РОЛЬ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ГИДРАТ-ИОНОВ В Термодинамике

РОЛЬ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ГИДРАТ-ИОНОВ В ТЕРМОДИНАМИКЕ
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ЖИВОЙ КЛЕТКИ
Лазукин В.Ф., Монич В.А., Лютов С.И.
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 спинселективного 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.
1
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.
Внутриклеточный раствор
Внеклеточный раствор
{Na+}gW
{K+}g---ВБКW
{K+}gW
{Na+}g---ВБКW
Мембрана
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 гидратионов 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.
2
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 φтм,
величина которого определяется соотношением:
φтм = – {∆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:
φтм = – 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
1. a) Першин С.М. Двух-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 С.М. Физическая основа действия слабых полей на биообъекты –
квантовые отличия спин-изомеров H2O. www.biophys.ru/archiv/congress2012/procp28.htm; c) БункинА.Ф., НурматовА.А., Першин С.М. Когерентная четырех фотонная
спектроскопия низкочастотных либраций молекул в жидкости // УФН. 2006. №176. 883.
2. 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.
3.
Лазукин В.Ф. Световая модуляция функционального состояния сердечно-сосудистой
системы крыс при ее альтерации. Канд. Дисс., ННГУ им. Н.И.Лобачевского, Нижний
Новгород, 2006 г.
4. Монич А.В., Лазукин В.Ф., Крылов В.Н.. 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.
3