Ефекти структурно-функціональної організації у нерівноважних макромолекулярних системах - Автореферат

Якщо ж реакція супроводжується значними структурними (конформаційними) змінами, виявлення загальних принципів і конкретних фізичних механізмів, що обумовлюють її ефективність, набагато ускладнюється. У випадку багаторазових актів реакції (потоку частинок чи енергії, що оброблюється макромолекулою) між структурою і функцією може виникнути зворотний звязок, оскільки повільні структурні зміни, внесені окремими циклами, можуть накопичуватися, змінюючи сам елементарний цикл. Виходячи лише з двох основних положень - повільної структурної мінливості макромолекул і потокових умов їхнього функціонування, - будується послідовна стохастична теорія структурної саморегуляції реагуючих макромолекул як явища динамічної самоорганізації, можливої в рамках навіть однієї макромолекули чи її структурно-лабільного фрагмента. Дослідження ж реакцій у базових біофізичних моделях типу фотосинтетичного РЦ, крім важливості для проблеми фотосинтезу як такої, дозволяє переконатися, як складні релаксаційні властивості макромолекул позначаються на конкретних взаємозвязках структури та функції. З нових наукових положень і результатів дисертації, одержаних вперше, можна відзначити наступні: Концепція динамічної молекулярної самоорганізації: Зворотний звязок між повільними структурними перебудовами макромолекули і швидкими повторними актами виконуваної нею реакції здатний забезпечити граничне виникнення/зникнення стійких режимів її функціонування шляхом нерівноважних фазових переходів.Остання при цьому розглядається як структура, що має проміжні стани для зарядженої частинки, яка переноситься між реагентами (домішками у конденсованому середовищі, кофакторами макромолекулярних комплексів, тощо). Тут - НМГ динамічної (електронної) підсистеми, а - рівноважна МГ термостату, що його роль відіграють коливальні моди ; в цьому випадку є взаємодією , що може бути використано для побудови релаксаційних коефіцієнтів у кінетичних рівняннях 2-го порядку теорії збурень (Fain, 1980). Нарешті, еволюція у ефективній дворівневій схемі в залежності від співвідношення енергетичної різниці та ефективного резонансу виглядає як Якщо ж (вироджені рівні), то кінетичні рівняння мають складніший за (2) вигляд, але в актуальному наближенні малих інтегралів перекривання кінетика є одноекспоненційною з константою швидкості у якій висвітлені відразу три головні механізми переносу. Аналіз показав, зокрема, що отриманий раніше (Догонадзе та ін., 1971) відомий вираз для ймовірності місткового переносу насправді відноситься до досить специфічного варіанту “напівсильного” звязку, тобто коли один з параметрів резонансної взаємодії між станами та є великим, а між станами та - малим у порівнянні з . За такою ж схемою у п.1.2 розглянуто перенос у випадку ланцюжку проміжних між домішковими станами станів , що їх постачає макромолекула.Цю проблему спроектовано на подвійну роль полімерної структури, властивої макромолекулі, у реакціях, що вона виконує: а) пасивна роль структури полягає у створенні самого каналу реакції (проміжного середовища), константи швидкості якої зумовлені статичними структурними характеристиками і швидкими коливальними рухами; б) в активній ролі головним чинником є структурна (конформаційна) мінливість макромолекули, повязана з повільними значними зміщеннями її атомів чи атомних груп. За потокових умов багатьох послідовних реакційних обертів (що відповідає реальним умовам функціонування) виникає можливість самоузгодженої нелінійної поведінки системи (макромолекула потік агентів реакції), аж до радикальних змін у реакційному циклі. Доказ синергетичних явищ на рівні одної макромолекули суттєво змінює уявлення про головні фізичні механізми переносу заряду та ензиматичних реакцій у макромолекулярних системах, у порівнянні з відомою теорією конформаційної регуляції Агмона-Хопфілда та іншими. Для опису самоузгодження повільних структурних рухів з дискретними переходами агентів реакцій (електронів, протонів, субстратів ензиматичних реакцій, тощо) побудовано стохастичну теорію молекулярної самоорганізації, висновки якої подані у придатній для експериментальної перевірки формі. Показано, що зворотний звязок між повільними структурними перебудовами макромолекули і швидкими повторними актами виконуваної нею реакції здатний забезпечити граничне виникнення/зникнення стійких режимів її функціонування шляхом нерівноважних фазових переходів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення проблеми взаємозвязку структури і функції макромолекул. Цю проблему спроектовано на подвійну роль полімерної структури, властивої макромолекулі, у реакціях, що вона виконує: а) пасивна роль структури полягає у створенні самого каналу реакції (проміжного середовища), константи швидкості якої зумовлені статичними структурними характеристиками і швидкими коливальними рухами; б) в активній ролі головним чинником є структурна (конформаційна) мінливість макромолекули, повязана з повільними значними зміщеннями її атомів чи атомних груп. За потокових умов багатьох послідовних реакційних обертів (що відповідає реальним умовам функціонування) виникає можливість самоузгодженої нелінійної поведінки системи (макромолекула потік агентів реакції), аж до радикальних змін у реакційному циклі. Доказ синергетичних явищ на рівні одної макромолекули суттєво змінює уявлення про головні фізичні механізми переносу заряду та ензиматичних реакцій у макромолекулярних системах, у порівнянні з відомою теорією конформаційної регуляції Агмона-Хопфілда та іншими. Для опису самоузгодження повільних структурних рухів з дискретними переходами агентів реакцій (електронів, протонів, субстратів ензиматичних реакцій, тощо) побудовано стохастичну теорію молекулярної самоорганізації, висновки якої подані у придатній для експериментальної перевірки формі. У комплексних теоретико-експериментальних дослідженнях доведена вирішальна роль структурної мінливості та структурної памяті білкової компоненти фотосинтетичного РЦ в ефектах саморегуляції та адаптації, що модифікують його основну функцію - розділення зарядів.

Головні наукові та практичні результати роботи такі: * Висунуто та обґрунтовано концепцію динамічної молекулярної самоорганізації як фізичного механізму функціонування макромолекул. Показано, що зворотний звязок між повільними структурними перебудовами макромолекули і швидкими повторними актами виконуваної нею реакції здатний забезпечити граничне виникнення/зникнення стійких режимів її функціонування шляхом нерівноважних фазових переходів. При цьому структурна регуляція функціональної активності адекватно описується введенням узагальненої структурної змінної, що інтегрує складні процеси повільної релаксації макромолекули.

* Запропоновано новий підхід до розгляду заряд(субстрат)-конформаційної взаємодії як впливу на структурну підсистему макромолекули неадитивного і немультиплікативного дискретного шуму зі зворотним звязком, генерованого переходами заряду (субстрату) у макромолекулі. Для дихотомічного випадку отримано точне рішення стохастичної задачі. Для актуальної моделі “збудження-рекомбінація” побудована фазова діаграма системи та описані нерівноважні фазові переходи по інтенсивності збудження.

* Побудовано стохастичні рівняння і виведено рівняння еволюції системи (макромолекула потік зарядів/субстратів) з урахуванням дискретного і теплового шумів. Розвинуто відповідний метод адіабатичного виключення швидких змінних та отримано рівняння для повільної структурної змінної у вигляді рівняння Фокера-Планка з ефективними параметрами дрейфу і дифузії. Показано, що функціональні режими макромолекули описуються за допомогою ефективного нерівноважного адіабатичного потенціалу, керованого інтенсивністю ініціювання реакції.

* Ці теоретичні положення і результати застосовано до реакцій електронного транспорту у фотосинтетичних РЦ: а) показано, що так звані “темнова” та “світлова” конформації РЦ не відповідають загальноприйнятним уявленням про різні фракції ансамблю РЦ, а натомість є відображенням самоузгоджених з потоком структурних перебудов білку РЦ, що приводить при посиленні потоку до появи, співіснування та зникнення відповідних конформацій; б) доведена наявність бістабільних та адаптаційних явищ у редокс-реакціях РЦ для кінетичних і стаціонарних характеристик останніх. При цьому показано, що запропонована модель дифузійного типу з однією узагальненою структурною координатою цілком задовільно описує складні процеси структурної релаксації; для редокс-реакцій РЦ в її якості виступає рушійна сила реакції (різниця відповідних вільних енергій); в) визначені її кількісні зміни, а також інші структурні та релаксаційні параметри РЦ, які виявилися придатними для передбачень і опису подальших експериментів.

* Методами компютерного моделювання процесів стаціонарного та імпульсного ініціювання первинних фотохімічних реакцій у РЦ доведена наявність ефектів його структурної памяті, що триває за межами елементарного оберту електрона в ізольованому РЦ (результати підтверджені у сумісних теоретико-експериментальних дослідженнях). Розвинуто метод розрахунку статистичних характеристик реакцій поодинокої макромолекули, що враховує ефекти її структурної памяті. Виявлені якісні та кількісні відмінності цих характеристик від отриманих у рамках стандартної хімічної кінетики.

* Побудовано кінетичний формалізм, що дозволив виділення і повну класифікацію фізичних механізмів реакцій переносу заряджених частинок через малонаселені проміжні стани макромолекули при заданій структурі останньої. У рамках єдиної схеми визначені адитивні внески цих механізмів у швидкість реакції. Встановлено критерій застосовності кінетичних рівнянь при змінній температурі, що обґрунтовує багато методів термостимуляції. Запропоновано та застосовано метод визначення параметрів конформаційних переходів шляхом неквазістатичного охолодження.

* Обчислено рухливість та інші кінематичні і динамічні характеристики дефектів воднево-звязаних ланцюжків як носіїв заряду в солітонних моделях протонного транспорту при накладенні зовнішніх полів (однопольові однокінкові моделі). Визначені граничні значення протонного дефіциту для виникнення таких носіїв як основного стану несумірних структур.

* Показано, що окремі макромолекули не можуть бути ефективним первинним рецептором впливу слабких мікрохвильових випромінювань на біообєкти.

1. Christophorov L.N., Gorbach V.V., Kharkyanen V.N. Kinetic theory of bridge processes // Int. J. Quant. Chem.- 1982. - Vol. 22. -P. 485-496.

2. Харкянен В.Н., Христофоров Л.Н. Новые механизмы межпримесных переходов через промежуточные состояния конденсированной среды // ДАН УССР, сер. А. - 1983. - Vol. 12. - P.42-44.

3. Christophorov L.N., Kharkyanen V.N. Theory of interimpurity transitions in condensed medium // phys. stat. sol (b).- 1983.- Vol. 116.-P. 415-425.

4. Харкянен В.Н., Христофоров Л.Н., Нокс П.П., Кононенко А.А. Низкотемпературная фиксация состояний как метод исследования электрон-конформационных переходов в фотосинтетических молекулярных комплексах реакционных центров // Молек. Биол.- 1986.-T. 20.- C. 994-1001.

5. Христофоров Л.Н. Подвижность ионных дефектов в солитонной модели протонного транспорта // ДАН УССР, сер. А.- 1987.-№ 6.- C. 52-55.

6. Kristoforov (Christophorov) L.N., Zolotariuk A.V. Dynamics of ionic and bonding defects in quasi-one-dimensional hydrogen-bonded chains // phys. stat. sol. (b).- 1988.- Vol. 146.-P. 487-501.

7. Сериков А.А., Христофоров Л.Н. Об эффектах воздействия микроволнового электромагнитного излучения на биосистемы // Исследование взаимодействия электромагнитных волн мм и субмм диапазонов с биологическими объектами.- К.: Наукова думка, 1989.-C. 41-50.

8. Kristoforov (Christophorov) L.N., Kharkyanen V.N. Resonance electron tunneling under strong electron-vibrational coupling with medium // phys. stat. sol. (b).- 1990.- Vol. 157.-P. K99-102.

9. Сериков А.А., Христофоров Л.Н. Электромагнитная активность биомолекулярных систем в СВЧ диапазоне // Спектроскопия неметаллических кристаллов. - К.: Наукова думка, 1990. - C. 160-164.

10. Christophorov L.N., Kharkyanen V.N., Sitko S.P. On the concept of the nonequilibrium conformon (Self-organization of a selected degree of freedom in biomolecular systems) // J. Biol. Physics.- 1992.-Vol. 18.- P. 191-202.

11. Christophorov L.N., Gaididei Yu.B.. Solitonic defects in hydrogen-bonded systems at finite acidity // Phys.Lett. A.- 1992.-Vol. 167.- P. 367-369.

12. Христофоров Л.Н. Моделирование воздействия слабых микроволновых излучений на биологические системы // Оптическая спектроскопия. - К.: Наукова думка, 1991.-C. 210-214.

13. Christophorov L.N. Dynamical self-organization in biomolecular systems of charge transport // BIOSYSTEMS.- 1995.-Vol. 35.- P. 171-174.

14. Christophorov L.N. Conformation-dependent charge transport: a new stochastic approach // Phys.Lett. A.- 1995.-Vol. 205.- P. 14-17.

15. Christophorov L.N., Serikov A.A. Do weak microwaves act upon living beings on a biomolecular level? // ULTRASCI. Phys. Sciences.- 1996.-Vol. 8.- P. 24-30.

16. Christophorov L.N. Intelligent molecules: examples from biological charge transport // Proc. SPIE.- 1996.-Vol. 2779.- P. 58-65.

17. Christophorov L.N. Dichotomous noise with feedback and charge-conformation interactions // J. Biol. Phys.- 1996.-Vol. 22.- P. 197-208.

18. Christophorov L.N. Self-controlled flow processing by biomolecules // Sol. State Ionics.- 1997.-Vol. 97.- P. 83-88.

19. Abgaryan G.A., Christophorov L.N., Goushcha A.O., Holzwarth A.R., Kharkyanen V.N., Knox P.P., Lukashev E.A. Effects of mutual influence of photoinduced electron transitions and slow structural rearrangements in bacterial photosynthetic reaction centers // J. Biol. Phys.- 1998.-Vol. 24.- P. 1-17.

20. Христофоров Л.Н. Структурная саморегуляция функционирующих макромолекул // Доповіді НАН України (розд. фізики).- 1998.-№ 12.-С. 96-100.

21. Christophorov L.N. Mode of RC operation: a new insight into fast/slow processes interplay // Photosynthesis: Mechanisms and Effects (ed. G.Garab).- Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1998.- Vol. II.-P. 799-802.

22. Christophorov L.N., Holzwarth A.R., Kharkyanen V.N., van Mourik F. Structure-function self-organization in nonequilibrium macromolecular systems // Chem. Phys.- 2000.-Vol. 256.- P. 45-60.

23. Christophorov L.N. Effects of protein structure memory in rate processes // Eur. Biophys. J.- 2000.-Vol. 29.- P. 259.

24. Barabash Yu.M., Berezetskaya N.M., Christophorov L.N., Goushcha A.O., Kharkyanen V.N. Effects of structural memory in protein reactions // J. Chem. Phys.- 2002.-Vol. 116.- P. 4339-4352.

25. Manzo A.J., Goushcha A.O., Scott G.W., Kharkyanen V.N., Christophorov L.N., Barabash Yu.M., Kapoustina M.T.. Evidence for a slow conformational relaxation in highly pre-illuminated reaction centers // Biophys. J.-2002.-Vol. 82, # 1(2).- P. 313.

26. Christophorov L.N., Kapoustina M.T., Kharkyanen V.N. Structural regulation of the secondary electron transfer in bacterial photosynthetic reaction centres // Доповіді НАН України (розд. фіз.).- 2002.- № 5.- С. 95-100.

27. Goushcha A.O., Manzo A.J., Scott G.W., Christophorov L.N., Knox P.P., Barabash Yu.M., Kapoustina M.T., Berezetska N.M., Kharkyanen V.N. Self-regulation phenomena applied to bacterial reaction centers. Nonequilibrium adiabatic potential: dark and light conformations revisited // Biophys. J.- 2003.- Vol. 82, # 2.- P.1146-1160.

28. Christophorov L.N., Holzwarth A.R., Kharkyanen V.N. Conformational regulation in single molecule reactions // Укр. Фіз. Журн. - 2003. - Т. 48, №7. - С.672-680.

29. Харкянен В.Н., Христофоров Л.Н. Исследование электрон-конформационных переходов методом неквазистатического охлаждения: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 84-104P.- К.: 1984.- 25с.

30. Золотарюк А.В., Христофоров Л.Н. Динамика протонных кинков в цепочке с водородными связями: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 87-69P.- К.: 1987.- 23с.

31. Сериков А.А., Христофоров Л.Н. Резонансные эффекты воздействия слабых микроволновых полей на биомолекулы: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 88-39Р.- К.: 1988.- 23с.

32. Andreev E.A., Christophorov L.N., Kharkyanen V.N., Serikov A.A., Sitko S.P. Research into the physical mechanisms of action of low-intensity microwave radiation upon biological systems. I: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 90-49Е.- К.: 1990.- 36с.

33. Andreev E.A., Christophorov L.N., Kharkyanen V.N., Serikov A.A., Sitko S.P. Research into the physical mechanisms of action of low-intensity microwave radiation upon biological systems. II: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 90-50Е.- К.: 1990.- 36с.

34. Andreev E.A., Christophorov L.N., Kharkyanen V.N., Serikov A.A., Sitko S.P. Research into the physical mechanisms of action of low-intensity microwave radiation upon biological systems. III: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 90-79Е.- К.: 1990.- 29с; Андреев Е.А., Сериков А.А., Ситько С.П., Харкянен В.Н., Христофоров Л.Н. Исследование физических механизмов воздействия слабоинтенсивного микроволнового излучения на биологические системы. - К.:, ВНК “Отклик”, 1990.- 105с.

35. Christophorov L.N. Towards certain approaches in self-organization theory: Препр./ АН УССР, Ин-т теор. физики; 91-13Е.- К.: 1991.- 13с.

36. Сериков A.A., Христофоров Л.Н. О воздействии ЭМИ КВЧ на биомолекулярные системы // Тез. докл. Междунар. Симп. “Фундаментальные и прикладные аспекты действия мм излучения”.- К.: СМ СССР, ВНК “Отклик”.- 1989.- C. 15-16.

37. Christophorov L.N. Self-organization in charge-transfer systems // Abstr. 4th Conf. Int. Soc. Molec. Electronics & Biocomputing (MEBS 93).- Gaithersburg (USA).- 1993.-P.12.

38. Christophorov L.N. Solitonic defects in hydrogen-bonded systems // Abstr. 7th Int. Conf. “Sol. State Protonic Conductors” (SSPC 7).- Schwabisch Gmund (Germany)- 1994.- P. A5.

39. Christophorov L.N. Recent evidences of functional nonlinearities in macromolecular systems of charge transport // Abstr. 5th Conf. of Int. Soc. Mol. Electronics & Biocomputing.- Goa (India).- 1994.- P.97.

40. Christophorov L.N. Self-consistent dichotomous noise and functional nonlinearities in primary reactions of photosynthesis // Abstr. NATO ASI “Physics of Biomaterials”.- Geilo (Norway).- 1995.-P.45.

41. Christophorov L.N. Conformation-dependent charge transport in biomolecular systems: a new stochastic approach // Abstr. 3rd Taipei Int. Symp. on Statistical Physics (Nonlinear and Random Processes).-Taipei (Taiwan).- 1995.- P. 481.

42. Christophorov L.N. Movable structure of the transport chain and its self-organization under flux conditions // Abstr. 8th Int. Conf. “Sol. State Protonic Conductors” (SSPC 8).- Gol (Norway).- 1996.- P.46.

43. Christophorov L.N. Self-controlled flow processing by biomolecules // Abstr. 10th Int. Conf. on Superlattices, Microstructure & Microdevices // Lincoln (USA).- 1997.- P. 162.

44. Christophorov L.N., Goushcha A.O., Kharkyanen V.N. Effects of structure-function organization in photosynthetic reaction centres // Abstr. 4th Int. Conf. “Patterns, Nonlinear Dynamics and Stochastics in Complex, Spatially Extended Systems” (PNS’97).- Budapest (Hungary).- 1997.- P. 102.

45. Christophorov L.N. Nonlinear and stochastic aspects of electron transfer in structurally labile macromolecular systems // Abstr. 2nd Int. Volkswagen Symp. on Intra- and Intermolecular Electron Transfer.- Kloster Banz (Germany).- 1998.- P. Math 3.

46. Christophorov L.N. Structure-function rearrangements of biomolecules processing flows of low-molecular agents // Abstr. Int. Conf. “Nonlinear Phenomena in Biology”.- Pushchino (Russia).- 1998.- P.13-14.

47. Christophorov L.N. Mode of RC operation: a new insight into fast/slow processes interplay // Abstr. 11th Int. Congress on Photosynthesis.- Budapest (Hungary).- 1998.- P.-46.

48. Christophorov L.N. The role of slow protein movements in charge transfer regulation // Abstr. Int. Conf. “Physics of Biological Systems”.- К.: 1998.- P. 21.

49. Christophorov L.N. Charge transfer in structurally rearrangeable molecular systems // Proc. 7th Eur. Conf. “Thin Organized Films”.- Potsdam (Germany)- 1998.- P. 314.

50. Christophorov L.N., Goushcha A.O., Holzwarth A.R., Kapoustina M.T., Kharkyanen V.N. Light-induced slow conformational dynamics of RCS of photosynthetic bacteria // Abstr. 3rd Int. Volkswagen Symp. on Intra- and Intermolecular Electron Transfer.- Konstanz (Germany).- 1999.- P. P74.

51. Christophorov L.N. Photochemistry of membrane-bound proteins: self-organization vs self-regulation // Abstr. 9th Int. Conf. “Organized Molecular Films ” (LB9).- Potsdam (Germany). - 2000. - P.192.

52. Christophorov L.N. Structure memory and adaptation effects in reactions of macromolecules // Abstr. NATO ASI “Complexity from Micro- to Macroscales: Coherence and Large Deviations ”.- Geilo (Norway).- 2001.-P. 38.

53. Christophorov L.N., Kharkyanen V.N. Structure memory and self-organization effects in reactions of macromolecules // Abstr. 5th Int. Volkswagen Symp. on Intra- and Intermolecular Electron Transfer.- Chemnitz (Germany).- 2001.- P. S2.

54. Barabash Yu.M.,Berezetskaya N.M., Christophorov L.N., Kharkyanen V.N. Electron Transfer kinetics in bacterial photosynthetic RCS: redox traps or protein relaxation? // Ibid., P. P13

55. Christophorov L.N., Holzwarth A.R., Kharkyanen V.N. Effects of structural memory in single molecule reactions // Abstr. Int. Conf. on Modern Problems in Theoret. Physics.- Kiev.- 2002.- P. 59.

56. Christophorov L.N., Kharkyanen V.N. Slow conformational rearrangements of biological macromolecules as 1st-kind phase transitions // Ibid., P. 60.

Размещено на .ru