Вода #2. Следствия из теории многослойной организации поляризованной воды в клетке

Начну с конца прошлой заметки:

  • вода – диполь, обладает дипольным моментом, который увеличивается в присутствии других диполей;
  • в полноразвернутой конформации белков CO- (негативные) и NH-группы (положительные) доступны воде и приводят к ее дополнительной поляризации;
  • первый слой связанной воды поляризует следующий и так в среднем до 6 молекул;
  • вся вода в клетке связана (дополнительной поляризацией) и обладает характеристиками, отличными от обычной воды.

Магнитно-резонансная томография

Фамилии ученых и ссылки на их работы в книге Линга.

МРТ измеряет время вращательной корреляции атомов или протонов водорода в молекулах воды или время их релаксации (Т1 и Т2). Ограничение подвижности (фиксация) атомов водорода в молекулах воды в клетке приводит изменению времени Т1 и Т2 (по отношению к свободной воде), оно сокращается.

Вода в разных тканях отличается по временным параметрам Т1 и Т2. В злокачественных опухолях время Т1 и Т2 значительно больше, чем в клетках тканей, из которых опухоли произошли. Важно заметить, что дальнейшие опыты показали, что увеличение доли свободной воды – лишь одна из причин увеличения времени размагничивания атомов водорода (Т1 и Т2).

Роберт Дамадьян, создатель первого коммерческого МРТ-сканера благодарил в письме Линга за концепции биофизики воды, которые позволили ему создать первое МРТ-изображение тела человека.

Желатин и понимание коллоидов

56% полипептидной цепи желатина находится в полноразвернутой конформации и доступно воде.

В плане аминокислотного состава желатин на 13% состоит из пролина и на 10% из гидроксипролина, аминокислот, неспособных к образованию α-спиральных и β-складчатых структур в виду отсутствия атома водорода у их пирролидинового атома азота.

Также 33% аминокислотных остатков принадлежит «разрушителю спиралей» глицину. И в молекуле желатина нет дисульфитных мостиков (-S-S-), стабилизирующих третичную структуру.

С открытием теории многослойной организации поляризованной воды в клетке, можно дать новое определение коллоидам. «Коллоид – это кооперативный ансамбль полногразвернутых макромолекул (или их агрегатов) и полярного растворителя (например, воды). Макромолекулы формирующие коллоидную систему, характеризуются геометрически правильным чередованием диполей (групп NH и CO пептидной связи белков или диполей иной природы) или фиксированных зарядов вдоль полимерной цепи. При растворении такие макромолекулы взаимодействуют с полярным растворителем, ограничивая подвижность его молекул в результате многослойно адсорбции на своей поверхности, правильно расположенные заряды которой ориентируют их в пространстве и поляризуют. Поляризованность (увеличение дипольного момента молекул растворителя) – важнейшая предпосылка формирования многослойной структуры связанной воды.»

Коллоиды – экстравертная модель. Большинство глобулярных белков интвертны, большая часть их полипептидной цепи недоступна воде.

Новая гипотеза о коацервации

Коацервация – это расслоение гомогенного водного раствора на две несмешиваемые фазы с четкой границей между ними.

С точки зрения теории МОПВ коацервация – автокооперативный переход, во время которого одновременно протекает три процесса:

а) стягивание молекул воды вокруг поверхности полноразвернутой экстравертной молекулы, и их ориентация и поляризация полярными группами макромолекулы (каких, как CO и NH пептидных связей) с образованием многослойной структуры вдоль макромолекулы; затем водно-белковые комплексы сливаются в единый ассоциат, в котором все макромолекулы целиком включены в единый водный «кокон»;

б) вытеснение части избыточной воды ассоциата в фазу, бедную экстравернтым веществом, в результате оптимизации структуры ассоциата;

в) в формировании поверхности коацервата из линейных макромолекул (со связанной и структурированной водой), ориентированных перпендикулярно поверхности раздела фаз и образующих с такими же соседними макромолекулами непрерывную структурированную водную оболочку вокруг коацервата; таким образом формируется граница между богатой экстраверным веществом коацерватной фазой и бедной экстравертным веществом фазой растворителя, молекулы которого по степени упорядоченности не отличаются от обычной объемной воды; таким образом, граница раздела фаз – это граница раздела между двумя состояниями воды.

Причина, по которой процесс коацервации запускается при повышении температуры, состоит в вытеснении наименее поляризованных молекул воды из коцерватной фазы в среду в результате «стремления» поляризованных водных оболочек макромолеку к слиянию между собой, так как энергия взаимодействия поляризованных молекул воды между собой выше, чем «обычных» в силу более прочных водородных связей. В результате прирост энтропии системы коацерват-среда, связанный с выходом молекул воды из конденсированной фазы (так как доля структурированной в системе при этом снижается), начинает перевешивать вклад в термодинамику системы процесса слияния структурированных водных оболочек, снижающих энтропию и свободную энергию системы. Этот процесс термодинамически выгоден и приводит к дополнительной поляризации молекул связанной воды, и как следствие, — к утолщению водных слоев в пространстве в пространстве между макромолекулами. Рост энтропии системы, таким образом, является движущей силой коацервации.

Почему вышеназванная модель так важна:

1). Она объясняет резкую очерченность границ коацервата, а значит его способности не смешивать с окружающей водой. До Линга молекулярный механизм подобных явлений предложить не удавалось;

2). Модель объясняет почему только полноразвернутые белковые сети могут образовывать коацерваты, только они могут связывать воду в форме многослойной структуры поляризованных молекул, объем которой может быть значительным.

3). Она отвечает на вопрос почему протоплазма из поврежденных клеток – от инфузории Дюжардена до клеток Bryopsis Лепешкина – не смешивается с водой: она просто представляет собой коацерват.

Грубо говоря, Линг объяснил, что клетка – не водный раствор с «ништяками» в липидной оболочке, а что клетка – это белково-водно-[электролитная] (о последнем позже), структура которой удерживается за счет многослойной организации поляризованной воды вокруг полноразвернутых белковых структур. При том, что теория Линга на практике подтверждается, а теория липидных мембран противоречит данным наблюдений, так как клетка абсорбирует больше воды, чем может объяснить мембранная теория.

Количественная теория распределения веществ между клеточной водой и водой окружающей среды вследствие их вытеснения из клетки или модельных систем

Мы имеем простую физическую и экспериментально подтвержденную основу того, почему и за счет чего клетка вытесняет воду.

Соответственно, теория МОПВ может объяснить следующим образом низкую концентрацию Na+ и сахарозы в клетке по сравнению с равновесной внешней средой: энергия и энтропия.

Энергия. На образование «дыры» для иона Na+ (или молекулы сахарозы, или другого вещества) тратится больше энергии, чем выделяется при схлопывании таких «дыр» в обычной воде при переходе Na+ из среды в клетку. Это неравенство – основная энергетическая причина вытеснения растворенных веществ из клетки.

Энтропия (порядок). Сеть молекул структурированной воды ограничивает вращательные движения растворенных в ней молекул, поэтому их вращательная энтропия ниже в клетке, чем в среде. Поскольку вращательная энтропия составляет основную часть общей энтропии молекул вроде сахарозы и таких многоатомных образований, как гидратированные ионы Na+, уменьшение их энтропии в сочетании с энергозатратным «дырообразованием» в клетке делает растворение подобных веществ в клеточной воде термодинамически невыгодным.

Чем крупнее молекула вещества, тем больше сказывается влияние указанных термодинамических факторов, тем меньше их растворимость в клетке. Отсюда вытекает «правило размера»: истинный коэффициент равновесного распределения (q) вещества между клеточной водой (или водой, связанной экстравертной моделью) и внешней средой обратно пропорционален молекулярному объему вещества. Это было проверено в экспериментах, о которых можно почитать в книге Линга, где сравнивается распределение молекул с различным молярным объемом между мышечным волокном и средой.

Итоги

Основное положение заключается в многослойной организации поляризованной воды в клетке. См. предыдущую заметку.

Поляризующие структуры в мышечных волокнах (лягушки) отделены друг от друга в среднем 6 слоями воды. Это не мало, так как это вся клеточная вода. Таким образом в состоянии покоя свободной воды клетка в себе не содержит.

Напряжение вытеснения и поверхностный компонент энергии поляризации в любой точке клетки одинаковы.

Есть количественные методы определения избыточной энергии взаимодействия молекул связанной воды.

Теория МОПВ объясняет различие растворяющей способности среды и клетки. Превышение энергии взаимодействия молекул воды в адсорбирующих слоях по сравнению с объемной водой всего на 126 кал/моль способно привести к вытеснению из клеточной воды таких крупных ионов и молекул, как гидратированный ион натрия или молекула сахарозы. Простой, проверяемый и замечательный метод. Опыты с различными молекулами и клеткой / эстравертной лабораторной моделью смотрите в книге Линга.

P.S. Все простое закончилось. Дальше перейду к собственно теории ассоциации-индукции. И затем расскажу про незатронутую тут осмотическ

Поделиться:

Вода #1. Гилберг Линг. Многослойная организация поляризованной воды в клетке. Вводная часть

Гилберт Линг – американский ученый китайского происхождения известный своей гипотезой ассоциации-индукции. С одной стороны, много объясняющей в метаболизме клеток того, что современная наука не может; с другой – это гипотеза, альтернативная сложившимся взглядам.

Линг – это далеко не псевдоученый, это серьезный исследователь, номинированный на Нобелевскую премию. Его эксперименты и постулаты имеют успешные фаллоу-апы уже более 50 лет.

Когда говорят о Линге, чаще всего ссылаются на его книгу Life at the Cell and Below-Cell Level. У нас перевод этой книги был опубликован в 2008 год под названием Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. Это не самая простая для понимания книга, но настоятельно рекомендую к прочтению.

Гипотеза ассоциации-индукции объясняет:

  • Регуляцию объема клетки (осмос);
  • Различие концентрации ионов натрия и калия внутри/снаружи клетки (снаружи натрий, внутри калий);
  • «Полупроницаемость мембран»;
  • Разницу потенциалов покоя (-70 mV внутри);

Теория многослойной организации поляризационной воды в клетке занимает одну из центральных мест всей гипотезы ассоциации-индукции, с нее и начнем. К полноценному обзору гипотезы ассоциации-индукции я вернусь в несколько удаленном будущем.

Идея теории МОПВ состоит в том, что вся или почти вся вода покоящейся клетки имеет отличную от обычной воды структуру динамического характера, возникающую главным образом благодаря взаимодействию воды с сетью «полноразвернутых» белковых цепей, присущей всем клеткам.

Что клеточная вода не равна по своим характеристикам обычной воде Линг показал в серии блестящих экспериментов. Например, раскручивая на 1000G в течение 4 минут иссеченную портяжную мышцу лягушки. По итогам эксперимента количество вышедшей жидкости было равно количеству жидкости в межклеточном пространстве. То есть вода внутри клетки осталась на месте.

Из бытового примера можно привести сжатие сырого фарша. Он на 80% состоит из воды. Но если вы будете усиленно сжимать фарш, то из него не польется вода как из губки.

Линг пошел по логичному пути и начал смотреть на взаимодействие одних из основных игроков всех процессов в клетке: воды и белковых структур.

Небольшая ремарка про воду и белковые структуру, чтобы не пропустить базовых вещей. Молекула воды H20 по своей природе поляризована, как видно на рисунке ниже.

Теперь давайте два слова скажем о конформации белков. Под полноразвернутой конформацией белков подразумевается такая организация полипептидных связей в пространстве, когда ни одна NH- или CO-группа полипептидной цепи не участвует в иных водородных связях кроме как с водой (пример на рисунке ниже).

NH- и CO-группы также обладают поляризацией и клетка изобилует подобными «экстравертивными» белковыми структурами.

В итоге минус и плюс притягиваются и полноразвернутые «экстравертивные» белки клетки образуют динамическую структуру воды, отличную от свободной (грубая визуализация на рисунке ниже).

В виде чередования NH- и CO-групп мы имеем геометрически правильное чередование отрицательно заряженных CO-групп (N-центры, отрицательные центры) и положительно заряженных NH-групп (P-центры, положительные центры).

Дипольный момент воды в вакууме равен 1,85 дебая. Но в зависимости от молекулярных контактов эта величина меняется. Так дипольный момент воды в жидком состоянии (2,9 дебая) выше, чем в газообразном состоянии. В присутствии других диполей или зарядов степень поляризации диполя обычно возрастает.

Все N- и P-центры полипептидной цепи, расположенные в правильном порядке, доступны воде, если белковая молекула полностью развернута. Взаимодействие этих центров с водой дополнительно ее поляризует, делая водородные связи с молекулами более прочными, а NP-матрица белка определяет структуру первого слоя связанной воды таким образом, что дипольные моменты соседних молекул направлены в противоположные стороны. Этот слой, представляющий в свою очередь упорядоченную матрицу из полюсов диполей, адсорбирует следующий слой воды, дипольный момент которых при этом также возрастает. Формирование многослойной структуры будет продолжаться до образования мощной динамической структуры поляризованных и ориентированных в пространстве молекул воды, «скрепленных друг с другом» более прочными водородными связями, чем в обычной воде. Некий стоп-кадр этой ситуации показан на рисунке ниже.

Ассиметрия зарядов в молекуле воды усиливается, а ее дипольный момент возрастает. Эта дополнительная поляризация и объясняет все физические свойства связанной воды. Главным фактором усиления дипольного момента является полипептидный остов белков. Чем большая его часть доступа воды, тем большая ее часть будет модифицирована.

В клетке (эксперимент был на мышечном волокне лягушки) толщина слоя поляризованной воды между соседними полноразвернутыми цепями белков составляет в среднем шесть молекул. Этого хватает, чтобы связать всю воды внутри клетки и превратить ее в динамическую структуру.

Возвращаясь к конформации белков, хочется сказать, что большинство нативных глобулярных белков, а также ряд денатурированных белков относятся к интровертивным моделям, так как NH- и СО-группы их полипептидной цепи включены в α-спиральные и β-складчатые конформации и становятся недоступными воде.

Давайте коротко:

  • вода – диполь, обладает дипольным моментом, который увеличивается в присутствии других диполей;
  • в полноразвернутой конформации белков CO- (негативные) и NH-группы (положительные) доступны воде и приводят к ее дополнительной поляризации;
  • первый слой связанной воды поляризует следующий и так в среднем до 6 молекул;
  • вся вода в клетке связана (дополнительной поляризацией) и обладает характеристиками, отличными от обычной воды.

Что это всё значит и какими характеристиками обладает связанная вода в клетке (и не только) поговорим в другой раз. Хорошего понемногу)

P.S. Немного забегая вперед, приведу пример полноразвернутой белковой структуры. Желатин (рисунок ниже). Как видите в желатине поляризованные CO- и NH-группы доступны воде.

Поделиться:

Воздействие ближнего инфракрасного спектра на АТФ синтазу

Light Effect on Water Viscosity: Implication for ATP Biosynthesis : Scientific Reports
волна 670 нм (ближний ИК-спектр) усиливала синтез АТФ за счет уменьшения вязкости воды в АТФ синтазе.

АТФ Синтаза — наш нанороторный мотор, финальный этап синтеза АТФ.
Изначально считалось, что это мотор всегда работает на 100% и всего максимально эффективен.
Эксперименты показали, что имеем место быть трение между наноскопическими слоями воды.

Реактивные виды кислорода (ROS) увеличивают это трение и как следствие вязкость воды.
А БИК (в исследовании 670 нм) уменьшает вязкость воды — «мотор» АТФ Синтаза быстрее вращается — АТФ быстрее генерируется.

Поделиться: