РОЛЬ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ГИДРАТ-ИОНОВ В Термодинамике цитоплазматической фазы ЖИВОЙ КЛЕТКИ
, ,
ГБОУ ВПО Нижегородская государственная медицинская академия
Министерства здравоохранения РФ
Словарь сокращений
БМ – белковые молекулы
БПММ – биополимерные макромолекулы
ВБК – водно-белковый комплекс
ГИВБК – гидрат-ион--водно-белковый комплекс
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
РНК – рибонуклеиновая кислота
ХПСС –химический потенциал стандартного состояния
Актуальность. Практически вся вода гиалоплазмы связана посредством водородных связей с находящимися в ней веществами, в том числе с ионами солей металлов, а также с активными центрами на поверхности БПММ, таких, как ДНК, РНК и др., биологическая активность которых во многом определяется степенью их гидратации.
Авторами работ [1] установлен факт преобладающего селективного взаимодействия белков и ДНК в их водных растворах с пара-Н2О молекулами. Анализ специфики спин-селективного взаимодействия пара-Н2О изомеров с БПММ в водных растворах указывает на то, что их гидратная оболочка образована преимущественно пара-Н2О изомерами. Так установлено [3,4], что равновесное отношение 3:1 орто/пара спин-изомеров молекул воды, справедливое для газов при комнатной температуре, в связанной структурированной воде приводит к увеличения доли пара-Н2О спин-изомеров более чем в 2 раза.
Экспериментальные данные G. Pollack [2] также свидетельствуют об упорядочении в макроскопических объемах фазы воды, адсорбированной на гидрофильной поверхности, что приводит к изменению её свойств, отличающихся от таковых для фазы W обычной чистой воды. Слои молекул воды, следующие непосредственно за контактирующим с гидрофильной поверхностью слоем, образуют упорядоченную структурированную фазу W′, в объеме которой возникает градиент электрического потенциала в направлении перпендикулярном этой поверхности. Эти данные доказывают, что две фазы воды – обычная W и структурированная W′ – термодинамически различимы.
Цель и задачи. Используя современные научные данные об энергетическом различии обычной W и структурированной W′ фаз воды, провести анализ влияния метаболических гидрат-ионов на термодинамическое различие между внеклкточной и внутриклеточной цитоплазматической водными фазами живой клетки.
Материалы и методы исследования. Методы термодинамического анализа были разработаны одним из авторов в работе [3] и применены при решении задач в [4].
Дипольные заряды пептидных связей белка, как и других БПММ взаимодействуют с диполями молекул воды. При этом вокруг БПММ образуется шуба из «связанной» структурированной воды, что приводит к образованию ВБК. Гидрат-ион--водно-белковый комплекс, ГИВБК, представляет «связное» внедрение гидрат-ионов в шубе ВБК:
ГИВБК ≡ ВБК---гидрат-ионы, где ВБК ≡ БПММ---«связанная»_вода |
Комплекс ГИВБК состоит из гидрат-ионов различных типов, связанных с ВБК, т. е.:
k1{Me1+}g+ k2{Me2+}g+…+ kn{Men+}g + {ВБК}g → {ГИВБК}g , |
где {Mei±}g гидрат-ионы металлов i-го типа, ki – количество таких гидрат-ионов.
В результате образования ГИВБК раствор внутриклеточной фазы W′ содержит воду более высокой степени структурированности, чем раствор внеклеточной фазы W.
Рис.1 Схема равновесия между вне - W и внутриклеточной W′ водными фазами.
На Рис.1 представлены следующие формы гидрат-ионов в растворах двух водных фаз:
- {Na+}g…W – гидрат-ион Na+ в фазе W вне клетки; {K+}g…W – гидрат-ион K+ в фазе W вне клетки; {Na+}g--ВБК…W′– «связанный» в ГИВБК гидрат-ион Na+ в фазе W′ внутри клетки; {K+}g--ВБК…W′– «связанный» в ГИВБК гидрат-ион K+ в фазе W′ внутри клетки.
Результаты исследования и обсуждение. С позиций термодинамики следует, что в «шубе» вокруг ВБК преимущественно будут связываться гидрат-ионы с наибольшими отрицательными по значению величинами ХПСС ∆GS, что приводит к снижению свободной энергии Гиббса ГИВБК. Из данных работы [3] следует, что величина ХПСС ∆GS у гидрат-ионов K+ более отрицательна, чем у гидрат-ионов Na+. Поэтому БПММ в форме ГИВБК будут преимущественно накапливать гидрат-ионы K+, и в меньшей степени гидрат-ионы Na+, поскольку это приводит к снижению свободной энергии Гиббса всей цитоплазматической фазы в целом внутри живой клетки.
Выводы. A) Наблюдаемая в эксперименте на живых клетках естественная концентрационная диспропорция замещения ионов Na+ на ионы K+ в соотношении [Na+]/[K+]=3:2 обусловлена соотношением ХПСС этих гидратированных ионов так, как свободная энергия Гиббса всей системы в целом: «внутренняя среда» + «внешняя среда» в этом процессе не изменяется:
2∆Gs[{K+}g] – 3∆Gs[{Na+}g] ≈ 0
Это означает, что естественный насос, «закачивающий» ионы K+ внутрь клетки и «выкачивающий» ионы Na+ из неё наружу, не требует подведения дополнительной энергии и затраты никакой работы.
B) Преимущественное накопление различных типов гидрат-ионов по обе стороны мембраны живой клетки приводит к образованию трансмембранного потенциала Δцтм, величина которого определяется соотношением:
Δцтм = – {∆GS({K+}g) – ∆GS({Na+}g) + [ln(cin/cout)K+ – ln(cout/cin)Na+]RT}/zF |
Расчет значения трансмембранной разности потенциала для гигантского аксона кальмара с известными значениями концентраций (ммоль на 1 кг H2O): (cin/cout)K+=340/10,4 и (cout/cin)Na+ =463/49 и с учетом значений величин ХПСС из работы [3] дает:
Δцтм = – 58,5 мВ . |
Это хорошо согласуется с экспериментальным значением – 60 мВ.
C) Связанность гидрат-ионов K+ с БПММ, объясняет тот экспериментальный факт, что при контакте с 85%-ым глицерином мышца в течение часа теряет 80% воды и только 10% калия, и это при том, что соли калия хорошо растворимы в глицерине.
Литература
a) Першин -жидкостная вода. Сборник избранных трудов V Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологи и медицине». С-Пб. 2009. С.63, 64.; b) Першин основа действия слабых полей на биообъекты – квантовые отличия спин-изомеров H2O. www. biophys. ru/archiv/congress2012/proc-p28.htm; c) , , Першин четырех фотонная спектроскопия низкочастотных либраций молекул в жидкости // УФН. 2006. № 000. 883. Поллак Дж., Клетки, гели и двигатели жизни: новый, унифицирующий взгляд на клеточные функции. - Переводное издание книги Джеральда Поллака "Cells, Gels and the Engines of Life" на CD-диске, Москва, 2006. Лазукин модуляция функционального состояния сердечно-сосудистой системы крыс при ее альтерации. Канд. Дисс., ННГУ им. , Нижний Новгород, 2006 г. , , . Роль связанной внутриклеточной воды как агента поглощения электромагнитного излучения биологическими системами. Сборник избранных трудов V Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологи и медицине». С-Пб. 2009. С.61.