VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г. |
Программа СъездаСекции и тезисы:
Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных системМолекулярные машины как инструмент сопряженного нарушения симметрии и преобразования формы энергии в рабочем циклеВ.А. Твердислов1* 1.Физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова ; * tverdislov(at)mail.ru Доклад посвящен обсуждению ряда новых общих положений, развитых в отношении биологических молекулярных машин и рассмотренных в нестандартном аспекте идей симметрийности, конкретно – хиральности. В развитие нетривиальных фундаментальных идей Эмми Нётер и Фримана Дайсона о физической обусловленности связей между законами сохранения и разными типами симметрий, а также о процессе эволюции систем как череде нарушения симметрии мы выдвигаем соображение о том, что в таком сопряжении молекулярные машины живой природы являются ключевой находкой Природы в формировании и функционировании Жизни на Земле. Сообщение ориентировано на белки-ферменты, рецепторы, насосы, преобразующие энергию, вещество и информацию. Функционирование специализированных информационных молекулярных машин, базирующихся на нуклеиновых кислотах и их комплексах с белками, а также белково-липидных надмолекулярных мембранных машин, как мы полагаем, основано на тех же физических принципах.
Машиной можно назвать устройство (конструкцию), которое способно в циклическом режиме преобразовывать форму энергии, совершая «полезную работу», благодаря наличию в ней «выделенных» механических, (поступательных, колебательных, вращательных), в том числе, квантовомеханических, степеней свободы, кинетически разделяющих работу и диссипацию. Молекулярная машина есть инструмент преобразования формы энергии, сопряженного с нарушением симметрии в неравновесной нелинейной системе (конструкции с нелинейными/вентильными элементами) для совершения «полезной работы». «Полезная работа» машин составляет сущность их биологических функций. Эволюционно состоявшиеся молекулярные машины являются иерархически организованными динамическими хиральными устройствами (конструкциями). Ранее нами была сформулирована и обоснована концепция, согласно которой, физической основой молекулярной биологии и молекулярных машин является периодическая система связанных симметрическими соотношениями знакопеременных хиральных структур во внутри- и надмолекулярных иерархиях структур важнейших классов биомакромолекул. Выявлена общая закономерность: начиная с уровня асимметричного углерода в дезоксирибозе и аминокислотах, прослежена тенденция чередования знака хиральности внутримолекулярных структурных уровней D-L-D-L для ДНК и L-D-L-D для белков. Проявлениями хиральности выступают не только гомохиральные аминокислоты и сахара, но также спиральность и суперспиральность вторичных структур и структур более высокого порядка, а также хиральные особенности разных типов бета-структур. Составленное этими иерархиями ядро молекулярной биологии интегрально составляет уже ахиральный инвариант, а сами эти структуры непосредственно реализуют выделенные механические степени свободы молекулярных машин. Основной идеей разрабатываемого авторами положения о молекулярных машинах является представление о сопряженном нарушении симметрии и смене формы энергии при движении машины по рабочему циклу в ходе совершения «полезной работы». Такое сопряжение составляет физическую основу совершения электро-механо-биохимической «полезной работы», ориентированной на морфогенез и физиологические функции. Феномен хиральности позволяет формировать дискретные хирально знакопеременные иерархии структур в макромолекулярных машинах в процессе фолдинга, а также обеспечивает однонаправленное движение машин по термодинамическому циклу за счет нелинейных вентильных свойств вторичных и иерархически более высоких спиральных и других регулярных внутри- и надмолекулярных структур. Конструктивные элементы молекулярных машин являются одновременно «рабочим телом», преобразователями форм энергии, а также нелинейными элементами, управляющими последовательностью и сопряжением элементарных актов в цикле. Существенно, что хиральные структуры воды, находящиеся в контакте с внутримолекулярными и поверхностными структурами больших молекул, являются непосредственными участниками генерализованных симметрийных перестроек в рабочем цикле машины. Проведен теоретический анализ механических вентильных свойств спиральных и суперспиральных структур белковых макромолекул. 1. Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Багрова О.Е., Белова, Е.В., Быстров, В.С., Левашова, Н.Т., Луценко, А.О., Семенова, Е.В., Шпигун, Д.К. Хиральность как симметрийная основа самоорганизации биомакромолекул. Биофизика, издательство Наука (М.), том 67, № 5, с. 837-858, 2022. DOI 10.31857/S0006302922050015 Molecular Machines as a Tool for Coupled Symmetry Breaking and Energy Form Transformation in a Working CycleV.A. Tverdislov1* 1.Physical Dept of Lomonosov Moscow State University ; * tverdislov(at)mail.ru The report is devoted to a discussion of a number of new general provisions developed in relation to biological molecular machines and considered in a non-standard aspect of the ideas of symmetry, specifically - chirality. In developing the non-trivial fundamental ideas of Emmy Noether and Freeman Dyson on the physical conditionality of connections between conservation laws and different types of symmetries, as well as on the connectedness of the evolution of systems through a series of symmetry breaking, we put forward the idea that in their conjugation, molecular machines of living nature are a key find Nature in the formation and functioning of Life on Earth.
The message is focused on protein-enzymes, receptors, pumps that convert energy, matter and information. The functioning of specialized information molecular machines based on nucleic acids and their complexes with proteins, as well as protein-lipid supramolecular membrane machines, we believe, is based on the same physical principles. A machine can be called a device (construction) that is capable of converting the form of energy in a cyclic mode, performing “useful work”, due to the presence in it of “dedicated” mechanical (translational, oscillatory, rotational), including quantum mechanical, degrees of freedom, kinetically separating work and dissipation. The molecular machine is a tool for transforming the form of energy associated with symmetry breaking in a non-equilibrium nonlinear system (constructions with nonlinear/valve elements) to perform "useful work". The "useful work" of machines is the essence of their biological functions. Evolutionarily established molecular machines are hierarchically organized dynamic chiral devices (constructions). Previously, we formulated and substantiated the concept, according to which the physical basis of molecular biology and molecular machines is a periodic system of sign-alternating chiral structures connected by symmetrical relationships in intra- and supramolecular hierarchies of structures of the most important classes of biomacromolecules. A general pattern was revealed: starting from the level of asymmetric carbon in deoxyribose and amino acids, a tendency of alternation of the sign of chirality of intramolecular structural levels D-L-D-L for DNA and L-D-L-D for proteins was traced. Manifestations of chirality are not only homochiral amino acids and sugars, but also helicity and superhelixity of secondary and higher order structures, as well as chiral features of different types of B-structures. The core of molecular biology composed by these hierarchies integrally constitutes an achiral invariant, and hese structures themselves directly implement the selected mechanical degrees of freedom of molecular machines. The main idea of the position on molecular machines developed by the authors is the idea of conjugate symmetry breaking and change of the form of energy when the machine moves through the working cycle in the course of performing “useful work”. Such conjugation is the physical basis for performing electro-mechano-biochemical "useful work" focused on morphogenesis and physiological functions. The phenomenon of chirality allows the formation of discrete chirally sign-alternating hierarchies of structures in macromolecular machines in the process of folding, and also ensures the unidirectional movement of machines along the thermodynamic cycle due to the nonlinear valve properties of secondary and hierarchically higher helical and other regular intra- and supramolecular structures. Structural elements of molecular machines are at the same time a "working substance", converters of energy forms, as well as non-linear elements that control the sequence and conjugation of elementary acts in a cycle. It is essential that the chiral structures of water, which are in contact with the intramolecular and surface structures of large molecules, are direct participants in the generalized symmetry rearrangements in the operating cycle of the machine. A theoretical analysis of the mechanical valve properties of helical and superhelical structures of protein macromolecules has been carried out. 1. Tverdislov V.A., Sidorova A.E., Bagrova O.E., Belova E.V., Bystrov V.S., Levashova N.T., Lutsenko A.O., Semenova E.V., Spigun D.K. Chirality as a symmetrical basis of self-organization of biomacromolecules. Biophysics, Nauka Publisher (M.), vol. 67, no. 5, pp. 837-858, 2022. DOI 10.31857/S0006302922050015 Докладчик: Твердислов В.А. 136 2023-01-31
|