Молекула иммуноглобулина G — одна их многих тысяч белковых молекул, за счет слаженного действия которых функционируют живые клетки. Изображение с сайта visual-science.com
Всё состоит из атомов, — и живые существа здесь не исключение. То, что мы воспринимаем (и ощущаем в себе!) как жизнь, сводится в конечном итоге к последовательности огромного числа параллельно протекающих процессов с участием молекул, атомов, электронов.
В этом сюжете мы не будем стремиться охватить все биофизические процессы, идущие в живых организмах, а разберем только один очень наглядный пример — поведение, «жизнь» белковых молекул. У этой «жизни» есть свои этапы. Когда белок синтезируется в клетке, он появляется в виде длинной и тонкой молекулярной цепочки, а затем сворачивается в свою естественную (нативную) форму. Этот процесс называется фолдинг, т. е. укладка белка. Поскольку белковые молекулы сложные, фолдинг протекает не одномоментно, а тоже разбит на отдельные стадии. Упаковавшийся белок уже готов к выполнению своей функции, однако поскольку он продолжает активно двигаться в среде, он иногда слегка расплетается и снова упаковывается.
Некоторые из этих этапов очень быстрые, другие помедленнее, а иные требуют целую вечность с точки зрения атомного движения. Однако эти временные масштабы можно почувствовать, связать друг с другом, понять их происхождение — и вот об этом мы постараемся рассказать.
Первый важнейший масштаб времен для биофизических процессов — время, на котором молекулы начинают шевелиться. В пикосекундном сюжете мы рассказывали о том, как получить оценку этого масштаба, но нелишне будет повторить ее и здесь. Мы берем на вооружение нашу руководящую идею о том, как оценивать времена: типичные расстояния поделить на типичную скорость. Расстояние между атомами в жидкости или твердом теле — несколько атомных размеров, т. е. несколько ангстрем. Типичные скорости движения — это обычные тепловые скорости, которые того же порядка, что и скорость звука в воздухе. Эта простая оценка дает опорный масштаб:
| t ~ | несколько атомных размеров | ~ | 3 Å | = 1 пс. |
| скорость звука в воздухе | 300 м/с |
Это уже почти нужный ответ. Надо еще не забыть одну тонкость: чем легче молекула или атом, тем больше его тепловая скорость. В биологических молекулах есть много атомов водорода, самого легкого из элементов. А значит, самые быстрое атомное движение в биологических молекулах — это колебания атомов водорода, торчащих «ежиком» из всех биологических молекул. Исследования показывают, что типичные периоды колебаний боковых цепочек в аминокислотах, из которых состоят белки, — 15–30 фс. Итак,
| десятки фемтосекунд — элементарный шаг атомного движения в биологических молекулах. |
ФС Колебания протонов в двойной водородной связи — один из самых быстрых типов колебаний в биологических молекулах. Изображение с сайта mbi-berlin.de
Это число, образно говоря, задает «тактовую частоту» жизни — этакий временной масштаб мельчайших изменений, из которых потом будет складываться движение белковой молекулы, а дальше и вся жизнь. Конечно, эти слова не надо воспринимать слишком буквально. Мир — не компьютер, и движение молекул вовсе не пошаговое, а плавно развивающееся во времени. Но они должны дать ощущение временного масштаба, начиная с которого уже можно говорить о движении молекулы.
Полученная оценка говорит еще вот о чём. Если мы хотим промоделировать на компьютере атомное движение в молекуле в надежде «просчитать фолдинг», то нам придется сделать шаг по времени существенно меньше этого масштаба. Типичный шаг в таких расчетах — 1 фс, и благодаря этому даже протонные колебания удается представить в виде плавного движения.
Главная и боковые цепи Сонолюминесценция. Последние мгновения коллапса