Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Институт Продления Жизни - Теория

А.Н. Стацкевич
Всеохватывающая физико-химическая теория жизни — теория ассоциации-индукции Линга

Oб авторе


 

(упрощенный и сокращенный вариант)


За справкой по любым терминам и понятиям, использованным в тексте, рекомендуется обращаться в словарь терминов теории ассоциации-индукции Линга и смежных понятий.


 

ВВЕДЕНИЕ

1. АССОЦИАЦИЯ

1.1 Теория фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ)

1.2 Теория многослойной организации поляризованной воды в клетке (ТМОПВ)


2. ИНДУКЦИЯ

2.1 Живое состояние покоя

2.2 Состояние покоя как состояние метастабильного равновесия

2.3 Покоящееся живое состояние как низкоэнтропийное состояние

2.4.Чем различаются основные компоненты клетки — физическим состоянием или конформацией?

      2.4.1.Выяснение конформации гемоглобина по распределению ионов К+ и Na+ между эритроцитами и средой

      2.4.2 Определение конформационного состояния миозина в мышечных волокнах лягушки по распределению неэлектролитов между клеткой и средой.

      2.4.3.Выяснение конформации миозина и актина в мышечных волокнах лягушки по поглощению водяного пара

2.5 Ключевая роль АТФ в поддержании протоплазмы в состоянии покоя

2.6.Почему в структурированных слоях адсорбированной воды ее молекулы связаны между собой более прочно?


3. ПРОТОПЛАЗМА — ГЛУБОКО ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

3.1 Нативный гемоглобин in vitro

3.2 Гемоглобин, денатурированный NaOH, in vitro

3.3 Сократительный белок миозин in vivo


4. ОБЪЯСНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

4.1 Распределение веществ между клеткой и средой

4.2 Проницаемость

4.3 Регуляция объема клетки

4.4 Потенциал покоя


5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ КАК ОБРАТИМЫЕ КООПЕРАТИВНЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ИНДУКТИВНЫМ ЭФФЕКТОМ

5.1 Электронная плотность на функциональных группах белка — пульт управления жизнедеятельностью

5.2 Смена избирательности ключевых функциональных групп белка — физиологический смысл индуктивного эффекта

5.3 Классификация кардинальных адсорбатов, включая биологически активные вещества

5.4 Как клетка поддерживается в состоянии покоя и что происходит при его изменении — роль кардинальных адсорбатов

      5.4.1 Поддержание живого состояния при помощи АТФ — электроноакцепторного кардинального адсорбата

            Распределение веществ между клеткой и средой

            Проницаемость клеточной мембраны

            Регуляция клеточного объема

            Потенциал покоя

      5.4.2 Модуляция состояния покоя уабаином — электроно-донорным кардинальным адсорбатом

            Распределение веществ между клеткой и средой

            Проницаемость клеточной мембраны

            Регуляция клеточного объема

            Потенциал покоя

5.5 Обратимые физиологические явления

      5.5.1 Истинный активный транспорт

      5.5.2 Потенциал действия


6. МЕРТВОЕ СОСТОЯНИЕ

6.1 Жизнь и смерть протоплазмы

6.2. Как протоплазма умирает

6.3 Анатомия мертвой протоплазмы


 

ВВЕДЕНИЕ

Все началось с Теория фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ), после публикации которой в 1952 году Лингу потребовалось еще 10 лет на разработку теории ассоциации-индукции (ТАИ). Чтобы изложить принципиальные положения ТФЗЛ на симпозиуме в Балтиморе в 1952 году, потребовалось меньше часа. Для ее экспериментального обоснования потребовалось более 40 лет. Итоги этой работы будут рассмотрены ниже.


Для удобства изложения лучше разделить ТАИ на две части: ассоциацию и индукцию. Начнем с ассоциации, т.е. связывания.


1. АССОЦИАЦИЯ

1.1 Теория фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ)

Самыми значительными по массе составляющими клетки являются вода и белки. Самыми многочисленными по количеству частиц — вода и К+. Ассоциация К+ с белками — главный предмет ТФЗЛ. Ассоциация воды с белками — главный предмет ТМОПВ, о которой речь пойдет сразу после ТФЗЛ.


[Уже сейчас, в самом начале изложения, стоит отметить, что, согласно Ревичи, одним из фундаментальных механизмов, лежащих в основе рака, является ненормальная фиксация калия клетками, либо, наоборот, недостаточность таковой. Не может не поражать тот факт, что две принципиально различных теории оказываются имеющими общую фундаментальную отправную точку — ассоциацию калия с белками.]



Первый вопрос, на который необходимо было дать ответ, формулировался очень просто: почему К+ связывается с фиксированными анионными группами, когда известно, что при той же самой ионной силе К+ не связывается с такими же анионными группами, если они принадлежат веществам в растворе? ТФЗЛ была и остается единственной теорией, которая дала ответ на этот вопрос.


Линг предложил два механизма усиления ассоциации при взаимодействии ионов (в частности K+) с фиксированными центрами адсорбции — 1) электростатический и 2) кинетический:

1. Первый механизм заключается в уменьшении энтропии диссоциации в результате усиления электростатического взаимодействия фиксированного заряда с ионом из-за перекрытия электрических полей в среде с высоким содержанием фиксированных зарядов (по сравнению с разбавленным раствором).

2. Согласно второму механизму, фиксация центра адсорбции в пространстве снижает энергию столкновений ассоциата с молекулами растворителя и другими ионами и молекулами в растворе, по крайней мере, вдвое, резко увеличивая время жизни ассоциата. Эта закономерность распространяется на адсорбцию как ионов, так и незаряженных молекул. Ко времени публикации ТФЗЛ замечательному эксперименту Керна, показавшему усиление ассоциации противоионов при фиксации одного из зарядов, исполнилось уже 4 года.


ТФЗЛ также впервые предложила:

1. Количественный механизм избирательной адсорбции ионов К+ в присутствии Na+.

2. Гипотезу внутри- и межмолекулярных солевых связей (между фиксированными анионами и катионами), объясняющую неудачи предыдущих попыток показать избирательную адсорбцию К+ изолированными белками.

3. Ответ на вопрос, почему К+ утрачивается клеткой при ее гибели, основанный на роли АТФ как главного кардинального адсорбата.


При помощи только что созданного тогда препарата БНК Линг показал, что субстратом, обеспечивающим избирательное накопление К+ (и вытеснение Na+) в мышечных волокнах, является вся цитоплазма, а не мнимая клеточная мембрана с ее мифическими насосами. Доказательством адсорбированного состояния клеточного К+ и природы центров, связывающих его, являются шесть групп экспериментальных данных, взаимодополняющих друг друга:

1. Низкая внутриклеточная электропроводность.

2. Резко сниженная подвижность клеточного К+.

3. Изменение тонкой структуры полосы поглощения рентгеновского излучения клеточным К+.

4. Слишком большие различия коэффициентов активности К+, определяемых внутриклеточным К+ - специфичным микроэлектродом в разных клетках, если считать, что этот ион везде свободен.

5. Накопление К+ в клетках протекает в соответствии с изотермой Ленгмюра, что означает его достаточно прочное связывание с центрами адсорбции в соотношении 1:1.

6. Идентификация большинства К+ - адсорбирующих центров как β- и γ-карбоксильных групп, содержащихся соответственно в остатках аспарагиновой и глутаминовой кислот в составе миозина мышечных волокон.


Перейдем теперь к теории и фактам, касающимся ассоциации внутриклеточной воды.


1.2 Теория многослойной организации поляризованной воды в клетке (ТМОПВ)

Согласно ТМОПВ, практически вся вода в клетке объединена в единую динамичную структуру, в отличие от разрозненных в своем большинстве молекул обычной воды. Такая структура является результатом ее взаимодействия с сетью полноразвёрнутых белковых цепей, пронизывающих все тело клетки. Карбонильные (СО) и иминогруппы (NH), доступные воде, представляют собой чередующиеся отрицательно заряженные N-центры (отрицательные полюса диполей карбонильных групп) и положительно заряженные Р-центры (положительные полюса диполей иминогрупп). Геометрически правильная последовательность этих N- и Р-центров у всех белков, их стерическое соответствие (комплементарность) молекуле воды создают особые условия для ее адсорбции. Сначала образуется первый слой молекул воды, являющихся диполями. Их дипольный момент при взаимодействии с диполями пептидной связи возрастает (т.е. они поляризуются), что является важнейшим следствием такого взаимодействия. Благодаря поляризации возрастает сила водородных связей, а с ними — прочность тех структур, в которых они участвуют. В данном случае возрастает стабильность ассоциатов белок-вода, а затем и вода-вода (в слоях, удаленных от белка). Первый слой воды, сформировавшийся на структурной матрице из N- и Р-центров, обладает правильной структурой и «притягивает» к себе другие молекулы воды, формируя из них следующий упорядоченный слой молекул. В результате такой самосборки могут возникать многослойные прочные структуры из поляризованной воды, свойства которой радикально отличаются от свойств обычной, объемной, воды. В результате «кристаллизации» воды вокруг полипептидных остовов белков вся или почти вся вода клетки становится поляризованной и структурированной.

С позиций ТМОПВ, полноразвернутые белки клетки сходны по своим свойствам с белками, постоянно находящимися в развернутом состоянии (например, с желатином), либо принимающим (частично или полностью) такую конформацию под действием денатурирующих агентов (например, мочевины, гуанидина-HCl, NaOH). И, наоборот, свернутые, глобулярные, белки не имеют ничего общего или мало общего с полноразвернутыми белками. Это предположение позволило выделить два вида моделей, позволяющих воспроизводить те или иные свойства клетки:

1. Экстравертные модели, подобные желатину, имитируют полноразвернутые белки клетки, постулируемые ТМОПВ.

2. Интровертные модели, к которым относится большинство так называемых нативных (глобулярных) белков, ведут себя совсем иначе.


Еще одно следствие ТМОПВ — подвижность молекул воды в клетках и в экстравертных моделях ограничена, а в интровертных моделях не отличается от подвижности обычной воды. Это предположение подверглось проверке во многих лабораториях. Исследования методом ЯМР времени вращательной корреляции протонов воды, ультравысокочастотные диэлектрические исследования времени переориентации Дебая молекул воды, а также изучение методом квазиупругого рассеяния нейтронов коэффициента вращательной диффузии молекул воды привели к одному и тому же выводу: подвижность молекул воды (и протонов) в клетках и в экстравертных моделях значительно ниже, чем в обычной воде.

Кроме того, более детальное изучение сходства клеток с экстравертными моделями и их отличий от интровертных показало, что к числу общих свойств клеток и моделей в отношении состояния воды в них следует отнести и следующие:

  • Осмотическую активность макромолекул в полноразвернутой конформации.
  • Понижение температуры замерзания.
  • Сходные характеристики поглощения пара при его парциальном давлении, близком к насыщению, но в первую очередь...
  • Это способность структурированной воды вытеснять растворенные вещества и из клеток, и из экстравертных моделей.


При помощи количественной теории распределения веществ, созданной в 1993 году, Линг показал, что, казалось бы, незначительное увеличение теплоты парообразования связанной воды всего на 126 кал/моль (на общем фоне в 9717,1 кал/моль для обычной воды — рост на каких-то 1,3%), обусловленное поляризацией молекулы воды при взаимодействии с белком, может количественно объяснить явление, всегда волновавшее умы физиологов — вытеснение сахарозы и Na+ из клеток.

Придерживаясь представления о клетке и о ее фундаментальной структуре — протоплазме — как о фазе, о том, что любая часть клетки обладает теми же фазовыми свойствами, что и клетка в целом, ТМОПВ представила свое понимание физико-химического строения клеточной «мембраны» (в действительности это название не имеет смысла, т.к. эта клеточная структура, в отличие от искусственных мембран, не имеет четкой внутренней границы). В модели Линга непрерывной фазой клеточной мембраны, подобно всей остальной клетке, являются не липиды и не их разнообразные производные, а поляризованная, структурированная вода. Как показывают факты, при таком понимании «мембрана», в сущности, проницаема для любых веществ (хотя проницаемость эта весьма различна), и именно поэтому она не может иметь решающего значения для обеспечения осмотической стабильности клетки и определять ее осмотические свойства так, как это принято считать в мембранной теории из учебников. Осмотическое поведение клетки определяется свойствами протоплазмы как целостной структуры, что подтверждается осмотической стабильностью клеток, полностью лишенных «мембран».

Новое представление о мембране как о границе из поляризованной, ориентированной воды подкреплено рядом взаимодополняющих экспериментов. Скорость диффузии воды через клеточную мембрану такая же, как и через цитоплазму, и на порядки больше скорости диффузии воды через фосфолипидный бислой. Валиномицин, который в концентрации 10-7 М повышает проницаемость для К+ искусственного фосфолипидного бислоя в 1000 раз, не оказывает практически никакого влияния на проницаемость для К+ скелетной мышцы лягушки, яйцеклетки лягушки, гигантского аксона кальмара, лимфоцитов человека и внутренней мембраны митохондрий печени мыши.

Наконец, проницаемость ацетилцеллюлозной мембраны для воды и шести неэлектролитов определяется теми же физическими факторами, что и проницаемость кожи лягушки для тех же веществ и при тех же температурах (0°, 4° или 25 °С). В ацетилцеллюлозной мембране, практически непроницаемой для сахарозы, подобно коже лягушки, имеются поры, заполненные поляризованной и ориентированной водой. Их средний диаметр (без воды) в 5 раз превышает размер молекулы сахарозы и, тем не менее, такая мембрана остается для нее полностью непроницаемой. Этот факт опровергает представление о том, что ее непроницаемость для сахарозы обусловлена еще одним фантастическим механизмом — механизмом сита. Поры ацетилцеллюлозной или клеточной мембраны непроницаемы не потому, что они слишком малы в сравнении с размером иона или молекулы, а потому, что они заполнены связанной, структурированной водой, и чем лучше вещество растворяется в такой воде (правило размера Линга), тем выше для него проницаемость «мембраны».

Стоит отметить еще два важных достижения ТМОПВ:

1. Во-первых, ТМОПВ впервые объяснила, чем желатин принципиально отличается от большинства нативных (глобулярных) белков — своей открытой для воды структурой, полноразвернутой конформацией, благодаря которой он способен связывать воду. ТМОПВ также объяснила, что такое коллоид — макромолекулы или агрегаты частиц, связывающие воду или другой растворитель в многослойные поляризованные структуры, и что такое коацерват — автономная кооперативная фаза, содержащая ориентированные коллоиды.

2. Во-вторых, Рэймонд Дамадьян, задавшийся целью проверить методом ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии предсказанное ТМОПВ связанное состояние клеточной воды, изобрел МРТ (магнитно-резонансную томографию).


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п.п. 1.1-1.2 — становятся понятны:

- широчайший спектр терапевтических эффектов от внутривенных инъекций соляной кислоты,

- некоторая польза от уринотерапии, считающейся извращением,

- абсолютная необходимость едкого натра в растворах Самохоцкого

 

2. ИНДУКЦИЯ

Индуктивная часть ТАИ призвана объяснить физическую природу живого состояния:

  • как оно поддерживается и регулируется,
  • в чем фундаментальная основа физиологической активности и
  • каковы принципиальные изменения, сопровождающие гибель клетки.

2.1 Живое состояние покоя

Согласно ТАИ, отправным пунктом всех процессов жизнедеятельности является протоплазма в состоянии покоя. В этом состоянии все три основных компонента клетки (белки, вода и ионы К+) ассоциированы между собой и находятся в состоянии термодинамического равновесия со средой.


2.2 Состояние покоя как состояние метастабильного равновесия

Идея равновесия в ТАИ резко противоречит представлению о жизни как об установившемся режиме обмена веществ. Представление о жизни, описанное в учебниках, подобно пламени свечи, под чьей спокойной и неизменной формой скрываются непрерывные химические реакции. В учебниках жизнь рассматривается как внешнее выражение непрерывных биохимических реакций, в ходе которых производится АТФ, идущая непрерывным потоком на перекачивание Na+ и другую бессмысленную работу — подобно белке в колесе. Но, как уже говорилось, теория мембранных насосов полностью изжила себя — к ней полезно время от времени возвращаться лишь для осознания всей ее нелепости в свете истинного положения дел.

Как и любые химические реакции, биохимические реакции также прекращаются, если температура снижается до десятков и сотен градусов ниже нуля (например, при температуре жидкого азота), не говоря уже о температурах, близких к абсолютному нулю. Если бы жизнь в самом деле поддерживалась непрерывными химическими реакциями, то при такой температуре она неминуемо угасла бы навсегда, как пламя свечи. Однако состояние термодинамического равновесия, на котором настаивает ТАИ, вовсе не обязательно должно разрушаться при сверхнизких температурах. Широко известно, что не только клетки, но и целые эмбрионы (в том числе человека) можно сохранять живыми, хотя и «спящими», в жидком азоте. И в любой момент можно восстановить нормальную жизнедеятельность замороженной клетки или ткани. Возможность криоконсервации клеток доказывает, что ее фундаментальная структура — протоплазма — существует в состоянии (не энергозатратного) метастабильного равновесия.


2.3 Покоящееся живое состояние как низкоэнтропийное состояние

В ТАИ клетка и протоплазма обладают низкой энтропией, в первую очередь, благодаря адсорбированному состоянию клеточной воды, клеточного К+, конгруэнтных анионов, АТФ и т. д., что было неоднократно подтверждено экспериментально. ТАИ также предсказывает, что клетка и протоплазма склонны спонтанно утрачивать способность удерживать воду и К+ в связанном состоянии (что ведет к увеличению подвижности внутриклеточной воды и ионов К+) уже при умеренных подъемах температуры. Это подтверждается тем фактом, что мышцы лягушки погибают при нагревании всего лишь до 41 °С.

Термодинамика говорит нам, что изменение свободной энергии (ΔF) в ходе химической реакции связано с изменением энтальпии или теплосодержания (ΔН), а также с изменением энтропии (ΔS) уравнением: ΔF = ΔН - T*ΔS. Спонтанность перехода мышцы лягушки из нормального живого состояния покоя в мертвое состояние при 41 °С указывает на то, что ΔF этой реакции отрицательно (то есть свободная энергия системы уменьшается). Тот факт, что этот переход запускается столь незначительным повышением температуры, говорит о том, что изменение энтропии (ΔS) при спонтанном переходе должно быть положительным и настолько большим, что T*ΔS превышает теплопоглощение — положительное изменение энтальпии (ΔН). В сумме изменение свободной энергии (ΔF) становится отрицательным, а реакция — термодинамически выгодной, то есть проходит самопроизвольно. Этот простой анализ показывает, что энтропия живых клеток ниже, чем мертвых, как и утверждает ТАИ.


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п.п. 2.1-2.3:

- Покой, сон, медитация и прочие состояния с низкими энергозатратами имеют к сохранению и поддержанию здоровья намного большее отношение, чем физкультура, спорт и прочая бурная жизнедеятельность,

- Холодовые процедуры с целью достижения максимальной толерантности к низким температурам — один из ключей к долголетию. Но, естественно, не единственный. При этом адаптация к холоду невозможна без соблюдения вполне определенных правил питания.


2.4.Чем различаются основные компоненты клетки — физическим состоянием или конформацией?

Три главных компонента протоплазмы и клетки — это вода, белки и ионы К+. Адсорбированное состояние К+ и воды в клетках уже установлено, и еще одно, термодинамическое обоснование этого утверждения, приведено выше. Но особого внимания со стороны теории требует конформация внутриклеточных белков. Пытаться обнаружить действительно нативную (как ее понимает ТАИ) конформацию белков в клетке в состоянии покоя — это все равно, что пытаться выяснить, жива или мертва кошка внутри черного ящика, если при каждом его открывании впрыскивать в него предварительно порцию сильнейшего яда, мгновенно убивающего животное. Это нужно понимать так, что мы никогда не сможем установить истинную конформацию белков внутри покоящейся клетки, если всякий раз будем измельчать ее, экстрагировать белок весьма нефизиологичными растворами и проходить все остальные жесткие этапы, которые обычно включает выделение так называемых нативных белков. Необходим неинвазивный подход, которого, естественно, нет и не предвидится.


2.4.1.Выяснение конформации гемоглобина по распределению ионов К+ и Na+ между эритроцитами и средой

Эритроциты, как и большинство клеток, избирательно накапливают К+ и частично вытесняют Na+. Гемоглобин составляет 97% внутриклеточных белков эритроцитов. Исходя из установленного адсорбированного состояния К+ и воды в клетках, мы вправе ожидать, что гемоглобин играет важную роль в адсорбции К+ и вытеснении Na+. Однако так называемый нативный гемоглобин, будучи растворенным в воде в той же концентрации, что и в нормальных эритроцитах (36%), адсорбирует лишь малую часть ионов К+ или Na+, либо вовсе их не связывает. Кроме того, вода в 36% растворе нативного гемоглобина не вытесняет Na+.


ТАИ утверждает, что гемоглобин в эритроцитах отличается по свойствам от выделенного «нативного» гемоглобина, так как имеет в покоящейся клетке совершенно иную конформацию. Это подтверждают две группы данных:

1. Действительно, обработка раствором NaOH в концентрации 0,4 М освобождает не только все β- и γ-карбоксильные группы, делая возможной стехиометрическую избирательную адсорбцию ими Na+ или К+, но и NHCO-группы полипептидного остова, позволяя им связывать, поляризовать и ориентировать окружающую воду, превращая ее в плохой растворитель для сахарозы и Na+. Как видно из этих опытов, гемоглобин способен адсорбировать К+ и снижать растворимость Na+ в воде, и он делает это тогда, когда возникают соответствующие условия. Каковы же эти условия? Заглянем для этого в живой эритроцит.

2. Если поместить свежие эритроциты в гипотонический раствор и подвергнуть их гемолизу, они утрачивают полностью или частично гемоглобин, ионы К+ и способность частично вытеснять Na+. Если к полученной таким образом взвеси теней эритроцитов добавить сахарозу, восстановив этим изотоничность среды, тени замкнутся, а их последующая инкубация при 37 °С вновь приведет к накоплению К+ и вытеснению Na+ — но это возможно лишь при условии, что в растворе до образования замкнутых теней будет присутствовать необходимое количество АТФ, а в самих тенях останется достаточное количество гемоглобина и некоторое количество прочно связанного, устойчивого к гемолизу вспомогательного белка X.


[В этой связи уместно будет привести цитату из диссертации Самохоцкого, глава 7: «Экспериментальной проверке надлежало дать ответ на следующие вопросы: вызывают ли данные вещества изменение биологических свойств крови, т.е. каково их влияние на свертываемость крови, гемолиз эритроцитов, оседание их и т.д. и...


Исследование этих моментов показало следующее: данные составы значительно задерживают процесс свертывания крови. Гемолиз эритроцитов почти отсутствует при разведении 1:1... Реакция оседания эритроцитов при смешении с этими составами была значительно замедлена».]


Согласно экспериментальным данным, равновесное содержание К+ в тенях, как и степень вытеснения Na+ из них, количественно связано с содержанием в них остаточного белка (в основном гемоглобина) — чем больше белка, тем больше ионов К+ в тенях, тем сильнее вытеснение Na+ из них. Замкнутые «белые» тени, полностью лишенные гемоглобина, не накапливают К+ и не вытесняют Na+. Более того, гемоглобин, необходимый для накопления в тенях К+ и вытеснения Na+, вовсе не обязан быть «родным» гемоглобином эритроцитов. Его можно заменить на чужеродный гемоглобин так, чтобы при закрытии теней после гемолиза он оказался внутри восстановленных клеток-теней.

В совокупности представленные данные показывают, что конформация гемоглобина в эритроцитах отличается от конформации выделенного нативного гемоглобина тем, что NHCO-группы его полипептидного остова, а также β- и γ-карбоксильные группы свободны от водородных и солевых связей и потому способны связывать воду и К+. Кроме того, ясно, что гемоглобин, присутствующий изначально или введенный извне в тело эритроцита, принимает эту конформацию под влиянием АТФ и ее помощников — белка X, а также конгруэнтных анионов (Сl-).


2.4.2 Определение конформационного состояния миозина в мышечных волокнах лягушки по распределению неэлектролитов между клеткой и средой.

Желатин, полиэтиленоксид (ПЭО), денатурированный NaOH гемоглобин, и другие экстравертные модели имеют в растворах полноразвернутую конформацию. Благодаря этому они способны связывать значительное количество воды и вытеснять неэлектролиты в объем, заполненный свободной водой, и этот эффект тем значительнее, чем больше размер молекул растворенного вещества. График зависимости величин q неэлектролитов от логарифма их молекулярной массы (или молекулярного объема) представляет собой S-образную кривую. В случае растворов нативных (глобулярных) белков величина q почти не меняется, оставаясь около значения, близкого к 1 при самых разных размерах молекул неэлектролитов (вплоть до молекулярного объема около 500 мл/моль). Подобно неэлектролитам в растворах экстравертных моделей — и в противоположность растворам «нативного» гемоглобина — график зависимости величин q, полученный для 21 неэлектролита в мышечных волокнах лягушки, от их молекулярного объема представляет собой S-образную кривую. На основании этого сравнения можно сделать однозначный вывод, что основные мышечные белки — миозин и актин — имеют в покоящемся мышечном волокне лягушки конформацию, близкую к полноразвернутой.

Этот вывод подкрепляется и другими чертами сходства свойств клеточной воды и воды в растворах экстравертных макромолекул, которыми, однако, не обладает вода растворов интровертных полимеров.


2.4.3.Выяснение конформации миозина и актина в мышечных волокнах лягушки по поглощению водяного пара

Мышца лягушки примерно на 80% состоит из воды, и на 20% — из белков. При таком соотношении 1 г белков мышечных волокон в среднем должен поглощать, согласно ТМОПВ, 4 г воды. При помощи нового метода нулевой точки, Линг и Ху изучили поглощение пара интровертными белками и экстравертными полимерами — желатином, полиэтиленоксидом (ПЭО), поливинилпирролидоном (ПВП) и поливинилметиловым эфиром (ПВМЭ), — в труднодостижимых условиях, когда относительное давление пара близко к насыщению.

Результаты показали, что лишь экстравертные модели (макромолекулы в полноразвернутой конформации) при этом (физиологическом) давлении пара могут поглощать почти столько же воды, сколько и мышцы лягушки. В то же время, все исследованные глобулярные белки поглощают лишь от ¼ до ½ того количества воды, которое могут поглощать мышечные волокна лягушки. Эти данные еще раз показывают, что если не весь миозин и актин, то хотя бы их большая часть должна находиться в полноразвернутом состоянии, которое одно только способно поглотить столько воды, сколько поглощается интактными мышечными волокнами.

Кстати, концентрация свободных веществ в клетке (таких, как Na+ и Сl-) слишком низка, чтобы значимо влиять на поглощение воды через механизм осмоса. Более распространенные в клетке вещества — такие, как К+, АТФ и креатинфосфат — адсорбированы и вследствие этого осмотически неактивны или почти неактивны.


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 2.4 — становятся понятны:

- фундаментальная роль хромовых солей в растворах Самохоцкого в поддержании жизнеспособности умирающих клеток,

- роль растворов Самохоцкого в предотвращении гемолиза принципы терапии шоковых, травматических состояний.


2.5 Ключевая роль АТФ в поддержании протоплазмы в состоянии покоя

Для того чтобы сыграть полный драматизма спектакль под названием «жизнь», каждый из множества кардинальных адсорбатов должен выполнить отведенную ему роль. Но ни один из них не может играть свою роль без АТФ. Адсорбция именно АТФ соответствующими кардинальными центрами совершенно необходима для формирования и поддержания протоплазмы в основном состоянии — состоянии покоя, т.е. отправной точке для совершения всех видов биологической работы. Это фундаментальное положение иллюстрирует рисунок



 

на котором схематично показано, как АТФ поддерживает элементарную живую машину в живом состоянии, то есть возвращает ее в состояние покоя.


Два отличительных признака покоящегося состояния:

1. избирательная адсорбция К+ в присутствии Na+ и

2. связанное состояние воды, из которой в силу ее структурированности частично вытесняются Na+, сахароза и другие вещества, для которых она оказывается плохим растворителем.


ТАИ предсказывает прямую пропорциональную зависимость между уровнем АТФ в клетке и равновесным содержанием в ней К+. Аналогично, должна существовать и обратная пропорциональная зависимость «АТФ — Na+» и «АТФ — сахароза». Экспериментальные данные подтверждают все эти предположения.


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 2.5 — становится понятна принципиальная важность стимуляции выработки АТФ клетками, чего мы и добиваемся многими из наших препаратов


2.6.Почему в структурированных слоях адсорбированной воды ее молекулы связаны между собой более прочно?

Поясним природу этой дополнительной энергии с помощью простых моделей:

1. Ориентация диполей воды. Каждая молекула воды может рассматриваться как электрический диполь, хотя у нее и три полюса — один отрицательный и два положительных. Если два таких диполя расположены параллельно — одноименными полюсами в одну сторону — они будут отталкиваться. Если же они ориентированы антипараллельно, то будут притягиваться друг к другу. Основной причиной появления дополнительной энергии взаимодействия между собой связанных молекул воды в клетке является именно такая антипараллельная ориентация соседних молекул в многослойных водных структурах, в результате которой дипольный момент молекулы возрастает и она поляризуется.

2. Раствор желатина. В обычной воде тепловое движение ее молекул мешает им надолго сохранять антипараллельную ориентацию. Ситуация меняется при добавлении в воду желатина. Не меньше половины полипептидного остова молекулы этого белка находится в полноразвернутой конформации, их СО- и NH-группы фиксированы в пространстве (скорость теплового движения молекулы желатина в составе геля практически равна нулю), и в силу принципа усиления ассоциации при фиксации центров связывания молекулы воды адсорбируются полипептидным остовом на более продолжительное время, чем время взаимодействия молекул воды в растворе без желатина. Тесное взаимодействие молекул воды с указанными диполями пептидной связи не только мгновенно влечет за собой их поляризацию и антипараллельную ориентацию в первом слое воды, но и передает эти изменения на соседние слои, формируя их один за другим. Таким образом, СО- и NH-группы полноразвернутых цепей желатина играют роль «центров кристаллизации» в процессе упорядочивания клеточной воды и индуцируют увеличение дипольного момента молекул воды, что приводит к усилению водородных связей между адсорбированными молекулами воды и к увеличению прочности всей водной структуры вокруг молекулы желатина. Обратите внимание, что и до, и после введения желатина система представляет собой стабильную динамичную структуру в состоянии термодинамического равновесия. Вода, взаимодействуя с желатином, переходит из высокоэнтропийного низкоэнергетического состояния в низкоэнтропийное высокоэнергетическое состояние многослойно организованной поляризованно-ориентированной воды.

3. Живая клетка. Белки клетки, например, миозин и актин в мышечных волокнах или гемоглобин в эритроцитах, играют, подобно желатину, роль «центров кристаллизации» в создании многослойной динамичной структуры антипараллельно ориентированных молекул воды. При этом и в клетке связанная вода поляризуется, заметно стабилизируя организованную водную структуру вокруг белка.


3. ПРОТОПЛАЗМА — ГЛУБОКО ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Содержание воды в клетке составляет около 44 М; β- и γ-карбоксильных групп, адсорбирующих К+, — около 100 мМ; АТФ — 5 мМ. Поскольку вся вода и К+ в клетке находятся под контролем АТФ, на каждую молекулу связанной АТФ приходится в среднем 20 связанных ионов К+ и 8800 связанных молекул воды.

Возникает вопрос, как одной молекуле АТФ удается контролировать связывание почти 9000 молекул воды и ионов?

Это возможно благодаря а) линейному и б) объемному распространению индуктивного эффекта:

  • вдоль полипептидной цепи
  • через короткие боковые радикалы, в том числе с β- и γ-карбоксильными группами и
  • через слои поляризованной, ориентированной воды на весь объем клетки.

Сначала остановимся на линейном распространении.


3.1 Нативный гемоглобин in vitro

Весьма точные данные Листера по оксигенированию/деоксигенированию гемоглобина человека строго подчиняются изотерме адсорбции Янга-Линга. В уравнении изотермы фигурирует единственная константа внутреннего равновесия (K00i→j), равная 0,1 мм рт. ст.-1, и единственный параметр, характеризующий энергию взаимодействия ближайших центров (-γ/2), равный +0,67 ккал/моль. Тот факт, что для описания связывания гемоглобина с кислородом (или обратного процесса) требуется только лишь один параметр -γ/2, прямо указывает на то, что группы гема ведут себя как единое целое, хотя их разделяют длинные полипептидные цепи. Обратите внимание на то, что этот вывод сделан не из общих соображений вроде «конформационных изменений» и «аллостерических влияний», а на основе индуктивного эффекта — физического явления, описанного языком математической физики.


3.2 Гемоглобин, денатурированный NaOH, in vitro

Взглянув на аминокислотную последовательность цепей гемоглобина, нетрудно заметить, что расстояние между ближайшими β- и γ-карбоксильными группами в этом белке сильно варьирует: от 1 аминокислотного остатка (например, α74асп-α75асп) до 23 (β50асп-β73асп). Несмотря на это, для количественного описания адсорбции Na+ каждой β- и γ-карбоксильной группой молекулы денатурированного гемоглобина требуется наличие в соответствующем уравнении только лишь одного параметра -γ/2, равного в данном случае +0,824 ккал/моль. Если бы таких параметров требовалось два и больше, это бы означало, что в молекуле гемоглобина существует две или больше автономных областей.


3.3 Сократительный белок миозин in vivo

В скелетных мышцах лягушки 80% всех β- и γ-карбоксильных групп, способных связывать К+, принадлежат миозину. Размеры этого белка еще больше, чем гемоглобина, и соседние β- и γ-карбоксильные группы также находятся на разных расстояниях друг от друга. Однако кривая поглощения К+ (и Na+) мышечным волокном лягушки также строго подчиняется уравнению Янга-Линга, которое и в этом случае содержит только лишь один параметр -γ/2, равный +0,62 ккал/моль.

Самого пристального внимания заслуживает тот факт, что:

  • и поглощение кислорода центрами гема нативного гемоглобина
  • и адсорбция Na+ β- и γ-карбоксильными группами денатурированного гемоглобина
  • и адсорбция К+ β- и γ-карбоксильными группами мышечных волокон лягушки

характеризуются не множеством значений, а единственным (в каждом случае) значением параметра -γ/2. Физический смысл этой закономерности в том, что во всех случаях распространение индуктивного эффекта вдоль полипептидной цепи, обеспечивающего интеграцию функциональных групп белков как в масштабе одной молекулы, так и в масштабе клетки, безразлично к расстоянию между этими группами.

Независимость параметра -γ/2 от расстояния между соседними центрами связывания полностью согласуется с описанной Лингом теоретической моделью незатухающей дистанционной передачи индуктивного эффекта, включающей серию ближних передач. Эта модель действует по принципу домино: сила удара одной костяшки по другой не зависит от расстояния до того места, где цепная реакция началась. Тема о клетке как интегрированной системе будет продолжена ниже.


Теперь перейдем к объемному распространению индуктивного эффекта через связанную воду. Физическим явлением, лежащим в основе такой передачи, является увеличение дипольного момента молекул воды при их взаимодействии с функциональными группами (диполями) пептидной связи и, далее, с соседними молекулами воды в составе водной оболочки, формирующейся вокруг белка. В идеальных условиях — при сильно полярной NP-поверхности (полипептидный остов белка) и при температуре абсолютного нуля — дополнительная энергия взаимодействия соседних молекул воды (из-за возросшего дипольного момента) в динамичной многослойной структуре поляризованной и ориентированной воды постоянна и не уменьшается по мере удаления от N- и Р-центров. Конечно, в реальности температура окружающей среды далека от абсолютного нуля, и NP-поверхности не идеальны. Из-за этого дальность действия индуктивного эффекта ограничена. Но рассмотренные в книге Линга данные свидетельствуют о том, что даже в реальных условиях его дальность весьма велика.


4. ОБЪЯСНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

В годы своего расцвета мембранная теория была способна, казалось, объяснить все 4 фундаментальных свойства клетки одним простым, но нелепым предположением: клетка — это разбавленный раствор электролитов и других осмолитов, заключенный в мембрану толщиной около 100 Å, а белковый матрикс клетки, как неотъемлемый элемент конструкции, можно в расчет не принимать. И на таком вот фундаменте была выстроена (и до сих пор стоит и шатается от малейшего ветерка как глиняный колосс) вся наука о клетке. После ее фактического краха настал черед ТАИ дать объяснение тех же самых физиологических явлений при помощи почти столь же простого предположения: клетка — это протоплазма, интегрированная структура клетки, поддерживаемая в состоянии покоя ключевым фактором — АТФ, — и еще рядом вспомогательных факторов.

К сожалению, объяснение двух явлений (из четырех) с позиций ТАИ требует серьезной работы с формулами и графиками. Вываливать все это на неподготовленного читателя негуманно — данный текст и без того весьма сложен для понимания. Более того, любой, интересующийся предметом действительно глубоко, вполне в состоянии купить себе книгу Линга. Поэтому в двух пунктах мы оставили лишь сведения, представляющие собой практический интерес, полностью опустив академическую часть.


4.1 Распределение веществ между клеткой и средой

Сначала вспомним некоторые факты. При 0 °С и в отсутствие инсулина большая часть D-глюкозы и глицина находится в воде мышечного волокна, то есть не связана клеточными структурами (этим отличаются еще 20 неэлектролитов). Добавление инсулина вместе с праймером (затравкой) при 25 °С создает в мышечных волокнах лягушки центры избирательной адсорбции D-глюкозы (и глицина).

Добавление в безглюкозную среду лактозы стимулирует Е. coli синтезировать три белка, один из которых сразу стал рассматриваться в качестве лактозного насоса (в соответствии с действующей в научных кругах фантастической парадигмой), названного лактозной пермеазой. Однако острый конфликт концепции насосов с законом сохранения энергии заставляет пересмотреть функцию этого белка. Альтернатива состоит в том, что он является инсулиноподобным внутриклеточным гормоном. Это интересное предположение основывается на сходстве действия этой пермеазы в отношении накопления лактозы в Е. coli с действием инсулина на накопление D-глюкозы в мышце лягушки. И второе: пермеаза обнаруживается не в мембранной фракции гомогената Е. coli, а только в цитоплазматической.


4.2 Проницаемость

В ТАИ поверхность клетки, условно называемая клеточной мембраной, является пограничным состоянием все той же системы фиксированных зарядов и связанной воды, характерной для всего тела клетки (непринципиальные изменения вносятся лишь процессами, характерными для межфазной границы).


Модель строения клеточной мембраны в соответствии с ТАИ отличается высочайшей гибкостью благодаря заложенным в нее физическим принципам. Согласно этой модели, проницаемость клетки определяется сорбционными свойствами поверхности клетки, ее более глубоких слоев и всей протоплазмы в целом. Кроме того, важную роль в этих процессах играет и связанная внутриклеточная вода. Все эти факторы проницаемости могут широко варьировать от одного типа клеток к другому — в зависимости от потребностей клетки в ионах, неэлектролитах и амфолитах — например, в свободных аминокислотах и даже в гигантских молекулах белков. Никаких трудностей в объяснении столь значительных различий между клетками ТАИ не испытывает.


4.3 Регуляция объема клетки

Объем клетки складывается в основном из объема воды и клеточных белков. Соотношение количества воды и белков не остается постоянным и зависит как от физиологического состояния клетки, так и от ее типа. В целом это соотношение определяется тремя факторами, каждый из которых сводится, в конечном счете, к различиям в свойствах белков и в их количестве.

Первым фактором является способность доступных для растворителя участков полипептидных цепей и целых белков с полностью развернутой конформацией связывать воду, организуя ее в многослойную структуру поляризованных, ориентированных в пространстве молекул воды.

Равновесный объем клетки определяется:

1. балансом сил между адсорбцией воды, увеличивающей объем клетки, и

2. двумя другими факторами, противодействующими увеличению объема:

     2.1. солевыми связями (внутри- и межбелковыми), возникающими между фиксированными зарядами повсюду в клетке и ограничивающими способность белков связывать воду, и

     2.2. веществами с низким коэффициентом распределения между клеткой и средой (величиной q).


В клетке эти вещества представлены только свободной фракцией и, поскольку их концентрация в клеточной воде меньше, чем в среде, этот компонент в общем балансе осмотических сил способствует потере воды клеткой, то есть уменьшению ее объема — вода уходит туда, где концентрация растворенных веществ выше.

Реальность первого из упомянутых факторов контроля объема клетки (т.е. адсорбции воды полипептидной цепью) подтверждается тем, что:

  • выделенные мышечные волокна лягушки сохраняют свой нормальный объем не только в физиологическом растворе, но и во влажном воздухе с таким же парциальным давлением пара, что и у раствора Рингера
  • состояние 95% воды в мышечном волокне лягушки подчиняется изотерме адсорбции Брэдли
  • лишь полноразвернутые или экстравертные модели, такие, как желатин, ПЭО и ПВМЭ, способны поглощать столько же воды, сколько и клетки.

Роль солевых связей между фиксированными зарядами подтверждается тем, что интактные клетки сильно набухают в изотоническом растворе КСl (разрушающем солевые связи), но не меняют своего объема в изотоническом растворе NaCl, не способном разорвать солевые связи в клетке в состоянии покоя из-за низкого сродства карбоксильных групп к Na+. Вклад веществ, представленных в клетке только одной, свободной фракцией, растворенной в клеточной воде (и имеющих низкий коэффициент распределения), подтверждается тем, что клетки сжимаются в присутствии в среде NaCl в высоких концентрациях (величина q для Na+ невелика) и, с другой стороны, набухают в изотонических растворах веществ с величиной q, близкой к 1, таких как мочевина и этиленгликоль.

Общий механизм набухания клетки при повреждении и под влиянием КСl (в повышенных концентрациях), а также зависимость этого набухания от концентрации NaCl в среде и от содержания АТФ в клетке говорит в пользу взглядов ТАИ на регуляцию клеточного объема и ключевую роль АТФ как электрон-акцепторного кардинального адсорбата (ЭАКА) в поддержании состояния покоя живой клетки.


4.4 Потенциал покоя

На протяжении вот уже более 100 лет, со времени публикации мембранной теории потенциала покоя Бернштейна, предпринималось немало попыток найти искусственную (модельную) систему, свойства которой полностью отвечали бы требованиям мембранной теории потенциалов. Все они были безуспешны.

Причина неудач — в ошибочности самой теории. На реальной мембране, какой она предстает перед нами в виде липидной пленки любой толщины, не может возникнуть мембранный потенциал так, как это представляет себе мембранная теория. Действительно, как только проникающие в клетку ионы войдут в мембрану, их сразу остановит притяжение оставшихся снаружи ионов с противоположным зарядом, для которых мембрана непроницаема. В результате на границе раздела образуется двойной электрический слой, создающий устойчивую разность потенциалов, но не между сторонами мембраны, а на одной или на обеих границах раздела фаз — липидная фаза/внешняя среда, липидная фаза/внутренняя среда, на что указывала еще теория Нернста.

Всякий раз, когда приверженцы мембранной теории отвергали ту или иную разумную модель как мешающую им жить, оказывалось, что она идеально соответствует теории локализованной поверхностной адсорбции (ЛПА). Две такие модели особенно интересны:

  1. стеклянная мембрана (особенно в свете открытия Горовитцем роли поверхностных катионов в образовании электрического потенциала) и
  2. коллодиевая мембрана (особенно в свете открытия Соллнером с сотр. роли фиксированных поверхностных карбоксильных групп в образовании электрического потенциала).

Однако лучшей из всех искусственных моделей стала их комбинация — стеклянный электрод, покрытый окисленным коллодием (КС-электрод), и его модификация — стеклянный электрод, покрытый коллодием и обработанный затем полилизином (ПКС-электрод).

И КС-, и ПКС-электроды доказывают, что возникающий на них потенциал не имеет ничего общего с проницаемостью мембран для ионов — величину и знак потенциала определяют поверхностные фиксированные анионные центры. Поражает чрезвычайная схожесть КС-модели с живой клеткой:

1. и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода нечувствительны к Сl-

2. и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода нечувствительны к двухвалентным катионам, таким, как Mg2+

3. сравнительная чувствительность к ионам щелочных металлов как потенциала покоя мышцы лягушки, так и потенциала КС-электрода соответствует относительно низкой величине с (низкой плотности электронов на фиксированных анионах)

4.и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода примерно в 100 раз более чувствительны к Н+, чем к К+.


На данный момент все или почти все корректно измеренные потенциалы покоя того или иного вида клеток можно с высокой точностью количественно описать, по сути, одним и тем же уравнением Линга, которое является производным более общего уравнения распределения веществ между клеткой и средой, учитывающего кооперативное взаимодействие центров связывания.


5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ КАК ОБРАТИМЫЕ КООПЕРАТИВНЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ИНДУКТИВНЫМ ЭФФЕКТОМ

В покоящихся мышечных волокнах лягушки при физиологических температурах ионы К+ адсорбируются на β- и γ-карбоксильных группах в стехиометрии 1:1, а молекулы воды — на CONH-группах полипептидного остова белков в виде многослойной структуры из поляризованных и ориентированных молекул. Однако достаточно небольшого подъема температуры (лишь на 10 °С), чтобы мышечные волокна погибли. При этом и К+, и клеточная вода высвобождаются из связанного состояния. Подчеркнем особо: столь высокая чувствительность клетки к температуре свидетельствует не только о низкой энтропии протоплазмы, но и о том, что механизмы, лежащие в основе наблюдаемых изменений состояния клеточного К+ и воды, — по своей природе электронные, и могут быть количественно выражены изменениями показателей, названных «величиной с» и «аналогом величины с» (то есть изменениями плотности электронов на отрицательных фиксированных зарядах и отрицательных полюсах диполей соответственно).


5.1 Электронная плотность на функциональных группах белка — пульт управления жизнедеятельностью

В 1902 году Э. Овертон обнаружил, что для мышечного сокращения необходим Na+ (или Li+) в среде. Почти через полвека Ходжкин и Катц выяснили, что возбуждение нервного или мышечного волокна сопровождается локальным повышением проницаемости «мембраны» для Na+. При этом Na+ стремительно входит в цитоплазму, что и приводит к потенциалу действия. Если в окружающей среде нет Na+ — не будет ни потенциала действия, ни возбудимости. На основе этих данных была создана теория потенциала действия Ходжкина и Хаксли, опубликованная в 1952 году. Хотя авторами внесен неоценимый вклад в данную область, а их теория потенциала действия была действительно красивой, ей не суждена была долгая жизнь. Теперь мы знаем, что потенциал покоя — это никакой не трансмембранный потенциал, поэтому и теория потенциала действия оказалась основанной на ложных предпосылках. При таких обстоятельствах потребовалось новое теоретическое объяснение.

Такое объяснение Линг предложил в 1955 году. Он исходил из того, что потенциал покоя клетки имеет много общего с потенциалом стеклянного электрода. Оба возникают благодаря присутствию на поверхности фиксированных анионных центров. На поверхности нервных и мышечных волокон эти центры представляют собой β- и γ-карбоксильные группы, избирательные в состоянии покоя к К+. Таким образом, поверхность клетки в покое играет роль калий-чувствительного стеклянного электрода. Однако в состоянии возбуждения она превращается в натрий-чувствительный электрод.

Ключ к механизму такого превращения был найден в ионообменных смолах, свойства которых играли важную роль в становлении ТФЗЛ в 1952 году. Сульфонатный тип ионообменных смол избирателен к К+ в присутствии Na+, а карбоксильные ионообменные смолы — наоборот. Брегман приписывал избирательность к К+ сильным кислотным группам, а избирательность к Na+ — слабым. Он объяснял эти различия разной поляризуемостью их кислотных групп, как ранее это делал Бунгенберг-де-Йонг с сотрудниками.

Идея Эйзенмана, Рудина и Кесби о том, что изменение ионной избирательности может быть вызвано изменением напряженности поля вокруг анионных центров стекла, подтолкнуло Линга продолжить развитие ТФЗЛ. Результатом этих усилий стала ТАИ. Эта фундаментальная физико-химическая теория живой клетки стоит на том, что смена физиологических состояний означает изменения электронной плотности на атомах кислорода β- и γ-карбоксильных групп и на функциональных группах пептидной связи в масштабах всей клетки или отдельных ее структур, и что эти изменения можно количественно описать с помощью параметра «величина с».

«Величина с» (исчисляющаяся в ангстремах) — независимый параметр, от значений которого зависят константы диссоциации кислотных групп, а значит, и их рК. Так, уксусная кислота СН3СООН обладает высоким рК, равным 4,75. Соответственно, она имеет высокую «величину с», т.е. относительно высокую плотность электронов на кислотной группе. При замещении одного из метильных атомов водорода атомом хлора образуется монохлоруксусная кислота СlСН2СООН. Атом хлора сильнее притягивает электроны, чем замещенный им атом водорода. В результате индуктивного эффекта (перераспределения электронной плотности в молекуле) электронная плотность на карбоксильном атоме кислорода снижается. Снижение плотности заряда (уменьшение «величины с») уменьшает сродство отрицательно заряженной карбоксильной группы к положительно заряженным протонам (Н+), в результате чего ее рК снижается до 2,8. При замещении двух атомов водорода на хлор образуется дихлоруксусная кислота, чья рК составляет 1,3, а «величина с» снижается еще больше. Наконец, при замещении всех трех атомов водорода атомами хлора образуется трихлоруксусная кислота, чья рК меньше единицы, а «величина с» крайне низка. Это — яркий пример индуктивного влияния одних функциональных групп на свойства других, удаленных групп, в пределах одной молекулы.

Определившись с «величиной с» как с количественной мерой плотности электронов и выбрав полипептидную цепь в качестве линейной модели, Линг вычислил энергию ассоциации с ней 5 ионов щелочных металлов, а также Н+ и NH4+ (ион NH4+ служил также моделью для описания свойств фиксированных катионов). Исследование свойств такой модели показало, что изменение «величины с», в самом деле, может повлечь за собой появление избирательности к К+ в присутствии Na+ или, наоборот, — к Na+ в присутствии К+. Что не менее важно — полученные данные позволяют объяснить, как изменение «величины с» влияет на образование или разрыв солевых связей.

В отличие от «величины с» β- и γ-карбоксильных групп, расположенных на коротких боковых радикалах, «аналог величины с» отражает электронную плотность на карбонильных атомах кислорода (иминогруппа пептидной связи поляризуется значительно слабее), расположенных прямо на полипептидном остове. Взаимосвязь между «аналогом величины с» и избирательностью взаимодействия этих групп была выведена из следующих фактов и предположений:

1. Склонность пептидной группы NHCO включаться в α-спирали (или β-складчатые структуры) напрямую зависит от электронодонорной силы боковой группы, примыкающей к данной пептидной связи.

2. Электронодонорную силу боковой группы можно определить по рК соответствующей (гомологичной) карбоновой кислоты (например, уксусной кислоты для аланина, муравьиной кислоты для глицина и т.д.).

3. Склонность каждого аминокислотного остатка (боковая цепь и прилегающие к ней функциональные группы пептидной связи) образовывать α-спиральную, β-складчатую конформацию или конформацию случайного клубка (полноразвернутую конформацию) можно установить эмпирически.


Итог анализа свойств функциональных групп пептидной связи и, прежде всего, карбонильного кислорода сводится к тому, что показана положительная линейная корреляция (с коэффициентом корреляции около 0,75) между α-спиральными потенциалами (склонностью вступать в водородные связи) 19 аминокислотных остатков и значениями рК гомологичных им карбоновых кислот. Столь сильная корреляция, в свою очередь, позволила выяснить природу избирательности карбонильных атомов кислорода полипептидного остова: при высоком значении «аналога величины с» (т.е. при высокой плотности электронов на них) остов полипептида предпочитает образовывать α-спиральную конформацию, а при низком «аналоге величины с» он предпочитает адсорбировать, поляризовать и ориентировать молекулы воды с образованием многослойных ассоциатов из ее молекул.


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 5.1 — становятся понятны:

- принципы электропунктурных методов воздействия на организм

- механизм, лежащий в основе действия на организм воды, активированной электрохимическим путем (анолит/католит)

- фундаментальное нарушение, лежащее в основе астмы


5.2 Смена избирательности ключевых функциональных групп белка — физиологический смысл индуктивного эффекта

Изменение кислотности уксусной кислоты в ряду ее хлорпроизводных (см. выше) — классический пример индуктивного эффекта. В этом случае он возникает благодаря разрыву одних ковалентных связей (с водородом) и образованию других (с хлором). Мишенью индуктивного эффекта здесь служит так называемая ионная связь между карбоксильной группой и Н+. Однако ТАИ подразумевает, что явление индуктивного изменения электронной плотности на функциональных группах распространено гораздо шире, чем это может показаться. Так, водородные связи, их образование и разрыв, тоже могут служить мишенями индуктивного эффекта, распространяющегося на гораздо большие расстояния, чем размер молекулы уксусной кислоты. Сама смена контрагентов по взаимодействию с функциональными группами белка (от К+ к Na+, от водородных связей во вторичных структурах белка к водородным связям с молекулами воды) также может инициировать дальнодействующий индуктивный эффект. Экспериментальные данные в пользу такого взгляда известны давно. Новым является их последовательное применение для объяснения фундаментальных физиологических явлений.

Это расширение роли индуктивного эффекта необходимо для физиологии клетки потому, что энергия активации, необходимая для разрыва и образования водородных и ионных связей, достаточно мала, чтобы эти процессы происходили самопроизвольно даже при физиологических температурах, тогда как энергия активации, сопряженная с разрывом и образованием ковалентных связей, обычно слишком велика, чтобы это могло происходить самопроизвольно, без участия специальных ферментов или других факторов. «Величина с» и «аналог величины с» представляют собой количественную меру различий в прочности ионных и водородных связей, а кардинальные адсорбаты осуществляют дальнодействующее влияние на «величину с» и «аналог величины с» различных функциональных групп, что ведет к образованию или диссоциации ионных или водородных связей в масштабе макромолекулы и клетки в целом.


5.3 Классификация кардинальных адсорбатов, включая биологически активные вещества

Увы, современная фармакология, также как и фармакология прошлого, не идет дальше простой констатации очевидного: молекулы лекарственного средства взаимодействуют с соответствующими им стереоспецифическими рецепторными центрами, вызывая в них конформационные изменения. И на этом все. Вы нигде не найдете ответа на вопрос, почему эти изменения происходят. Самое трудное — дать объяснение очевидному. Что касается ТАИ, то она с самого начала рассматривала клетку как электронную машину, изменение электронных плотностей в которой находится под контролем кардинальных адсорбатов, к числу которых относятся и биологически активные соединения, входящие в состав БАДов. Можно выделить три основных типа кардинальных адсорбатов: электронодонорные кардинальные адсорбаты (ЭДКА), электроноакцепторные (ЭАКА) и электроноиндифферентные (ЭИКА).


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 5.3, — становится понятна роль БАДов


5.4 Как клетка поддерживается в состоянии покоя и что происходит при его изменении — роль кардинальных адсорбатов

Когда АТФ и ее вспомогательные факторы находятся на своих местах, другие кардинальные адсорбаты — такие, как инсулин, адреналин или уабаин — могут проводить тонкую настройку структуры клетки для выполнения определенных функций, необходимых на данный момент.


5.4.1 Поддержание живого состояния при помощи АТФ — электроноакцепторного кардинального адсорбата

АТФ отличается от всех остальных кардинальных адсорбатов: она — главный кардинальный адсорбат и, играя ключевую роль, способна самостоятельно (или при участии вспомогательных факторов) поддерживать живое состояние протоплазмы. Другие кардинальные адсорбаты могут лишь настраивать структуру клетки для выполнения всего спектра физиологических функций.


Распределение веществ между клеткой и средой


Одно из главных назначений АТФ как ЭАКА состоит в поддержании β- и γ-карбоксильных групп белков в состоянии, когда они селективно связывают К+ в присутствии Na+. Это достигается благодаря способности АТФ снижать плотность электронов («величину с») на указанных группах в масштабе макромолекулы, а затем и всей клетки в целом. Кроме того, АТФ, действуя как акцептор электронов, удерживает ключевые белки клетки в полноразвернутой конформации, снижая плотность электронов («аналог величины с») на карбонильных группах полипептидного остова. Сдвиг электронной плотности в этом направлении приводит к смене селективности этих групп от водородных связей с иминогруппами (в α-спиралях, например) к водородным связям с водой. Это приводит к развертыванию белковой молекулы и ее взаимодействию с водой с образованием многослойных структур из поляризованных и ориентированных молекул воды в масштабе, в конечном счете, всей клетки. Величина q гидратированного Na+ и сахарозы в такой структурированной воде значительно меньше 1 (в соответствии с правилом размера), то есть их концентрация в клеточной воде ниже, чем в среде.


Проницаемость клеточной мембраны


Ключевые белки клеточной «мембраны» (т.е. поверхности клетки) обладают тем же фундаментальным свойством, что и ключевые белки всей протоплазмы — селективность их функциональных групп определяется АТФ. При истощении запасов АТФ в клетке или при ее удалении любым другим способом связанная вода на клеточной поверхности десорбируется и диффузионный барьер из слоев структурированной воды разрушается. Эти структурные изменения приводят к скачкообразному увеличению проницаемости клетки в микроскопически тонком поверхностном слое. Однако такие изменения могут произойти и в масштабе всей клетки.


Регуляция клеточного объема


В интактных клетках с нормальным уровнем АТФ «величина с» внутриклеточных β- и γ-карбоксильных групп низка, поэтому они избирательны к К+ в присутствии Na+. Именно по этой причине такие мышцы набухают в изотоническом растворе КCl — сродство фиксированных анионов к К+ выше, поэтому их связи с фиксированными катионами (солевые связи) разрываются. Из-за низкого сродства фиксированных анионов к Na+ изотонический раствор NaCl набухания не вызывает. Однако при повреждении уровень АТФ в клетке падает. Из-за утраты главного ЭАКА (АТФ) плотность электронов на β- и γ-карбоксильных группах увеличивается, а с ней возрастает и их избирательность к Na+. В этих условиях обычно безобидный Na+ крови обретает способность вызывать патологическое набухание поврежденных клеток, действуя подобно ионам К+ в интактных клетках.


Потенциал покоя


Потенциал покоя, как и ионная проницаемость, определяется АТФ благодаря ее способности изменять селективность фиксированных анионов белка в пользу ионов К+. Для поддержания нормального потенциала покоя в мышце необходим также главный конгруэнтный анион мышечного волокна — креатинфосфат (КрФ). Обработка метаболическим ядом или сочетание отравления с повторяющимися электрическими импульсами влечет за собой постепенное снижение уровня КрФ, вместе с которым постепенно уменьшается и потенциал покоя волокна. При полном истощении АТФ потенциал покоя исчезает.


5.4.2 Модуляция состояния покоя уабаином — электроно-донорным кардинальным адсорбатом


Фармакологическое действие всех, кроме АТФ, кардинальных адсорбатов, заключается в определенной настройке состояния покоя, создаваемого и поддерживаемого АТФ и ее помощниками.


Здесь будет рассмотрено влияние лишь одного препарата — сердечного гликозида уабаина, хотя есть немало и других примеров, включая совместное действие двух и более кардинальных адсорбатов.


Распределение веществ между клеткой и средой


В простом опыте по влиянию уабаина на распределение К+ и Na+ между клеткой и средой Линг с сотрудниками инкубировали в стерильных условиях при 25 °С четыре небольшие мышцы лягушки общим весом около 400 мг, из которых около 60 мг приходилось на жидкость в межклеточном пространстве и соединительной ткани. Оставшиеся 340 мг — «чистые» мышечные волокна. После 72 часов инкубации в растворе Рингера с уабаином (0,11 л раствора, концентрация уабаина 3,26 * 10-7 М) установилось новое равновесное распределение, при котором практически все 0,11 моль/кг К+ были замещены зквимолярным (0,11 моль/кг) количеством Na+.

Этот эксперимент поставил вопрос, важность которого трудно переоценить: как столь ничтожное количество уабаина может вызвать полное замещение столь большого количества К+ в клетке на Na+?

В книге Линга дан подробный ответ на этот вопрос — он аналитически рассмотрен с трех сторон: с позиций исторически первой версии мембранной теории, затем ее надстройки в виде теории мембранных насосов и, наконец, с точки зрения ТАИ.

Поскольку данный материал представляет собой по большей части чисто академический интерес, мы — дабы не перегружать изложение — опускаем его и ограничиваемся лишь фундаментальным выводом: уабаин вызывает замещение в масштабе всей клетки адсорбированного К+ эквимолярным количеством Na+, никак не влияя при этом на связанное состояние клеточной воды.

Для дальнейшего рассмотрения этого вопроса нам необходимо оценить количество β- и γ-карбоксильных групп, селективность которых переключается с К+ на Na+ под действием всего одной молекулы уабаина. Будем исходить из того, что все присутствующие в растворе молекулы уабаина (количество которых равно 0,11 х 3,26 х 10-7 или 3,59 х 10-8 моль) поглощаются мышечным волокном и связываются в нем со своими кардинальными центрами (рецепторами). Общее количество β- и γ-карбоксильных групп, в которых под влиянием уабаина происходит замена К+ на Na+ согласно данным эксперимента, равно 0,11 х 3,40 х 10-4 или 3,74 х 10-5 моль. Разделив число молекул уабаина в мышце (3,59 х 10-8 моль) на количество β- и γ-карбоксильных групп, свойства которых он изменил (3,74 х 10-5 моль), мы получаем, что каждая молекула уабаина контролирует селективность 1042 β- и γ-карбоксильных групп.

Разве не удивительно, что адсорбция всего лишь одной молекулы уабаина клеточными структурами приводит к десенсибилизации к К+ более тысячи β- и γ-карбоксильных групп?! А ведь каждый из этих 1042 ионов К+ или заместившего его Na+ является не частью хаотичного потока ионов, из чего исходит мембранная теория, а адсорбирован β- или γ-карбоксильными группами белков (в соотношении 1:1) и организован в клеточном пространстве в регулярные структуры, которыми являются и сами белки-адсорбенты, и образованные ими структуры. При этом каждый акт связывания индивидуален и локализован. Поскольку свойства ионов К+ и Na+ относительно стабильны, различия в их взаимодействии с каждой из β- и γ-карбоксильных групп отражают изменение параметров ближнего взаимодействия с ними со стороны самих карбоксильных групп — таких, например, как локальная электронная плотность на них — величина с.

Можно сказать и по-другому: ничтожное количество уабаина каким-то образом превращает протоплазматическую «ионообменную смолу» из смолы сильнокислотного сульфонатного типа (селективного к К+ в присутствии Na+) в смолу слабокислотного карбоксильного типа (с большим сродством к Na+). Такое изменение невозможно объяснить каким-то особым размером пор в смоле. Не может это быть обусловлено и поляризуемостью функциональных групп коллоидов под влиянием свободных ионов, как предполагал Бунген-берг-де-Йонг в 1940-х годах. Однако различную селективность смол может объяснить идея Эйзенмана, Рудина и Кесби — идея о различной плотности электронов, количественным выражением которой является «величина с», предложенная в процессе развития ТФЗЛ.

Если все дело в изменении «величины с» β- и γ-карбоксильных групп белков под влиянием уабаина, то тогда его действие должно подчиняться правилу «все или ничего». Физики, изучая неживой мир, обнаружили, что этому правилу подчиняются так называемые ферромагнитные, или (авто)кооперативные явления, для которых характерна высокая положительная энергия взаимодействия соседних центров (-γ/2). Но коренное отличие биологических автокооперативных явлений в том, что соседние центры, взаимодействующие в биологических системах, расположены друг от друга гораздо дальше, чем в тех же ферромагнетиках.

Теоретически, и падение костяшек домино, и передача дымовых сигналов по Великой китайской стене, и взаимодействие соседних центров в белке могут распространяться на сколь угодно большое расстояние без угасания. Как медный провод объединил в свое время мир, так и индуктивный эффект благодаря своей чрезвычайной экономичности и дальнодействию может служить уникальным свойством протоплазмы, объединяющим различные ее составляющие в согласованную, интегрированную систему. В основе механизма интегрирования лежит уникальная особенность всех белков — резонансная природа полипептидной цепи (кето-енольная таутомерия), ассоциирующаяся с резонансными структурами ароматических соединений, например.

Не исключено, что действие уабаина на β- и γ-карбоксильные группы опосредовано его влиянием на другие кардинальные адсорбаты. Но одно бесспорно: в использованных концентрациях (3,26 х 10-7 М) уабаин никак не влияет на уровень АТФ в клетке. Даже если действие уабаина опосредовано, это не меняет сути: его действие в конечном счете выражается в изменении сродства β- и γ-карбоксильных групп, что приводит к важным последствиям для физиологического состояния клетки.


Проницаемость клеточной мембраны


В опытах по ингибированию поступления меченого Cs+ в яйцеклетки лягушки под влиянием Rb+ и Na+ Линг и Фу показали, что присутствие уабаина повышает сродство поверхностных β- и γ-карбоксильных групп к Na+, и снижает к Rb+. Уабаин играет роль ЭДКА, вызывая повышение «величины с» (увеличение электронной плотности) у всех карбоксильных групп, как это следует из данных по изменению характера равновесного распределения ионов между мышцами лягушки и средой под влиянием уабаина.


Регуляция клеточного объема


Истощение АТФ, как известно, сопровождается набуханием клетки, степень которого зависит от уровня Na+ в окружающей среде. Теоретически, эффекты истощения количества в клетке какого-либо ЭАКА (такого, как АТФ, например) и увеличения содержания в ней какого-либо ЭДКА (например, уабаина) должны быть сходными (и в том, и в другом случае плотность электронов на ключевых функциональных группах белков возрастает). Это предсказание ТАИ было подтверждено в работе Линга и Бора: уабаин в концентрации 3,26 х 10-7 М, слишком низкой, чтобы влиять на уровень АТФ, вызывает набухание мышечных волокон, степень которого зависит от концентрации Na+ в среде.


Потенциал покоя


Акаике получил чрезвычайно важные данные по влиянию охлаждения и уабаина на зависимость потенциала покоя мышцы с повышенным содержанием Na+ от концентрации K+ в среде. Если данные Акаике проанализировать при помощи уравнения потенциала покоя Линга (учитывающего кооперативное взаимодействие соседних центров адсорбции), то становится очевидным, что уабаин действует как ЭДКА, вызывая повышение «величины с» у всех β- и γ-карбоксильных групп на поверхности мышечных волокон, автокооперативно повышая их сродство к Na+ и снижая к К+.


Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 5.4 — становятся понятны:

- механизм действия ядов, в частности то, почему часто «достаточно одной таблетки»,

- глобальные изменения, вызываемые в организме холодом, в частности механизм простуды,

- механизм, лежащий в основе аллергий, в частности отека Квинке, как одного из крайних проявлений аллергической реакции,

- принцип действия маслосодержащих препаратов Ревичи.


5.5 Обратимые физиологические явления


5.5.1 Истинный активный транспорт

У животных, живущих в пресных водах с концентрацией Na+ лишь около 0,2 мМ, содержание Na+ в крови составляет около 100 мМ — в 500 раз больше. Значит, те же лягушки способны поглощать этот ион из окружающей среды.

Установлено, что кожа лягушки чрезвычайно слабо проницаема для сахарозы. Поскольку величины q для сахарозы и Na+ зачастую мало отличаются, можно ожидать, что скорость проникновения Na+ также будет низка из-за мощного диффузионного барьера, которым является структурированная вода на наружной поверхности («мембране») эпителиальных клеток. Поэтому для того, чтобы объяснить движение Na+ в организм лягушки — против градиента концентрации 500:1 — одной проницаемости мало. В ТАИ механизм истинного активного транспорта состоит из двух «мембран», действующих подобно клапанам, белка-аккумулятора между ними, периодически связывающего и высвобождающего Na+ и трех этапов.

1. Наружная поверхность кожи лягушки содержит большое количество β- и γ-карбоксильных групп с высокой плотностью электронов на них, благодаря чему они избирательно и прочно адсорбируют Na+. Локальная концентрация этого катиона на поверхности кожи становится гораздо выше, чем в среде. В этом заключается первый этап транспорта Na+.

2. Затем накопившиеся на поверхности клетки ионы Na+ проникают в нее путем дублетной и/или триплетной адсорбционно-десорбционной диффузии. Проникнув внутрь, они адсорбируются β- и γ-карбоксильными группами белка-аккумулятора, избирательность которых зависит от АТФ, а также от других, вспомогательных кардинальных адсорбатов (совместное действие всех факторов приводит к увеличению плотности электронов на этих группах, и поэтому их сродство становится выше к Na+; пример — совместное действие АТФ с уабаином). Когда количество адсорбированного Na+ достигает порога, активируется Na, K-АТФаза белка-аккумулятора, и АТФ расщепляется.

3. За расщеплением АТФ следует десорбция Na+ со всех белков-аккумуляторов (то есть с Nа+ - аккумулирующего белкового матрикса). Одновременно десорбируется и связанная вода цитоплазмы и внутренней «мембраны» эпителиальной клетки. В клетке возникает объем со свободной водой, хорошо растворяющей Na+ — своего рода канал, ведущий из клетки во внутреннюю среду организма. По этому туннелю, «прорубленному» в толще связанной воды, свободный Na+ выходит из эпителиальной клетки в кровоток, вода в котором также свободна. Регенерация АТФ знаменует подготовку к следующему циклу.


Данная модель истинного активного транспорта через кожу лягушки требует от эпителиальных клеток участия в циклических (обратимых) процессах, которые трудно зарегистрировать ввиду малого размера клеток. Однако Брукс успешно продемонстрировал циклическое поглощение Rb+ из окружающей среды протоплазмой Nitella с последующим циклическим высвобождением этого иона в центральную вакуоль.


5.5.2 Потенциал действия

Разгадка такого явления, как потенциал действия, — величайшее достижение физиологии клетки в XX веке. Но, как уже неоднократно говорилось, мембранная теория, на принципах которой основано объяснение этого феномена, по своей сути, увы, неверна. В нервных и мышечных волокнах «течет» вовсе не разбавленный раствор свободных электролитов в свободной воде, как это считалось сто лет назад, и в чем большинство убеждено и теперь. Мембранный потенциал существует только в воображении апологетов мембранной теории, а не в реальном мире живых и искусственных мембран. Ни одному ученому не удалось показать, что изменение уровня К+ в клетке влияет на потенциал покоя. Потенциал покоя безразличен и к уровню ионов Сl-, и Mg2+ в окружающей среде, несмотря на то, что «мембрана» для них легко проницаема. Есть и другие свидетельства, резко противоречащие принципам теории потенциала действия Ходжкина и Хаксли. Так, например, натриевого потенциала по Ходжкину и Хаксли не может быть в принципе. Невозможен и так называемый натриевый канал, столь же бессмысленный, как и канал, построенный в открытом море.

Согласно ТАИ, потенциал действия, как и потенциал покоя, на основе которого он развивается, представляет собой электрическое явление, возникающее благодаря β- и γ-карбоксильным группам, рассыпанным по поверхности клетки. Потенциал действия — автокооперативный процесс, распространяющийся по поверхности протоплазмы нервного или мышечного волокна или другой возбудимой клетки. Он сопровождается временным согласованным повышением «величины с» всех поверхностных β- и γ-карбоксильных групп, что приводит к резкой смене их сродства с К+ на Na+. Одновременно происходит увеличение «аналога величины с» всех карбонильных групп полипептидного остова белков, ведущее к деполяризации воды в поверхностных слоях клетки, превращению ее в обычную воду и к соответствующему росту величины q для ионов Na+, сахарозы и других веществ.

В пользу такого понимания говорят данные о временном повышении рК поверхностных β- и γ-карбоксильных групп белков, ответственных за поступление Na+ в клетку, и о временной смене их избирательности с характерного для состояния покоя порядка Rb+ > К+ > Na+, соответствующего низкой «величине с», на обратный порядок, свидетельствующий о резком увеличении плотности электронов на этих группах.

Объяснение потенциала действия, предложенное ТАИ, находит подтверждение в данных Тасаки с сотрудниками, показавших, что прохождение потенциала действия по нерву краба сопровождается стремительным локальным набуханием аксона, по времени совпадающим с потенциалом действия.

Триумфом ТАИ явилась работа Виллегаса, Блей и Виллегаса, блистательно показавших, что во время потенциала действия поверхность аксона кальмара становится на мгновение более проницаемой для крупных молекул эритритола, маннита и сахарозы, если в среде присутствует Na+. Это Nа+-зависимое повышение неизбирательной проницаемости для неэлектролитов с большим молекулярным объемом идеально соответствует пониманию потенциала действия ТАИ. Подчеркнем еще раз, что распад ионо-водо-белкового комплекса с АТФ приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле белка и, как следствие, к одновременному наступлению ряда событий, в том числе к изменению поверхностного адсорбционного электропотенциала и десорбции воды. Именно это последнее ведет к разрушению диффузионного барьера на поверхности клетки, и крупным молекулам становится легче проникать в нее. Ионы Na+, адсорбируясь на места, занимавшиеся К+, значительно ускоряют распад ионо-водо-белкового комплекса. Поэтому эти ионы так необходимы. Соответствие данных упомянутой работы требованиям ТАИ превзошло самые смелые ожидания. Ведь авторы этого первоклассного исследования о ТАИ ничего не знали!


6. МЕРТВОЕ СОСТОЯНИЕ

Физико-химическая теория жизни была бы неполной, если бы ее не завершала физико-химическая теория смерти: ведь жизнь и смерть — это два состояния одной и той же структуры — протоплазмы.


6.1 Жизнь и смерть протоплазмы

Когда Томас Хаксли прочел в 1869 году одну из своих знаменитых воскресных лекций «Физическая основа жизни», ему ответили не только горячими аплодисментами, но и резким несогласием. Так, шотландский философ Джеймс Хатчинсон Стерлинг выступил с концепцией единого вещества, воплощениями которого были и омар, и баранина, и ростбиф, и сам человек, который всем этим питается. Стерлинг явно упустил из виду очевидное различие между прожаренным ростбифом и живым человеком. Чтобы парировать аргументы своих противников, Хаксли нужно было дать определение жизни и смерти на субклеточном уровне. Только так можно было провести границу между жареным и живым. Однако тогда рассмотреть этот вопрос на таком уровне было непросто, в чем можно убедиться на других примерах из истории науки.

Август Вейсман (1834-1915), разделявший живое вещество на зародышевую плазму и сому, оказался в затруднительном положении, когда попытался объединить их в более широкое понятие, каким является протоплазма. Ему пришлось признать, что, поскольку на тот момент никто не представлял себе разницы между мертвым «протеидом» и живым, можно лишь сделать предположение, что суть различий кроется на физико-химическом уровне. Уже в наше время, когда физико-химические подходы в биологии стали еще более актуальными, историк Томас Холл попытался бросить свежий взгляд на эту проблему. Однако все, что ему удалось — это привести череду мнений современных биологов (живо напоминавших застарелую «теорию» Стерлинга), что границу между жизнью и смертью можно провести только на уровне целой клетки, что это невозможно сделать на уровне ее структуры — протоплазмы.

Знал ли Холл, что такая возможность появилась еще за 7 лет до его публикации? Что это стало возможным благодаря физической теории жизни Линга, теории ассоциации-индукции? Вряд ли.

В книге Линга и, в частности, в одной из наших статей, содержится достаточно материала для размышлений на эту тему. Феномен жизни может и должен поддаваться пониманию и на субклеточном уровне, а не только на уровне целой клетки. Основа для такого понимания — физико-химические свойства фундаментальной структуры — протоплазмы. Работа именно этой структуры обеспечивает все формы жизнедеятельности.


6.2. Как протоплазма умирает

Согласно ТАИ, покоящееся живое состояние — это состояние метастабильного равновесия. Подобно монете, стоящей на ребре, система в метастабильном состоянии может легко выйти из равновесия вследствие любого возмущения. Ограничимся в данном контексте лишь двумя: нагреванием и отравлением.

Говоря о гибели мышцы лягушки от нагревания (см. п.2.3 по тексту), важно понимать, что движущей силой этой трансформации является прирост энтропии. Однако мышца лягушки погибает при температуре, которая является нормальной для тканей птиц, например, не говоря уже о микроорганизмах. Выходит, что одно и то же повышение температуры гибельно для протоплазмы одних клеток и безразлично для других. Может ли связанный со смертью прирост энтропии столь сильно различаться в протоплазме лягушек и птиц? Нет, потому что величина q ионов Na+ (и сахарозы), численно отражающая физическое состояние клеточной воды, мало отличается в клетках различных животных и даже растений.

Различие летальных температур обусловлено различием сил, стабилизирующих структуру живой протоплазмы — к примеру, прочностью солевых связей. Такое объяснение согласуется с теорией термостабильности живых организмов Перутца: в одних и тех же ферментах, выделенных из более термостабильных бактерий, содержится больше солевых связей. Несмотря на то, что конечный результат летального действия температуры и ядов — один, последние убивают клетку другим способом.

Хотя мышцы лягушки обрабатывали десятью ядами с совершенно разными токсикологическими характеристиками, смерть наступала при одинаковом, критическом, падении уровня АТФ в клетке. Это подтверждает справедливость постулата ТАИ о ключевой роли АТФ в поддержании живого состояния. Поскольку АТФ является ЭАКА, ее потеря влечет за собой критическое (надпороговое) увеличение электронной плотности на всех ключевых функциональных группах белков — на β- и γ-карбоксильных группах и на карбонильных группах полипептидного остова (повышение «величины с» и «аналога величины с», соответственно). Поэтому в гибнущей протоплазме происходит десорбция К+ и воды. И, что забавно, белки в погибшей клетке приобретают конформацию, близкую к так называемой «нативной», т.е. той, с которой работают в лабораториях.


6.3 Анатомия мертвой протоплазмы

В ТАИ покоящееся живое состояние представляет собой состояние с большим запасом энергии и низкой энтропией. Нагревание разрушает это состояние, высвобождая связанные К+ и воду, приводя к росту энтропии. Яды приводят к тому же результату, но посредством подавления процесса регенерации АТФ.

Рост плотности электронов (или плотности заряда) на карбонильных группах полипептидного остова при истощении АТФ способствует десорбции клеточной воды. Освобождающиеся из связи с водой СО- и NH-группы пептидных связей могут участвовать в образовании α-спиральной структуры или β-складчатого листа. С ростом плотности заряда на β- и γ-карбоксильных группах (с ростом «величины с») адсорбированный К+ замещается на Na+ или на фиксированные катионы (при образовании солевых связей между фиксированными зарядами). Однако, по имеющимся данным, Na+ адсорбируется не полностью и на короткое время, также замещаясь вскоре фиксированными катионами, образующими более прочные связи с фиксированными анионами, чем Na+. Именно образование солевых связей внутри молекул белка и между ними объясняет, почему протоплазма погибших мышц плотнее, чем у живых, и менее податлива, чем насыщенная ионами Na+ карбоксильная ионообменная смола. При этом солевые связи между фиксированными зарядами образуются несмотря на то, что окружающая среда, будь то морская вода, кровь, тканевая жидкость или раствор Рингера, обычно богата ионами Na+.

Все эти изменения при умирании можно проследить от автокооперативного разрушения протоплазматического ансамбля белков, воды и ионов до полного формирования всех солевых связей между фиксированными анионами и фиксированными катионами. В живом состоянии АТФ и К+ адсорбированы, а вода поляризована, ориентирована и ограничена в своей подвижности полноразвернутыми белковыми цепями. В мертвом состоянии АТФ разрушена, а адсорбированный К+ и конгруэнтные анионы, как и молекулы воды, становятся свободными. Однако остается ответить еще на один вопрос. Почему все-таки именно фиксированные катионы, а не Na+, являются конечным пунктом в череде взаимодействий, в которые вступают β- и γ-карбоксильные группы при гибели клетки?

Расчеты и соответствующие экспериментальные данные позволяют утверждать, что при низкой «величине с» на известных фиксированных анионах они избирательны к К+ в присутствии Na+, и наоборот, с ростом «величины с» сродство к Na+ возрастает. Трудность в том, что нам неизвестно положение в ряду селективности фиксированных катионов (ε-аминогрупп, гуанидиновых групп и др.). Мы можем лишь предполагать, что оно находится где-то рядом с ионами NH4+. Но кривая, рассчитанная для NH4+, не дает никаких оснований полагать, что ионы NH4+, а, значит, и фиксированные катионы более предпочтительны для фиксированных анионов, чем Na+ в условиях, когда связанный К+ утрачен из-за критически низкого содержания в клетке АТФ. Может быть, есть еще какой-то механизм, который позволил бы нам объяснить, почему солевые связи между фиксированными зарядами образуются с такой неотвратимостью? Такой механизм действительно существует — он был выявлен при изучении набухания интактных и поврежденных клеток под влиянием различных солей (в частности NaCl).

Чтобы разобраться с этим механизмом, необходимо обратиться к очень простому уравнению Линга, объясняющему набухание клеток в растворе KCl:


f-f+ + X+ + Y+     ↔     f-X+ + f+Y-

      сжатие                    набухание


где f- и f+ — соответственно фиксированный анион (например, β- или γ-карбоксильная группа) и фиксированный катион (например, ε-аминогруппа или гуанидиновая группа), а X+ и Y- — соответственно свободный катион (например, K+) и свободный анион (например, Cl-).

Подставим в это уравнение вместо Х+ ион К+, а вместо Y- — конгруэнтный анион (помощник АТФ). Внутренняя среда интактной клетки представлена поляризованной, ориентированной клеточной водой, а ионное равновесие смещено вправо (когда К+ и конгруэнтные анионы адсорбированы). Концентрация свободного К+ и конгруэнтных анионов в клетке снижается еще больше не только потому, что они переходят в связанное состояние, но и в результате вытеснения оставшегося свободным К+ из клетки структурированной клеточной водой, сравнительно плохим растворителем (величина q для этих ионов принимает низкие значения). Если К+ или конгруэнтные анионы спонтанно диссоциируют в покоящейся клетке, то прирост энтропии, вызванный такой диссоциацией, будет сравнительно невелик из-за ограниченной подвижности этих ионов в неподвижной структурированной клеточной воде.

С другой стороны, когда клетка начинает разрушаться из-за падения уровня АТФ (универсальная причина ее трансформаций и гибели), связанный К+ начинает замещаться ионами Na+ до тех пор, пока этот процесс не достигнет критического уровня, за которым начинается разрушение структурированной воды. До этого переломного момента связанная вода (обеспечивающая низкую величину q), способствовавшая адсорбции К+, способствует связыванию и Na+ (как в опытах с уабаином).

Но с окончательной утратой АТФ ситуация резко меняется — клетка гибнет, вода из структурированной превращается в обычную воду. Величина q для Na+ и конгруэнтных анионов растет, приближаясь к единице, десорбция ионов происходит теперь уже в условиях полной свободы перемещения. Однако присмотримся к фиксированным катионам.

Фиксированные катионы (ε-аминогруппы остатков лизина, гуанидиновые группы остатков аргинина) не могут освободиться от связи с белком и стать свободными при физиологических условиях — они по-прежнему остаются фиксированными (кислотные группы, разумеется, тоже). Поэтому при гибели клетки, деполяризации воды, десорбции К+, Na+ и конгруэнтных анионов, фиксированные катионы своего статуса не меняют. В конкуренции свободного катиона (Na+) и фиксированного катиона за фиксированный анион побеждает последний из конкурентов, потому что фиксированные катионы (как и фиксированные анионы) образуют, как мы уже знаем, более прочные связи именно с фиксированными противоионами. В результате равновесие реакции в уравнении при гибели клетки полностью сдвигается влево, а погибшая протоплазма стягивается солевыми связями во все более плотный белковый матрикс, вплоть до трупного окоченения.

Подготовлена с использованием материалов книги Гильберта Линга "Физическая теория живой клетки"


А.Н. Стацкевич, Всеохватывающая физико-химическая теория жизни — теория ассоциации-индукции Линга // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.17346, 05.03.2012

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru