Теория мембранных насосов, на которой выстроена вся современная медицина, и ее главные противоречия.

Читатель, дойдя до этой страницы, уже успел основательно ознакомиться с вопросами избирательного накопления клетками ионов К⁺ в присутствии Na⁺, большей частью в контексте гипотез Мура и Роуфа, Фишера, ТФЗЛ   и ТМОПВ Линга.

Трактовка мембранной теорией этого важнейшего физиологического явления претерпела ряд метаморфоз. Сначала было решено, что клеточная мембрана непроницаема как для ионов К⁺, так и Na⁺ . Это вызвало критику со стороны Мура и Роуфа, о которой мы рассказывали ранее. Тогда была предложена версия Монда-Амсона-Бойля-Конвея: мембрана проницаема для К⁺, но непроницаема для Na⁺. В конце концов, пришлось признать, что и для ионов Na⁺ клеточная мембрана проницаема. Но если и К⁺, и Na⁺ могут проходить через мембрану, их внутриклеточная концентрация должна быть такой же, как и вне клетки, что на самом деле не так.

Назревал кризис, и вот тут-то возникла теория натриевого насоса. Как уже говорилось, на протяжении всей истории науки время от времени выносились на рассмотрение идеи различных метаболических насосов (или помп, как их еще называют — см. образец ненаучной фантастики, официально продаваемой доверчивым страждущим, на фото). Очередная версия теории насосов объясняла низкий уровень клеточного Na⁺ непрерывной работой постулируемого мембранного насоса, выкачивающего ионы Na⁺ наружу, в противовес его постоянной диффузии внутрь клетки.

Но непрерывная работа требует непрерывного притока энергии.

Биохимические исследования энергетического обмена клеток в 1930-х годах установили, что его конечным продуктом является аденозинтрифосфорная кислота (также известная как аденилпирофосфат) или АТФ. Мегоф и Ломанн вычислили теплоту дефосфорилирования АТФ (с образованием АДФ), которая составила -12,0 ккал/моль. Эти и другие данные позволили Липману предложить новую физиологическую доктрину, согласно которой одна из двух конечных фосфатных связей в молекуле АТФ содержит дополнительное количество свободной энергии. Эта энергия может быть высвобождена для выполнения биологической работы при помощи расщепляющего АТФ фермента — АТФазы. Эти необычные связи были названы «высокоэнергетическими (макроэргическими) фосфатными связями» и стали обозначаться ~Р.

Датский биохимик Йене Кристиан Скоу обнаружил в «мембранной фракции» гомогената нервов краба особый вид АТФазы, для наибольшей активности, которой требуется присутствие как К⁺, так и Na⁺, — отсюда произошло ее название: Nа,К-активируемая АТФаза. Скоу предположил, что этот и аналогичные ферменты, находящиеся в мембранах, способны высвобождать и использовать «энергию» высокоэнергетических фосфатных связей АТФ для переноса ионов Na⁺ из клетки наружу, а К⁺ — внутрь против своих градиентов концентрации. Иными словами, идея состояла в том, что эта мембранная Nа,К-зависимая АЕФаза и есть тот самый гипотетический натриевый насос.

На развитие этой теории была затрачена огромное количество времени, талантов и ресурсов, а кульминацией явилось присуждение профессору Скоу в 1997 году Нобелевской премии по химии именно за его работу, связанную с натриевым насосом. В результате этого ответственное за принятие этого решения большинство Нобелевского комитета оказалось в крайне неловком положении, о котором, впрочем, оно не подозревает. Нетрудно понять, почему это так. Любого факта, лежащего в основании  ТФЗЛ и  ТМОПВ, достаточно, чтобы обесценить доводы, приводимые в поддержку теории натриевого насоса, или поставить под серьезное сомнение саму достоверность этой теории. Однако попытаемся конкретизировать это заявление, приведя четыре группы фактов, свидетельствующих о главных противоречиях теории натриевого насоса:

1. Минимальная потребность в энергии гипотетического натриевого насоса в мышце лягушки при неукоснительном соблюдении всех физиологических условий, по меньшей мере в 15-30 раз превышает максимальное количество энергии, которое клетка способна выработать. На протяжении почти полувека, прошедшего после публикации этих данных, никто так и не рискнул оспорить то простое утверждение Линга, что теория натриевого насоса противоречит основному закону физики — закону сохранения энергии. За эти же годы, с другой стороны, достоверность выводов Линга была дважды подтверждена независимыми исследователями.

2. Натриевый насос — лишь один из множества насосов, удерживающих клетку «на плаву». Линг, Миллер и Оксенфельд в 1973 году решили подсчитать, сколько же всего было предложено различных насосов. Неполный, к сожалению, список уже насчитывал 18 насосов, но зато некоторые из них представляли собой целые насосные ансамбли! В их числе оказались также всевозможные насосы для сахаров, свободных аминокислот и даже веществ, которые в обычном организме вообще не встречаются. Но это только насосы поверхностной мембраны. А ведь органеллам клетки тоже нужны насосы. Одним только натриевым насосам саркоплазматического ретикулума поперечнополосатых мышечных волокон, площадь мембраны которого огромна, потребовалось бы в 50 раз больше энергии, чем всем насосам на поверхности клетки. А теперь вспомним первый пункт: клетка не в состоянии обеспечить энергией работу даже одного насоса  поверхностной мембраны — натриевого. Было проведено сравнение минимальной потребности в энергии гипотетического натриевого насоса мышечных волокон лягушки с максимальным количеством доступной энергии, определяемой после подавления дыхания и гликолиза. Метаболизм подавляли сочетанием низкой температуры (0 °С), замещения кислорода среды чистым азотом, добавлением в среду 1 мг NaCN и 1 мг иодацетатанатрия.

В таких условиях единственным доступным для мышечных волокон источником энергии остаются только запасы АТФ, АДФ и креатинфосфата на момент начала действия ядов. Вклад следов гликолиза, не подавлявшегося полностью в этих условиях, измерялся по образованию лактата и учитывался при вычислении окончательного энергетического баланса. Скорость откачивания натрия из клетки, как это называет теория натриевого насоса, определяли на тонких пучках мышечных волокон, выделенных из полусухожильной мышцы североамериканских леопардовых лягушек (Rana pipiens pipiens, Schreber). Откачивание проходило против как градиента электрохимического потенциала (т.е. потенциала покоя, измеренного микроэлектродами Джерарда-Грэхем-Линга), так и против градиента концентрации (вычислявшегося по концентрации меченого Na⁺ внутри и снаружи клеток). Методические подробности этих экспериментов содержатся в специальной литературе.

3. За год до того, как Скоу представил свою теорию натриевого насоса, Подольский и Моралес показали, что на повестке дня стоит вопрос о девальвации макроэргических связей. Оказалось, что так называемая «высокоэнергетическая фосфатная связь» не аккумулирует в себе много энергии. Подольский и Моралес пришли к такому выводу, более точно измерив теплоту гидролиза АТФ, сделав остроумную поправку на теплоту нейтрализации кислоты, освобождающейся при гидролизе. К такому же выводу пришли Джордж и Рутман: в так называемой высокоэнергетической фосфатной связи «высокой» энергии не оказалось.

В связи с несостоятельностью концепции «высокоэнергетической фосфатной связи», дефицит энергии в клетке, создаваемый непомерными потребностями гипотетического натриевого насоса мышечных волокон лягушки, обостряется теперь в еще большей степени.Таким образом, если в фосфатных связях АТФ не содержится той энергии, на которую все так рассчитывали, значит Na,К-зависимая АТФаза, как и любая другая АТФаза, не может совершать работу по перекачиванию ионов Na⁺ и К⁺, предписываемую ей мембранной теорией.

4. Техника удаления цитоплазмы, или аксоплазмы, из гигантского аксона кальмара была отработана в 1961 году в двух лабораториях. При этом мембрана аксона сохраняла нормальную электрическую активность (несмотря на отсутствие аксоплазмы), что свидетельствовало о ее жизнеспособности. Если перевязать концы этого мембранного мешка, заполнив его предварительно морской водой со всеми веществами, необходимыми для нормального функционирования препарата (включая АТФ), то получится идеальная модель для проверки истинности теории мембранных насосов. Есть решительно все основания ожидать, что помпа тут же начнет выкачивать Na⁺ из этого мешка и закачивать К⁺ извне против градиентов концентрации этих ионов; все это должно произойти при условии, что теория мембранных насосов верна. На деле даже самые искусные исследователи так и не смогли продемонстрировать на этих идеальных препаратах активный транспорт К⁺ или Na⁺.

Точно также отсутствует активный перенос К⁺ или Na⁺ против градиентов концентраций в тенях эритроцитов, из которых удалены все цитоплазматические белки, но присутствует АТФ. Тени эритроцитов, содержащие АТФ, могут, однако, аккумулировать К⁺ и вытеснять Na⁺ в среду, но только тогда, когда в них содержится заметное количество белка. При этом оказывается, что количество накапливаемого К⁺ прямо пропорционально количеству белка, оставшегося в тенях (в основном это гемоглобин). А уровень, до которого снижается концентрация Na⁺, обратно пропорционален содержанию внутриклеточного белка. Таким образом, все дело в количестве остаточного белка, а не в насосе.

Если мембрана, созданная самой Природой, отказывается следовать мембранной теории, то что тогда говорить об искусственных мембранах со встроенными в них «мембранными насосами» в виде изолированной Na,К-АТФазы? Только одно: попытки показать на таких моделях реальность активного транспорта К⁺ и Na⁺ против градиента концентрации обречены на провал. Сообщения об успехах таких попыток ошибочны и ошибка таится в недостаточном контроле за утечкой изотопов из нагруженных ими везикул, когда везикулы пропускаются через колонку с сефадексом для отделения их от маточного раствора изотопа. На эту очевидную опасность уже обращали внимание в 1980 году Линг и Негенданк.

Линг и Негенданк также указывали, что данные, поспешно расцененные как доказательство активного транспорта, питаемого АТФ, все-таки не лишены ценности. Они наводят на мысль, что вода в мембране везикул может связываться, поляризоваться и ориентироваться самой Na,К-зависимой АТФазой, что подразумевает ее хотя бы частично развернутую конформацию, которую она приобретает под влиянием АТФ как кардинального адсорбата (об этом позже). Меченый Na⁺ хуже проходит сквозь структурированную воду мембраны, поэтому его выход из везикул в колонке с сефадексом может замедлиться. В результате, внутри пузырьков остается большее количество меченого Na⁺, чем в отсутствии АТФ.

Приняв во внимание все эти данные, нетрудно прийти к выводу, что избирательное накопление К⁺ в присутствии Na⁺ нервными и мышечными волокнами, эритроцитами и другими клетками не может быть результатом работы гипотетического насоса, встроенного в их плазматические мембраны. Нет моделей, искусственных или полуискусственных, которые доказывали бы это. Следовательно, теория натриевого насоса (равно как и всех остальных помп) не представляет никакой ценности и ее давно уже пора оставить как ложную.

Правда, в 1976 году двое бывших выпускников Линга и один начинающий репортер журнала Science попытались убедить своих читателей в том, что теория натриевого насоса все еще жива. Но при тщательном анализе этой публикации обнаружился ее низкий уровень из-за голословных ссылок на некие несуществующие в реальности «решающие эксперименты» и упреков в адрес Линга о сокрытии правды. Надуманный оптимизм этой статьи Линг развеял в 1997 году в статье «Разоблачение мифа о воскрешении теории натриевого насоса».

Ранее мы выяснили, что идея «насоса» явилась последней попыткой сохранить мембранную теорию на плаву. Отказ от теории натриевого насоса означает конец господства парадигмы «клетка — разбавленный раствор электролитов, окруженный мембраной» — парадигмы, владевшей умами на протяжении всей истории физиологии клетки.

Однако не все в мембранной теории оказалось ошибочным. Есть веские данные о реальном существовании диффузионного барьера на поверхности клетки, на чем всегда настаивала мембранная теория. Этот барьер, в разное время называвшийся протоплазматической кожей, плазматической мембраной и клеточной мембраной.

Г. Линг, Физическая теория живой клетки