е химическата енергия. Но всички биохимични реакции протичат с незаменимото участие на ензими. Механохимията на живите системи е ензимна механохимия. Както ще видим, трудно е да си представим някаква друга причина за механохимичния процес в клетката и в тялото, освен конформационните трансформации на протеини в надмолекулни системи, в резултат на които се развиват дърпащи или изтласкващи сили.
Преди да преминем към директно разглеждане на биологичните механохимични процеси, е необходимо да се запознаем с техните термодинамични основи.
Преобразуването на химическата енергия в механична работа и обратно може да се извърши от циклично работеща „машина“, която се връща в първоначалното си състояние след всеки цикъл. Промените, състоящи се в прехода на работните вещества от един химичен потенциал към друг с едновременното производство на работа, се случват във външната среда.отношение към "машинната" среда. Такава "машина" може да бъде например полимерно полиелектролитно влакно, чиято дължина се променя с промяна на рН на средата. В [2–4] е проведено термодинамично изследване на механохимичните цикли.
Общата промяна на вътрешната енергия на системата ("машина") е равна на
Където dW е механичната работа, извършена от системата, drii е количеството i-то вещество, въведено от резервоара в системата при химическия потенциал zg-, tyde е електрическата работа и т.н.
Според теорията на еластичността механичната работа може да бъде изразена чрез тензори на напрежение Pj% и деформации
DW = V Z pikdaik, (5.2)
Където V е обемът на твърдото тяло. За хомогенни твърди тела е по-удобно да се изрази работата по отношение на cHs и премествания
TOC \o "1-3" \h \z dW=Zfi dL. (5.3)
Ще разгледаме хомогенни влакна с дължина I, опънати от сила /. Ние имаме
DE = TdS-pdV + f dl + Ziii dnt. (5.4)
Интегралната форма на това уравнение се записва като
E = TS - pV + fl + U'N + Vqnq, (5.5)
Където tig е броят на молекулите, които изграждат влакното. Броят на независимите променливи е s + 4. Можем да пренапишем (5.5) във формата
Където Pj са интензивните величини Т, р, /, Ці, \yq, а Kj са екстензивните променливи S, V, I, nі и pd. Термодинамичните потенциали имат формата
P> и Kj са изразени чрез частни производни
Ориз. 5.2. Механохимичен цикъл на f, I равнина.
Ориз. 5.1. Механохимичен цикъл на равнина c, n.
Напротив, кривата 1(f) при постоянна стойност на n е подобна на адиабата. Такава крива се нарича изофорна. В равнината q,, n изопотенциалите и изофорите ще бъдат представени с прави линиилинии, успоредни на координатните оси (фиг. 5.1). Кривите u(n) в тази равнина се наричат изотонични при постоянна сила и изометрични при постоянна дължина на пробата.
Цикълът в равнината f, I е показан на фиг. 5.2. Работата ще бъде представена от израза
W = - ^ / dl = ^ u, dn + ^ u - dn = (u - u, 2) An, (5.11)
Подобно на израза за работа в цикъла на Карно
W = SpdV = (T, - 7j) AS. Съществената разлика между тези два случая е, че
Една механохимична машина не може да се характеризира с ефективност, подобна на
Тъй като химическият потенциал няма абсолютна нула. Удобно е да се представи ефективността на механохимичен процес като съотношението на работата, получена в реален цикъл, към работата на идеален обратим цикъл
C' = _ f / dl/§ x dn. (5.12)
Нека сега се обърнем към неравновесната термодинамика. Когато полимерно механохимично влакно се разтяга в изобарен и изотермичен процес, свободната енергия се променя [6]
(dG)T, p = fdl-adl, (5.13)
Където е афинитетът, е химическата координата. Уравнение (5.13) определя вътрешната механична сила и афинитет
В равновесно състояние тези първи производни на G са равни на нула. Ние имаме
Тук индексът eq се отнася за равновесното състояние, 6/, - отклонения / и от равновесните стойности. От горните отношения следва
От диференциалните термодинамични съотношения следва, че
V a "nsі L V ainsi Jf V d1 '' "не
Механичната стабилност изисква df/dl да е положителен. Така че, наистина, ако (dl/dnna)f 0.
Naf)H Na0H. NaOH 5 70 75 20 t& 30 35 мин
Ориз. 5.3. Циклична деформация на нуклеохистонавлакна с периодични промени в pH. Оста y показва дължината на влакното в конвенционални единици.
Заобикаля поликиселинното влакно, когато е разтегнато [7]. По този начин,
_UDINSL V df Lnsі
Механохимичната природа на биологичната контрактилна система е открита за първи път в класическите трудове на Engelhardt и Lyubimova, които изучават миозин, протеин, изолиран от мускулни влакна [8]. Когато се добави АТФ, миозиновите влакна се свиват, което е обратимо. Естествено протича и обратният процес на превръщане на механичната работа в химическа енергия на контрактилния белтък. Наблюдава се изместване на изоелектричната точка на протеина, кератин, по време на неговата деформация [9]. В [10] е изследвано изменението на pH на средата при механично разтягане на нуклеохистоновото влакно в нея. На фиг. Фигура 5.3 показва цикличната деформация на нуклеохистоновата нишка с периодични промени в pH на средата.
Механохимията на полиелектролитните влакна очевидно се определя от конформационни трансформации на макромолекули. Тези трансформации са кооперативни. Константите на дисоциация на йонизиращите се групи в полимера са различни от тези на мономера поради електростатичното отблъскване на съседни заредени групи. Степента на отблъскване зависи от конформацията на веригата [11, 12]. Тези явления намират израз в кривите на потенциометричното титруване на полиелектролитите.
За не много малки сили /, достатъчни да ориентират полиелектролитната верига като цяло, дължината на веригата се изразява с уравнението (виж [1], § 3.3)
Средният квадрат на разстоянието между краищата на веригата hi зависи от
Степента на йонизация a, т.е. от pH на средата. Ако dhlfda > 0, тогава под действието на постоянна сила полиелектролитните вериги се разтягат по време на йонизация и се свиват с намаляване на степентайонизация. Ако знакът на производната е отрицателен, тогава рН ефектът е противоположен. Вторият случай се реализира в синтетични полипептиди - размерът на намотката намалява с увеличаване на a, тъй като увеличаването на степента на йонизация разрушава спиралната структура. Напротив, за синтетичните атактични полианионни обменници дължината се увеличава с увеличаване на a. В общия случай [13]
Където AE е разликата между енергиите на взаимодействие на свободните заряди в сгънатата и удължената конформации на веригата. AE е мярка за кооперативността на системата; ако Ae = 0, тогава веригата не е кооперативна,
Lo не зависи от a. Знакът на производната dhl/da се определя от знака AE. Същата теория, основана на отчитане на кооперативното взаимодействие на зарядите, дава възможност да се определи как трябва да се промени рН на средата, когато веригата се разтегне.
Описаният кооперативен механизъм не е единствен: възможни са и полиелектролитни механохимични процеси, обусловени от промени в степента на йонно свързване.
По този начин промените в конформациите на веригата, причинени от промяна в химическата среда, когато са подложени на постоянна сила, произвеждат механична работа. Напротив, действащата сила трябва да промени конформациите на веригата. Flory [12] и Birshtein [14] теоретично разглеждат влиянието на външна сила върху преходите спирала-намотка в полипептидните вериги. Показано е, че ако приложената сила не е много силна, тогава тя стабилизира спиралната конформация на веригата. Напротив, голяма сила стабилизира конформацията на силно удължена намотка. Изместването на температурата на прехода може да достигне 20–30°C, а остротата на прехода практически не зависи от силата. В заредените вериги малка външна сила води до увеличаване на степента на дисоциация, което причинява преход при фиксирана температура. При голяма сила степента на дисоциация, която причинява прехода, може да бъде по-малка, отколкото при липса на сила. INВ зависимост от големината на приложената сила, при прехода от спирала към удължена намотка може да се наблюдава както увеличаване, така и намаляване на размера на веригата по посока на силата.
Редица твърдения, произтичащи от статистическото разглеждане на механохимията на полиелектролитните вериги, са обект на по-нататъшно експериментално изследване.
Биологичните контрактилни системи, които извършват механохимични процеси, далеч не са прости полиелектролитни модели. Тези процеси са пряко свързани с ензимната активност. Въпреки това, описаните свойства на полиелектролитите са много важни за биофизиката на механохимичните явления.
Очевидно е обаче, че разглеждането на равновесните явления - равновесната термодинамика и статистическата механика - е недостатъчно за разбиране на биологичната механохимия. Тук имаме работа с кинетични явления в отворени системи. Необходими са теоретични и експериментални изследвания на кинетиката на контрактилните процеси.
В биологията се сблъскваме с различни механохимични процеси. Изброяваме най-важните от тях:
1) Движенията на животните и техните органи - работата на мускулите; 2) движения на растенията; 3) клетъчни движения - работата на флагелите и ресничките; 4) целият набор от движения в процесите на митоза и мейоза; 5) движение на протоплазмата вътре в неделяща се клетка; 6) контрактилни процеси в опашките на фаговите частици; 7) механохимични процеси в мембраните; 8) движение на иРНК спрямо рибозомите в полизоми; 9) механорецепция.
Този списък не може да се счита за изчерпателен. Всички тези явления се срещат в надмолекулни системи. Съответно тяхното изследване принадлежи към клетъчната биофизика. Има основателни причини да се смята, че във всички механохимични биологични процеси източникът на необходимата химическа енергия емакроергични вещества, предимно АТФ. Хидролитичното разцепване на АТФ става с участието на АТФ-аза, ензим или група от ензими. Работните вещества на механохимичните процеси са контрактилни протеини. Ключово е откритието на АТФазната активност на един от тях, мускулния миозин, направено от Енгелхард и Любимова [8]. Контрактилният протеин също е АТФаза.
Engelhardt формулира общия принцип на биологичната механохимия: „Ензимът, катализиращ крайната биохимична реакция на функционалния метаболизъм, трябва да бъде неразделна част от самия механизъм, който изпълнява тази функция“ [15].
От всички тези явления мускулната контракция е най-добре проучена, процес от първостепенен интерес за физиологията и биофизиката.