Теория ассоциации-индукции

Теория ассоциации-индукции 

Этапы развития теории

В 1952 г. Гильберт Линг опубликовал теорию фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ) — прототип своей будущей теории жизни. На протяжении своего существования данная теория, хотя и имела своих сторонников, оставалась по существу незамеченной широкими научными кругами. Цель теории — объяснение понятия жизни с помощью законов физики и химии (отсюда ее более общее название — физическая теория живой клетки). Необходимость теории, объясняющей, что живой мир подчиняется тем же законам, что и неживой, была актуальна всегда, однако до появления работ Линга она существовала лишь в виде отдельных открытий и доказательств.

В 1962 г. вышла книга Линга «Физическая теория жизни: гипотеза ассоциации-индукции», в которой, в частности, теория Линга противопоставлялась господствующей на сегодняшний день мембранной теории клетки. К 1965 г. теория АИ приобрела законченный вид (была дополнена теорией, объясняющей природу внутриклеточной воды) и стала первой в истории единой фундаментальной физико-химической теорией жизни на клеточном и субклеточном уровне. Сам автор определяет её как «новую парадигму, способную соединить все нити биологических наук в единое целое».

Слово «ассоциация» в названии теории указывает на тесное взаимодействие и взаимосвязанность трех основных компонентов живой клетки — белков, воды и ионов калия. Этот комплекс составляет общую физическую основу организации клетки, и ни один из его компонентов не свободен от остальных (в мембранной же теории вода и ионы внутри клетки считаются свободными и несвязанными — в том смысле, в котором эту связь описывает Линг, однако, безусловно, влияющими друг на друга).

Второе понятие, индукция, отражает идею, что живая клетка и её компоненты вплоть до белковых молекул являются по существу «электронными машинами», благодаря которым трансклеточная передача информации и энергии, необходимая для функционирования клетки, реализуется через повторяющиеся во времени регуляторные изменения степени электрической поляризации отдельных функциональных групп и распространение этих изменений в субмолекулярном, молекулярном и надмолекулярном масштабе.

Дальнейшее развитие данная теория получила в 1984 г. в книге Линга «В поисках физической основы жизни», и, через восемь лет, в третьей книге Линга «Революция в физиологии клетки». Четвёртая книга Линга — «Жизнь на клеточном и субклеточном уровне: незамеченная история фундаментальный революции в биологии» вышла в 2001 г. и была переведена на русский язык под заголовком «Физическая теория живой клетки: незамеченная революция».

Наиболее близки к теории Линга результаты исследований и выводы российских физиологов Д. Н. Насонова и А. С. Трошина (Институт цитологии РАН), В. В. Лепешкина, а также работающего в настоящее время В. В. Матвеева. В США изучением структурированной воды занимается, в частности, Дж. Поллак.

Некоторые предпосылки для появления теории Линга

Прежде всего, для Линга была очевидна необходимость появления теории, описывающей реальные (а не вымышленные) механизмы взаимодействия с клеткой поступающих в организм веществ (в частности, лекарственных препаратов).

Далее — это несостоятельность основы современной клеточной физиологии — мембранной теории клетки и теории мембранных насосов. Опровержение Лингом существования данных насосов в статье 1952 г. «Метаболизм фосфора» вызвало единственную реакцию, спустя пять лет. На протяжении последующих десятилетий других возражений от оппонентов не последовало. В то же самое время экспериментальные опровержения теории мембранных насосов становились все многочисленнее и убедительнее (об этом далее). Кроме того, на основе теории ассоциации-индукции (АИ) в 1977 г. Р. Дамадьяном была изобретена технология магнитно-резонансной томографии.

Л. Пастер доказал, что жизнь может существовать и без кислорода. Живые клетки способны к анаэробному гликолизу с образованием молочной кислоты (и это, например, предпочтительный способ метаболизма раковых клеток — гипотеза Варбурга). В результате напряженной работы множества талантливых биохимиков Ломанн в 1929 г. открыл АТФ — конечный продукт любого энергетического обмена, как аэробного, так и анаэробного. В 1941 г. Липман предложил теорию высокоэнергетических фосфатных связей. Через 15 лет Подольским и Моралисом было доказано отсутствие исключительно высокого содержания энергии в фосфатных связях АТФ (хотя они не отрицали роль АТФ как главного источника энергии для биохимических реакций). К такому же выводу пришли Джордж и Рутман. Фактически, это было опровержением теории об АТФ как об основном аккумуляторе энергии клетки, однако, в отсутствие другой официальной теории, она всё ещё является господствующей. Теория АИ по-новому объясняет роль АТФ как источника энергии для физиологических процессов.

Мембранная теория изначально была основана на представлениях, что клетки являются сосудами с раствором электролитов и других соединений, и что клеточная мембрана проницаема для воды, но всегда непроницаема для таких веществ, как сахароза и NaCl. Однако опыты Насонова, Айзенберга и Камнева показали, что клеточная мембрана проницаема для сахарозы и галактозы. В ответ на это мембранная теория пополнилась теорией насосов (или каналов), число которых растёт и по сей день (первым из них был натриевый насос, за работу по исследованию которого Й. Скоу в 1997 г. получил Нобелевскую премию). Однако выяснилось, что для работы лишь одного натриевого насоса необходимо в 15-30 раз больше энергии, чем та, которую может выработать клетка. Это не считая других насосов и прочих энергетических потребностей клетки. По сути, теория мембранных насосов противоречит закону сохранения энергии, а свойства, приписываемые клеточной мембране (в форме фосфолипидного бислоя со «встроенными» насосами), являются фантастическими.

Исходя из мембранной теории, проницаемость непрерывного двойного слоя фосфолипидов на поверхности клетки должна быть примерно одинаковой для разных типов клеток, поскольку зависит только от свойств самих этих фосфолипидов. Однако, например, опыты Вуда показали, что проницаемость данного слоя для D-глюкозы в миллион (!) раз меньше, чем проницаемость мембраны такой закрытой клетки, как эритроцит. Теория АИ способна объяснить это явление.

Ряд учёных (Фишер, Мур, Роуф, Лепешкин, Насонов, Эрнст, Трошин) сходился в одном: то, что сторонники мембранной теории считали исключительным свойством клеточной мембраны, на самом деле является свойством всей протоплазмы и любой её части. Также были попытки доказать, что клеточная вода и клеточный калий являются связанными. Однако последующие опыты Хилла, и позднее эксперименты Ходжкина и Кейнса показали, что ионы калия в клетке находятся в свободном состоянии, а вода не отличается от обычной. Физиологи коллоидного (протоплазматического) направления, до Линга, не смогли противопоставить этим результатам достаточно основательных аргументов — на тот момент для этого не было необходимых технических средств и теоретических знаний в области физической химии. К моменту начала работы Линга достижения научно-технического прогресса создали достаточную базу для выводов, положенных им в основу теории АИ. В частности, появились новые экспериментальные методы исследований на основе меченых атомов и капиллярных микроэлектродов Джерарда-Грэхема-Линга. Благодаря этим двум методам удалось опровергнуть теорию натриевого насоса.

Основные понятия и постулаты теории ассоциации-индукции

Ассоциация

Самыми значительными по массе составляющими клетки являются вода и белки. Самыми многочисленными по количеству частиц — вода и ионы К⁺. Ассоциация К⁺ с белками — основа ТФЗЛ. Ассоциация воды с белками — главный предмет теории многослойной организации поляризованной воды в клетке (МОПВ).

ТФЗЛ отвечает на вопрос, почему К⁺ должен связываться с фиксированными анионными группами внутри клетки, когда известно, что при этой же ионной силе (плотности заряда) К⁺ не ассоциируется с такими же анионными группами, если они принадлежат веществам в растворе. ТФЗЛ предложила два механизма усиления ассоциации при взаимодействии ионов с фиксированными центрами адсорбции: электростатический и кинетический. Первый заключается в уменьшении энтропии диссоциации в результате усиления электростатического взаимодействия фиксированного заряда с ионом из-за перекрытия электрических полей в среде с высокой концентрацией фиксированных зарядов (то есть в протоплазме по сравнению с разбавленным раствором). Согласно второму механизму, фиксация центра адсорбции в пространстве, по крайней мере, вдвое снижает энергию столкновений ассоциата с молекулами растворителя и другими ионами, и молекулами в растворе, резко увеличивая время жизни ассоциата. И, что важно, эта закономерность распространяется на адсорбцию как ионов, так и незаряженных молекул.

За четыре года до публикации ТФЗЛ был проведён эксперимент Керна, показавший усиление ассоциации противоионов при фиксации одного из зарядов.

Кроме того, ТФЗЛ предложила:

— Количественный механизм избирательной адсорбции ионов К⁺ в присутствии Na⁺;

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

— Ответ на вопрос, почему ионы К⁺ утрачиваются клеткой при её гибели, основанный на ещё не завершенной к тому времени теории Линга о функционирования АТФ как главного кардинального адсорбата.

Экспериментальным путем Линг показал, что субстратом, обеспечивающим избирательное накопление К⁺ (и вытеснение Na+) в мышцах лягушки является цитоплазма, а не клеточная мембрана (с её гипотетическими насосами).

Указанием на адсорбированное состояние клеточного К⁺ и на природу центров, связывающих его, является шесть групп экспериментальных данных, взаимодополняющих друг друга:

— Низкая внутриклеточная электропроводность;

— Резко сниженная подвижность клеточного К⁺;

— Изменение тонкой структуры полосы поглощения рентгеновского излучения клеточным К⁺;

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

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

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

Теория многослойной организации поляризованной воды

Согласно теории МОПВ практически вся вода в клетке объединена в единую динамическую структуру, в отличие от разрозненных в своём большинстве молекул обычной воды. Такая структура является результатом ее взаимодействия с сетью полноразвернутых белковых цепей, пронизывающих всё тело клетки. Карбонильные (СО) и иминогруппы (NH), доступные воде, представляют собой закономерно 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 P-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 (то есть 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 P-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 существенно 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 теории МОПВ, 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. Это т. н. экстравертный тип (модель) белков. И, наоборот, свернутые, глобулярные белки не имеют ничего или мало общего с полноразвернутыми белками — это интровертный тип (модель) белков.

Из-за связанности воды в клетке и в экстравертных моделях подвижность её молекул ограничена, а в интровертных моделях не отличается от подвижности объемной воды.

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 же выводу: подвижность молекул воды (и протонов) в клетках и экстравертных моделях ниже, чем в обычной воде.

(Р. Дамадьян, проверяя методом ЯМР-спектроскопии предсказанное теорией МОПВ связанное состояние клеточной воды, изобрел МРТ. На момент изобретения он занимался выяснением состояния К⁺ внутри клеток)

Кроме того, клеткам и экстравертным моделям присущи следующие общие свойства в отношении состояния воды:

— Осмотическая активность макромолекул в полноразвернутой конформации;

— Понижение температуры замерзания;

— Сходные характеристики поглощения пара при его парциальном давлении, близком к насыщению;

— Способность структурированной воды вытеснять растворенные вещества и из клеток, и из экстравертных моделей.

При помощи количественной теории распределения белков, созданной Лингом в 1993 г., он показал, что увеличение теплоты парообразования воды, связанной с белком, всего на 1,3 % по отношению к этому показателю для обычной воды, может количественно объяснить явление вытеснения сахарозы и Na⁺ из клеток.

Согласно теории МОПВ, непрерывной фазой истинной клеточной мембраны, подобно остальной клетке, являются не липиды и их производные, а структурированная вода (в виде пограничного слоя с окружающей средой). При таком понимании мембрана (поверхность клетки) проницаема для любых веществ (но с разной степенью) и не она обеспечивает осмотическую стабильность клетки. Это подтверждается опытами, в которых клетки, даже лишённые липидной мембраны, сохраняют свою осмотическую стабильность, поскольку она обусловлена осмотическими свойствами протоплазмы, как единой структуры. Другие опыты показали, что диффузия воды в клетку ограничена объёмными свойствами среды, а не мембраной, а её скорость такая же, как и через цитоплазму, и на порядки больше скорости диффузии воды через фосфолипидный бислой. Опыты по искусственному повышению проницаемости бислоя в 1000 раз не оказали сопоставимого с этим влияния на проницаемость клетки для К⁺.

Основы физической природы живого состояния

1. Живое состояние покоя протоплазмы

В этом состоянии все три основных компонента клетки (белки, вода и ионы К⁺) ассоциированы между собой и находятся в термодинамическом равновесии со средой.

Идея равновесия в теории АИ противопоставляется представлению о жизни как об установившемся режиме обмена веществ. Как и любые химические реакции, биохимические реакции прекращаются при сверхнизких температурах (например, при температуре жидкого азота). Если бы жизнь в самом деле поддерживалась непрерывными химическими реакциями, то при таких температурах она неминуемо угасла бы навсегда. Однако 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. Теория АИ объясняет это существованием протоплазмы в состоянии метастабильного равновесия.

2. Низкая энтропия живого состояния покоя протоплазмы

Поскольку элементы протоплазмы, включая воду, адсорбированы, клетка и протоплазма обладают низкой энтропией, увеличение которой может приводить к спонтанному утрачиванию способности клетки удерживать воду и К⁺, даже при незначительном повышении температуры (для мышц лягушки она составляет всего 41°С). Это — краткое термодинамическое обоснование теории АИ.

3. Конформация белков внутри клетки

В опытах Линга с гемоглобином и эритроцитами было выяснено, что нативный гемоглобин (то есть полученный из клеток эритроцитов) меняет свои свойства в водном растворе с той же концентрацией, что и в клетках, и практически не связывает ионы калия и натрия. Совокупные итоги этих опытов 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, гемоглобин, введённый в тело эритроцита, способен принимать эту конформацию под действием АТФ, белков и конгруэнтных анионов (например Cl^-).

4. Конформация миозина и актина

На основе результатов распределения неэлектролитов между клеткой и средой, Лингом был сделан вывод, что основные мышечные белки — миозин и актин — имеют в покоящемся мышечном волокне лягушки конформацию, близкую к полноразвернутой. Этот же вывод был подтвержден опытами с поглощением водяного пара интровертными белками и экстравертными полимерами, когда относительное давление пара близко к насыщению.

5. Связь молекул структурированной воды внутри клетки

Белки клетки, например миозин, актин или гемоглобин, играют роль «центров кристаллизации» в создании многослойной динамичной структуры антипараллельно ориентированных молекул воды (когда соседние молекулы воды, имеющие, как известно, один отрицательный полюс и два положительных, направлены разноименными полюсами в одну сторону). Связанная вода поляризуется, заметно стабилизируя организованную водяную структуру вокруг белка в клетке.

6. Система молекулярных взаимодействий в протоплазме

Содержание воды в клетке составляет около 44 М; β- и γ-карбоксильных групп, адсорбирующих К⁺, — около 100 мМ; АТФ — 5 мМ. Поскольку, согласно теории АИ, вся вода и К⁺ в клетке находятся под контролем АТФ, на каждую молекулу АТФ приходится в среднем 20 связанных ионов К⁺ и 8800 связанных молекул воды. Такое большое число связанных единиц, приходящихся на одну молекулу АТФ, возможно благодаря линейному и объёмному распространению индуктивного эффекта: вдоль полипептидной цепи и через короткие боковые радикалы, в том числе и с β- и γ-карбоксильными группами, и через слои поляризованной, ориентированной воды, на весь объем клетки.

Объяснение четырех фундаментальных физиологических явлений

1. Распределение веществ между клеткой и средой

Лингом было предложено уравнение, описывающее равновесное распределение веществ между клеткой и средой, учитывающее кооперативное взаимодействие центров адсорбции, причём оно способно описывать все известные данные такого распределения. Возможность вывода этого уравнения подтверждает единообразие механизма адсорбции в клетке.

2. Проницаемость

Линг предложил уравнение проницаемости условной клеточной мембраны, имеющее тот же физический смысл, что и уравнение равновесного распределения веществ между целой клеткой и средой. Согласно модели АИ, проницаемость клетки определяется сорбционными свойствами поверхности клетки, её 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 потребности клетки в ионах, неэлектролитах и амфолитах — например, в свободных аминокислотах и даже в гигантских молекулах белков.

3. Регуляция объёма клетки

Равновесный объем клетки определяется балансом сил между адсорбцией воды, увеличивающей этот объем, и двумя факторами, противодействующими этому увеличению: солевыми связями (внутри- и межбелковыми), возникающими между фиксированными зарядами повсюду в клетке и ограничивающими способность белков связывать воду; и веществами с низким коэффициентом распределения между клеткой и средой — в клетке они представлены только свободной фракций, и поскольку их концентрация в клеточныой воде меньше, чем в среде, этот компонент в общем балансе осмотических сил способствует потере воды клеткой, то есть уменьшению её объёма — вода уходит туда, где концентрация растворенных веществ выше. Данные выводы Линг подтвердил своими опытами.

4. Потенциал покоя

Линг предложил уравнения, количественно описывающие потенциал покоя клеток, являющиеся производными общего уравнения распределения веществ между клеткой и средой.

Потенциал покоя клетки определяется поверхностными фиксированными анионными центрами.

Физиологические явления, как обратимые кооперативные переходы, контролируемые индуктивным эффектом

В 1955 г. Линг предложил теоретическое объяснение потенциала действия клетки как аналогию потенциала стеклянного электрода: на поверхности нервных и мышечных волокон фиксированные анионные центры представляют собой β- и γ-карбоксильные группы, избирательные к К⁺ в состоянии покоя. То есть поверхность клетки в покое играет роль калий-чувствительного стеклянного электрода. Однако в состоянии возбуждения она превращается в натрий-чувствительный электрод. Смена физиологических состояний, согласно теории АИ, означает изменения электронной плотности на атомах кислорода β- и γ-карбоксильных групп и на функциональных группах пептидной связи в масштабах всей клетки или отдельных её структур. Для этих изменений Линг ввёл количественные параметры «величина с», от значения которого зависят константы диссоциации кислотных групп, а значит и их рК, и «аналог величины с», который отражает электронную плотность на карбонильных атомах кислорода, расположенных прямо на полипептидном остове.

Проанализировав свойства функциональных групп пептидной связи и прежде всего карбонильного кислорода, Линг показал положительную линейную корреляцию (с коэффициентом ок. 0,75) между α-спиральными потенциалами (склонностью вступать в водородные связи) 19 аминокислотных остатков и значениями рК гомологичных им карбоновых кислот. Столь сильная корреляция позволила выяснить природу избирательности карбонильных атомов кислорода полипептидного остова: при высоком значении аналога величины с (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 её молекул.

Смена избирательности ключевых функциональных групп белка как физиологический смысл индуктивного эффекта

Энергия активации, необходимая для образования и разрыва водородных и ионных связей, достаточно мала, чтобы эти процессы проходили 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 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 ведёт к образованию или диссоциации ионных и водородных связей в масштабах макромолекулы и клетки в целом.

Классификация и роль кардинальных адсорбатов

Теория АИ рассматривает клетку как электронную машину, изменение электронных плотностей в которой находится под контролем кардинальных адсорбатов (КА), к числу которых относятся и биологически активные соединения. Можно выделить три основных типа кардинальных адсорбатов:

— Электронодонорные (ЭДКА)

— Электроноакцепторные (ЭАКА)

— Электроноиндифферентные (ЭИКА)

АТФ — главный КА. Он способен самостоятельно (или при участии вспомогательных факторов, например гормонов) поддерживать живое состояние протоплазмы. Другие КА могут лишь настраивать структуру клетки для выполнения всего спектра физиологических функций. АТФ определяет все четыре фундаментальных физиологических явления клетки:

— Распределение веществ между клеткой и средой;

— Проницаемость поверхности клетки;

— Регуляцию клеточного объема;

— Потенциал покоя.

Истинный активный транспорт

Линг иллюстрирует механизм истинного активного транспорта на примере транспорта Na⁺ в клетки эпителия лягушки. В теории АИ данный механизм состоит из двух мембран, действующих подобно клапанам, и белка-аккумулятора между ними, периодически связывающего и высвобождающего Na⁺.

Ионы Na⁺ проникают в клетку путем дублетной и/или триплетной адсорбционной-дисорбционной диффузии. Далее они адсорбируются β- и γ-карбоксильными группами белка-аккумулятора, избирательность которых зависит от АТФ, а также от других, вспомогательных, КА (совместное действие всех факторов приводит к увеличению плотности электронов на этих группах, и поэтому их сродство к Na⁺ становится выше). Когда количество адсорбированного Na⁺ достигает порога, активируется Na, K-АТФаза белка-аккумулятора, и АТФ расщепляется.

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

Потенциал действия

Согласно теории АИ, потенциал действия, как и потенциал покоя, на основе которого он развивается, представляет собой электрическое явление, возникающее благодаря β- и γ-карбоксильным группам, расположенным 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 K⁺ на Na⁺. Одновременно происходит увеличение аналога величины с всех карбонильных групп пептидного остова белков, ведущее к деполяризации воды в поверхностных слоях клетки, превращению ее в обычную воду и к соответствующему росту растворимости в ней ионов Na⁺, сахарозы и других веществ.

Распад ионно-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 ведёт к разрушению диффузионного барьера на поверхности клетки, и крупным молекулам становится легче проникать в нее. Ионы Na⁺, адсорбируясь на места, занимавшиеся ионами К⁺, значительно ускоряют распад ионно-водо-белкового комплекса, поэтому роль ионов К⁺ так важна.

Мёртвое состояние

Согласно теории АИ, покоящееся живое состояние — это состояние метастабильного равновесия с высокой отрицательной энергией (с большим запасом энергии) и низкой энтропией, из которого система (протоплазма) может легко выйти вследствие любого возмущения, например нагревания или отравления.

Различие летальных температур обусловлено различием сил, стабилизирующих структуру живой протоплазмы — к примеру, прочностью солевых связей. Нагревание приводит к росту энтропии и высвобождает связанные К⁺ и воду.

При обработке мышц лягушки десятью различными ядами смерть наступала при одинаковом, критическом, падении уровня АТФ в клетке. Отравление нарушает процессы регенерации АТФ. Поскольку АТФ является ЭАКА, её потеря влечёт за собой критическое (надпороговое) увеличение электронной плотности на всех ключевых функциональных группах белков: на β- и γ-карбоксильных группах полипептидного остова (повышение величины с и аналога величины с, соответственно). Поэтому в гибнущей протоплазме происходит десорбция К⁺ и воды. Белки в погибшей клетке приобретают конформацию, близкую к т. н. «нативной».

Анатомия мёртвой протоплазмы

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 Nа⁺ или на фиксированные катионы (при образовании солевых связей между фиксированными зарядами). Однако, по имеющимся данным, Nа⁺ адсорбируется не полностью, а на короткое время, также замещаясь вскоре фиксированными катионами, образующими более прочные связи с фиксированными анионами, чем Nа⁺. 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 Nа⁺ 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 можно проследить от автокооперативного разрушения комплекса белков, воды и ионов до полного формирования всех солевых связей между фиксированными анионами и фиксированными катионами. В живом состоянии АТФ и K⁺ адсорбированы, а вода поляризована, ориентирована и ограничена в своей подвижности полноразвернутыми белковыми цепями. В мёртвом состоянии АТФ разрушена, а адсорбированный К⁺ и конгруэнтные анионы, как и молекулы воды, становятся свободными.

Фиксированные канионы (ε-иминогруппы остатков лизина, гуанидиновые группы остатков аргинина) не могут освободиться от связей с белком и стать свободными при физиологических условиях, они по-прежнему остаются фиксированными (вместе с кислотными группами). Поэтому при гибели клетки, деполяризации воды и 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, поэтому все фиксированные катионы (как и фиксированные анионы) образуют более прочные связи именно с фиксированными проивоионами. В результате погибшая протоплазма стягивается солевыми связями во все более плотный белковый матрикс, вплоть до трупного окоченения.

Ссылки

• http://www.physiologicalchemistryandphysics.com/
• http://vladimirmatveev.ru/
• http://www.bioparadigma.spb.ru/