Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
тонные когерентности, как правило, сопровождаются когерентностями
колебательными [Turner et al., 2012].
Долгоживущая экситонная когерентность обусловливается корреляциями между флуктуациями энергий перехода соседних хромофоров,
которые индуцируются флуктуациями окружения [Ishizaki and Fleming,
2012]. Анализ экспериментальных данных и моделирование показывают, что достаточно сильное взаимодействие электронной системы с
тепловым низкоэнергетическим неравновесным протеиновым и (полярным) водным окружением на соизмеримых временных масштабах может обеспечивать генерацию и последующую эволюцию экситонных
когерентностей [Fassiolli et al., 2012]. Если связь между системой и окружением достаточно велика и время релаксации достаточно медленно
релаксирующего неравновесного окружения сравнимо со временем
эволюции экситонов, то на этом временном масштабе в течение времени корреляций окружения возникают корреляции между системой и окружением [Там же]. Движения хромофоров, протеинового и водного
окружения становятся коррелированными. Коррелированные флуктуации окружения модулируют энергию и связи электронной системы.
Коррелированность системы и окружения порождает квантовые суперпозиции экситонных состояний, которые затем эволюционируют квантово-когерентно [Там же].
Как отмечалось в главе 4, флуктуации водородных связей молекул воды модулируют корреляции в электронной системе биомолекул
и поэтому эти коррелированные флуктуации могут модулировать и
ССИ на субпикосекундном масштабе времени. Во многих случаях окружение существенно влияет на безызлучательный перенос энергии и
заряда между хромофорами, например в случае ДНК (глава 4).
Это позволяет нам предположить, что динамика протеинового и
водного окружения люминофоров, характеризующаяся корреляциями
дальнего порядка, может
модулировать излучение люминофора, его
фазу на субпикосекундном масштабе времени, а также безызлучательный перенос энергии. Весомым аргументом в пользу этого утверждения является тот факт, что в фотосинтетических комплексах окружение хромофоров модулирует безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения, что действительно приводит к фазовым эффектам – формированию самой электронной когерентности (
глава 4).
Те же соображения дают нам основание предположить, что динамика когерентных ядерных мод протеинового окружения люминофора также может на пикосекундном масштабе времени модулировать
излучение хромофоров.
121
Поскольку экситонная когерентность влияет на безызлучательный перенос энергии в фотосинтетических комплексах и реакционных
центрах (глава 4), мы можем предположить, что корреляции дальнего
порядка в экситонной динамике, долгоживущая электронная когерентность могут формировать свойства статистической упорядоченности
излучения люминофоров. При этом возникает возможность квантовой
интерференции, что позволяет более эффективно переносить информацию о процессах в электронной системе биомолекул. Таким образом, формируется статистически упорядоченное излучение.
Если излучатель соответствует колебательным модам биомолекулы, водное окружение биомолекулы, характеризующееся корреляциями дальнего порядка, может модулировать излучение.
Еще одним свидетельством в пользу предлагаемого механизма
является следующее обстоятельство. Колебательный спектр окружения
регулирует перенос энергии в биомолекулах. В частности, динамика
окружения влияет и на эффективность переноса энергии экситонов,
поскольку переходы между экситонными состояниями определяются
окружением. Скорости перехода между экситонными состояниями
пропорциональны значениям колебательного спектра окружения
(спектральной плотности) на разностях энергий соответствующих экситонов. Поэтому если разность энергий между экситонными состояниями соответствует максимуму колебательного спектра окружения,
то наблюдается максимум в эффективности переноса энергии. Моделирование для фотосинтетического комплекса Фенны – Маттеуса –
Ольсона дало такое соответствие максимума эффективности переноса
энергии экспериментально определенному максимуму спектральной
плотности протеинового окружения 180 см 1− [del Rey et al., 2013]. Таким образом, структура спектра флуктуаций окружения хромофора
играет определяющую роль не только в поддержке долгоживущих когерентностей, но и в повышении эффективности переноса энергии.
Подчеркнем, что эти явления корреляций дальнего порядка и
долгоживущих квантовых когерентностей, как полагают, могут
иметь место в естественных условиях, не только при (экспериментальном) возбуждении лазерными импульсами с достаточно большой спектральной шириной. Когерентные колебательные движения
могут быть индуцированы химической реакцией или ультрабыстрым
внутренним перераспределением колебательной энергии (глава 1).
Когерентности связаны с населенностями вибронных уровней: когерентность одной моды может быть создана при некогерентном возбуждении другой [Новодережкин и др., 2005]. Когерентная экситон-
122
ная динамика, как показывает моделирование, возникает при некогерентном возбуждении: некогерентным светом либо возбуждением,
переносимым с другого хромофора или биомолекулы, т. е. когерентность в биомолекулах (протеинах) может возникать в естественных
условиях [Fassiolli et al., 2012]. Согласно расчетам, если система изначально находится в неосциллирующем стационарном состоянии,
флуктуации гамильтониана быстро (десятки фс) приводят систему к
когерентным осцилляциям в населенностях, к когерентному состоянию [Kim et al., 2012]. Эти и другие результаты возволяют полагать,
что экситонная когерентность все время присутствует в естественных фотосинтетических, а также в подобных им молекулярных системах [Womick et al., 2009a, 2009b] без когерентного возбуждения,
непрерывно формируясь – разрушаясь и воссоздаваясь – вследствие
взаимодействия электронной системы с ядерными степенями свободы микроокружения [Fleming et al., 2011]. Поэтому передлагаемый
механизм применим в естественных условиях.
Таким образом, мы предполагаем, что ССИ может быть модулируемо, во-первых, электронно-когерентной динамикой самой электронной системы хромофора, во-вторых, колебательно-когерентной
динамикой протеиновых мод и, в-третьих, корреляциями дальнего
порядка в протеиновом и водном окружении хромофора. Наше предположение относится в первую очередь к ССИ, связанному с системой фотосинтеза, но может быть распространено и на другие соответствующие биомолекулы.
Из данного механизма вытекает, в частности, что динамика воды
отражается в модулированном ею излучении хромофора и эта модуляция, информация переносится дистантно.
Заметим, что, как известно, безызлучательный перенос химически генерируемых электронно-возбужденных состояний на фотосинтетические комплексы приводит к той же флуоресценции (и тем же
реакциям), что и соответствующее внешнее излучение [Баскаков и
Воейков, 1996]. Вообще, химически продуцируемые электронновозбужденные состояния во многих случаях идентичны тем, которые
формируются при поглощении соответствующих фотонов [White et
al., 1970]. Это означает, что и химически генерируемое эндогенное
ССИ может быть модулировано квантово-когерентной динамикой и
корреляциями дальнего порядка окружения. Мы вернемся к этому вопросу в главе 7.
Как уже отмечалось, электронные возбуждения в биополимерах
делокализуются с возможным образованием устойчивых солитонов
123
или поляритонов [Кузин, 2002]. Непрерывный распад солитонов и
поляритонов дает когерентное излучение, несущее информацию от
данного биополимера к другим молекулам клетки [Там же]. Конформация биополимеров определяет информацию и энергию солитоноподобных образований. Значительное изменение конформации ведет
к усиленному распаду солитонов и поляритонов и образованию когерентного ССИ, а также к изменению характера информации [Там же].
Можно полагать, что все биополимеры, находясь в возбужденных состояниях, содержат солитоноподобные образования и эмитируют
ССИ. На наш взгляд, усиленный распад солитонов может вызвать и
структурная динамика водного окружения, дополняющая конформационные преобразования (см. главу 4).
Таким образом, имеются основания предположить, что протеиновое и водное окружение люминофоров биомолекул, характеризующееся корреляциями дальнего порядка, долгоживущие квантовые когерентности в самих люминофорах могут модулировать сверхслабое
излучение и безызлучательный перенос энергии в биосистемах на
субпикосекундном и пикосекундном масштабе времени, придавая ему
статистически упорядоченный характер. Это может соответствовать
информационной роли переноса энергии в биосистемах.
124
ГЛАВА 6. Управление возбужденными
конформационными состояниями
и флуктуационной структурной
динамикой протеина и его регуляция
посредством структурной динамики
водородных связей воды
и электромагнитных сигналов
6.1. Возбужденные конформационные состояния протеинов
Общепринятый механизм регуляции протеинов основывается на
изменениях в его основном состоянии в ответ на сигнал. Но регуляцию протеинов можно проводить, управляя населенностями их возбужденных состояний. Более того, возбужденные состояния протеинов могут быть решающим фактором для протекания той или иной
реакции с их участием.
Биологическая функция молекулы определяется изменениями
свободной энергии, зависящими от статических (энтальпийная составляющая) и динамических (энтропийная составляющая) взаимодействий [Baldwin and Kay, 2012]. Помимо формы и химической комплементарности конформационные флуктуации, динамика играют
важную роль в функционировании протеина. Со статистической точки зрения состояние протеина представляется ансамблем быстро меняющихся конформаций: высоко населенных основных состояний и
транзиентно формируемых возбужденных конформационных состояний с очень низкими населенностями, до полупроцента от основного
(с распределением Больцмана) [Gustavsson et al., 2012]. Переходы между этими состояниями осуществляются на масштабе микросекунд
— миллисекунд, который соответствует важным биопроцессам, например энзиматическому катализу и связыванию лиганда [Hansen et
al., 2009; Eisemesser et al., 2002]. Динамика биомолекул на этих временных масштабах связана с их функционированием.
Экспериментальные исследования (методом спектроскопии
ЯМР) последнего времени показывают, что слабо населенные конформационные состояния (энергетически возбужденные состояния)
важны для катализа, сигнализации, молекулярного распознавания.
125
Например, в возбужденном состоянии Vav протоонкогена автоингибирующий элемент диссоциирует от каталитической поверхности, и
каталитическая активность линейно зависит от населенности возбужденного состояния [Tseng and Kalodimos, 2011].
В ряде случаев возбужденные состояния структурно похожи на
определенные функциональные состояния, например последовательные состояния в каталитическом цикле [Там же; Boehr et al., 2006].
Взаимодействия протеинов можно объяснить тем, что связывающийся партнер взаимодействует с протеином как с таким ансамблем конформационных состояний. Партнер взаимодействует преимущественно со слабо населенным высокоэнергетичным состоянием,
выбирая его из ансамбля. Это взаимодействие лишь сдвигает равновесие в сторону выбранной конформации, стабилизируя комплекс
(модель «конформационного выбора») [Boer and Wright, 2008]. Например, в ансамбле конформаций кальмодулина содержатся конформации, похожие на конформацию кальмодулина, связанного с киназой [Там же]. Эта концепция дополняет традиционную, согласно которой первоначальное взаимодействие между протеином и его партнером порождает конформационные изменения в протеине.
Внутренние движения протеина не являются полностью рандомизированными и характеризуются тем, что флуктуации направляются динамикой к функционально значимым конформациям. Например,
нефосфорилированная форма сигнального протеина NtrC флуктуирует к высшей по энергии конформации, похожей на фосфорилированную форму. Здесь предсуществует равновесие между активной и неактивной конформациями, а фосфорилирование просто стабилизирует
активную конформацию после переброса через энергетический барьер [Там же].
Таким образом, регуляцию протеинов можно проводить не только изменением в их основном состоянии
в ответ на сигнал, но и
управляя населенностями их возбужденных состояний. При этом возбужденные состояния протеинов могут быть ключевым фактором для
протекания той или иной реакции с их участием. Примером [Masterson et al., 2011a, 2011b; Vendruscolo, 2011] этому служит сигнальная
подсистема регуляции кардиомиоцитов, в которой протеинкиназа А
фосфорилирует мембранный протеин фосфоламбан, последний в
свою очередь ингибирует
Ca-АТФазу саркоплазматического ретикулума, регулирующую мышечное сокращение и релаксацию. Оказалось, что протеинкиназа А распознает и фосфорилирует именно возбужденное состояние фосфоламбана, причем сама при этом находясь
126
в возбужденном состоянии. Каталитическая эффективность киназы
α
линейно коррелирует с населенностью возбужденного состояния. В
этом случае конформационая динамика протеина (фосфоламбана) является решающим фактором регуляции фосфорилирования и сигнализации. Далее, фосфоламбан наиболее активен по отношению к
АТФ-азе также в возбужденном состоянии. Таким образом, в этой
сигнальной системе все взаимодействия протеинов совершаются в
возбужденных состояниях.
В [Gardinio et al., 2009] показано, что только возбужденная конформация NtrC протеина может быть фосфорилирована. Активация
протеина и селективное связывание со слабонаселенной конформацией может быть общим механизмом для других киназ, а также для
процесса связывания лиганда [Там же].
Аналогично,
−J -спираль, смежная к домену LOV2 в фототро-
пинах (см. пп. 3.1.2.Б), может принимать различные конформационные состояния и в возбужденном (развернутом) состоянии индуцирует активность фоторецептора и сигнализацию. Для активации фоторецептора фототропина 1 посредством α-спирали при LOV-домене
требуется 3,8 ккал/моль [Tzeng and Kalodimos, 2011], что примерно
соответствует энергии колебаний изгибной моды молекулы воды.
Также сигнальный фактор Vav существует в равновесии между
неактивным основным состоянием и активным возбужденным, последнее стабилизируется фосфорилированием [Li et al., 2008;
Korzhnev, 2013].
6.2. Регулирующая роль флуктуационной
структурной динамики протеина
около средней конформации
Регуляция активности протеинов может осуществляться путем
стабилизации их специфических конформаций, но также и путем изменений в их структурной динамике [Kalodimos, 2011, 2012, 2013].
Установлено, что структурно неактивный протеин способен активироваться путем соответствующих изменений в его внутренних
движениях в отсутствие изменений средней структуры протеина
[Tzeng and Kalodimos, 2011].
Сродство протеин — лиганд может модулироваться внутренней
структурной динамикой протеина даже при отсутствии изменений
связывающей поверхности [Tzeng and Kalodimos, 2012].
127
В [Tzeng and Kalodimos, 2009] рассмотрен мутант катаболитактиваторного протеина CAP-S62F. Транскрипционный активатор
CAP, связываясь с циклическим AMФ, переходит в состояние, в котором сильно связывает ДНК. CAP-S62F существует преимущественно
в неактивном состоянии, возбужденное активное состояние заселено
примерно на 2 %, переходы между этими состояниями имеют место
на мкс–мс-временном масштабе. Возбужденное состояние ДНКсвязывающего домена очень похоже на активное состояние. Несмотря
на слабую заселенность активного состояния, CAP-S62F связывается
с ДНК столь же сильно, как и CAP. Измерения амплитуды внутренних движений на пс–нс-временном масштабе показало, что CAPсвязывающий домен характеризуется повышенной гибкостью, т.е. повышенным уровнем внутренних движений. Таким образом, даже если
протеины существуют в неактивном конформационном состоянии,
они могут быть активированы изменениями во внутренних движениях [Там же].
Сигнал может регулировать активность протеина структурными
изменениями: в форме протеина и связывающих взаимодействий. Но
кроме изменений в средней конформации изменения в динамических
флуктуациях около средней конформации могут осуществлять передачу сигнала. Сигнал может распространяться по протеину с минимальными или полностью отсутствующими структурными (конформационными) изменениями. Таким образом, возможно, главную роль
в регуляции активности (энзиматический катализ, связывание субстратов или кофакторов) протеинов играют изменения в его внутренних движениях: быстрой, связанной с конформационной энтропией, и
медленной, связанной с возбужденными конформационными состояниями, динамике, а не изменения средней структуры его основного
состояния [Kalodimos, 2011, 2012, 2013].
6.3. Регуляция протеина управлением
возбужденными конформационными состояниями
и флуктуационной структурной динамикой
с помощью структурной динамики водородных связей
воды и электромагнитных сигналов
Изменение конформации протеинов может происходить вследствие тепловых флуктуаций. Мы полагаем, что помимо тепловых
128
флуктуаций переход между состояниями может осуществляться по-
α
−
α
средством взаимодействий с внешним электромагнитным полем и
воздействием других сверхслабых факторов. Действительно, в части I
показано, что энергия электромагнитного излучения может использоваться для роста областей организованной воды – структурных флуктуаций. Структурные флуктуации по величине сравнимы с теповыми
флуктуациями в сетке водородных связей [Nilsson et al., 2012]. В свою
очередь, преобразования сетки водородных связей воды определяют
структурную динамику протеина, основанную на водородных связях
[Zhong et al., 2011; см. главу 4). В то же время установлено, что конформационные переходы между активным и неактивным состояниями могут осуществляться с помощью транзиентных водородных связей (или других взаимодействий): нарушение водородных связей замедляет конформационные изменения [Boer, 2009]. Как отмечалось,
протеины находятся в равновесии между неактивным основным состоянием с высокой населенностью и активным слабо населенным
возбужденным состоянием [Masterson et al., 2011a, 2011b] и сдвиг этого равновесия структурными флутуациями ВС водного окружения
или электромагнитным излучением мог бы решающим образом повлиять на регуляцию протеинов и сигнализацию. На этом основании и
с учетом результатов главы 4 мы полагаем, что преобразования
структурной динамики водородных связей воды, индуцируемые
сверхслабыми воздействиями, в частности электромагнитными излучениями, могут управлять структурной динамикой протеина на псмасштабах, которая определяет динамику конформационных флуктуаций протеина на масштабе времени мкс–мс и соответствующую
регуляцию его функциональных состояний.
Далее, мы можем предположить, что электромагнитные поля
испускаемые при переходе возбужденной междоменной спирали сигнальных протеинов, например развернутой
J -спирали LOV-
протеинов в основное состояние, могут резонансно воздействовать на
развертывание спирали другой молекулы, сдвигая равновесие между
основным и возбужденным состояниями, передавая сигнал, определяющий последующие события в клеточной сигнализации. Действи-
,
тельно, длинные междоменные связывающие спирали найдены у
многих сигнальных протеинов, и изменения этих спиралей могут играть важную роль в
передаче сигнала [Möglich et al., 2010; п. 3.1]. Например, конформационные и динамические изменения, вызванные
образованием сигнального состояния в сенсороном домене белков,
содержащих LOV-домены, приводят к развертыванию
−J -спирали,
129
далее сигнал передается на эффекторный домен, запускающий после-
α
−
дующие реакции. Развертывание
J -спирали играет важную роль в
регуляции киназной активности фоторецептора, будучи достаточным
для активации киназы [Harper et al., 2003, 2004]. Эти взаимодействия
определяют последующие события в клеточной сигнализации, так что
этот механизм может быть частью сигнализации и соответствовать
биокоммуникации.
130