close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Как развивается речь ребенка;doc

код для вставкиСкачать
БИОФИЗИКА
Д М ИНЖЕНЕРОВ
В. М. Редькин, В. В. Самойлов, Ь. И. Чигнрев
БИОФИЗИКА
ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ
Под редакцией
С. П. Вихрова и В. О . С ам ой лов а
В 2 том ах
Том 1. Ьноанерппнка, ОноменВрамногня
Рекомендовано УМ О по образованию
в области радиотехники, электроники, биомедицинской
техники и автоматизации для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных
специалистов 653900 - «Биомедицинская т ехника»
и направлению подготовки бакалавров
и магистров 55340 0 - «Биомедицинская инженерия»
М осква
Горячая л и н и я - Телеком
2008
УДК 557.3
ББК 28.071
Б63
Р е ц е н з е н т : доктор биолог, наук, профессор Е. В. Чурносов
А в т о р ы : Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная, В. М. Редькин,
В. О. Самойлов, Б. И. Чигирев
Б63 Биофизика для инженеров: Учебное пособие. В 2 томах. Том 1. Биоэнергетика, биомембранология и биологическая электродинамика /
Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная и др. Под ред. С. П. Вихрова
и В. О. Самойлова. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008 .-4 9 6 с.: ил.
IS B N 978-5-9912-0048-6.
В учебном пособии систематизированы сведения о физических и физико­
химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности организмов на
всех уровнях их организации, необходимые для инженеров и специалистов,
занимающихся разработкой и обслуживанием биомедицинской техники.
В первом томе двухтомного пособия изложены основы биоэнергетики и
термодинамики биологических процессов, рассмотрены структура, свойства
и функции биологических мембран и биоэлектрогенез. Второй том посвящен
биофизическим основам двигательной активности человека, информационных
и регуляторных процессов в биологических системах, а также общим принци­
пам функционирования сенсорных систем.
Для студентов, обучающихся по направлению «Биомедицинская техника»,
будет полезна инженерам и специалистам, занимающимся моделированием
физиологических процессов и разработкой аналитической, диагностической и
лечебной аппаратуры.
ББК 28.071
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
ISBN 978-5-9912-0048-6 (Т. 1)
ISBN 978-5-9912-0050-9
© Е. В. Бигдай, С. П. Вихров,
Н. В. Гривенная и др., 2008
© Оформление издательства
«Горячая линия-Телеком», 2008
Условные сокращения
АДФ - аденозиндифосфат
АКМ - альвеоло-капиллярная мембрана
АМФ - аденозинмонофосфат
АО - атомные орбитали
АРФ - абсолютно рефрактерная фаза
АСУ - автоматизированная система управления
АТВМ - атипичные волокна миокарда
АТФ - аденозинтрифосфат
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БМ - биомембрана
БП - биопотенциалы
БР - бактериородопсин
ВАХ - вольт-амперная характеристика
ВПСП - возбуждающий постсинаптический потенциал
ВЭКС - векторэлектрокардиоскопия
ГМК - гладкомышечные клетки
ГП - генераторный потенциал
ДК - дыхательный коэффициент
ДСК - дифференциальная сканирующая микроскопия
ДСЛ - диффузионная способность легких
ДЦ - дыхательная цепь
ЖК - жидкие кристаллы
ИНТ - инкапсулированное нервное тельце
ИЭВС - интегральный электрический вектор сердца
КГР - кожно-гальваническая реакция
КД - кровяное давление
КМП - критический мембранный потенциал
Кр - креатин
КрФ - креатинфосфат
4
Биофизика
КУ - корректирующее устройство
КУД - критический уровень деполяризации
КФК - креатинфосфокиназа
МДП - максимальный диастолический потенциал
МДС - магнитодвижущая сила
Метод ЛКАО - метод линейной комбинации атомных орбиталей
МО - молекулярные орбитали
МОД - минутный объем дыхания
МП - магнитная составляющая электромагнитного поля
МКЦ - мукоцилиарный клиренс
МЦТ - мукоцилиарный транспорт
НАД - никотинамидадениндинуклеотид
НС - наружный сегмент палочки (фоторецептора)
ОД - облегченная диффузия
ОР - объект регулирования
ОРФ - относительно рефракторная фаза
ОС - обратная связь
ОЦ - окислительная цепь
ПКП - потенциал концевой пластинки
ПП - потенциал покоя
Р - регулятор
РП - рецепторный потенциал
САР - система автоматического регулирования
СКФ - скорость клубочковой фильтрации
СНО - свободные нервные окончания
СОЭ - скорость оседания эритроцитов
СПС - саркоплазматическая сеть
СФ - сопрягающий фактор
ТК - твердый кристалл
ТМВ - типичные миокардиадальные волокна
ТПСП - тормозной постсинаптический потенциал
ТЭА - тетраэтиламмоний
УЗД - уровень звукового давления
ФЛ - фосфолипиды
ФМН - флавинмононуклеотид
ФОС - фосфорогранические соединения
Условные сокращения
ФП - флавопротеиды
ФС - фотосистема
ФЭ - фаза экзальтации
цАМФ - циклический аденозинмонофосфат
ЦВД - центральное венозное давление
ЦНС - центральная нервная система
ЩК - щелевой контакт
ЭДС - электродвижущая сила
ЭКГ - электрокардиограмма
ЭКП - эндокохлеарный потенциал
ЭМВ - электромагнитная волна
ЭМГ - электромиограмма
ЭМП - электромагнитное поле
ЭП - электрическая составляющая электромагнитного поля
ЭПР - электронный парамагнитный резонанс
ЭС - элемент сравнения
ЭТЛ - эластическая тяга легких
ЭЭГ - электроэнцефалограмма
ЯМР - ядерный магнитный резонанс
Н-АТФаза - водород-активируемая АТФаза (протонная помпа)
Са-АТФаза - кальций-активируемая АТФаза
Na-K-ДТФаза - натрий-калий-активируемая АТФаза
Н-К-АТФаза - водород-калий-активируемая АТФаза.
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Биофизика является областью науки, которая изучает физиче­
ские и физико-химические процессы, лежащие в основе жизнедеяте­
льности организмов. По природе объектов исследования биофизика
является типичной биологической наукой, а по методам изучения и
анализа результатов исследования относится к физике. Биофизиче­
ские методы базируются на физических и физико-химических мето­
дах изучения природы. По мере того как наши знания и представления
о процессах, имеющих место в природе, расширяются, усложняется
методология, применяемая для объяснения процессов, происходящих
в живык объектах, испытывающих воздействия изменяющейся окру­
жающей среды.
В последние годы опубликовано несколько учебников по био­
физике (например, В.О. Самойлов «Медицинская биофизика», 2004,
А.Б. Рубин «Биофизика», 2000, В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др.
«Биофизика», 1999 и другие). Эти издания написаны для студентов
и специалистов, которые совершенствуют свои знания в области ме­
дицины или биологии. При создании данного учебного пособия авто­
ры ориентировались на студентов, обучающихся по направлению
«Биомедицинская техника», а также на специалистов, которые совер­
шенствуют свои знания в области разработки и обслуживания био­
технической и медицинской аппаратуры. Определенный интерес
учебное пособие может представлять также для студентов и аспиран­
тов медицинских и биологических вузов, а также для физиков и математиков-прикладников.
Данное учебное пособие состоит из семи глав (главы 1-4 вклю­
чены в первый том, а главы 5-7 - во второй). Первая глава посвящена
термодинамике биологических процессов. Показано, каким образом
выводы и следствия из первого и второго законов термодинамики мо­
гут быть применены при описании физико-химических процессов,
Предисловие
1
протекающих в биологических объектах. Во второй главе рассмот­
рены структура, свойства и функции биологических мембран. Особое
внимание уделено биофизическим механизмам транспорта веществ
(массопереноса) через биомембраны. Третья глава посвящена кван­
товомеханическим основам биоэнергетики. Показаны механизмы
переноса энергии и заряда в биомолекулярных системах и возмож­
ности применения квантовой биофизики для новых диагностических
технологий. В четвертой главе обсуждаются вопросы, связанные
с биоэлектрогенезом (уравнения Нернста - Планка, Гольдмана - Ход­
жкина - Хаксли, потенциалы покоя и действия, распространение по­
тенциала действия по нервному волокну). Глава 5 посвящена биофи­
зическим основам двигательной активности человека и животных.
Определенное внимание уделено моделированию и методам исследо­
вания электрических полей в организме. В шестой главе рассмотрены
общие принципы функционирования сенсорных систем, передача
и переработка информации в нервных центрах, биофизические осно­
вы зрительной, слуховой, обонятельной и вкусовой рецепции. Глава 7
посвящена биофизическим основам информационных и регулятор­
ных процессов в биологических системах. После каждой главы при­
веден список использованной литературы.
Авторы считают, что основным результатом изучения данного
учебного пособия должно быть получение знаний о биофизических
процессах, протекающих в живых организмах на всех уровнях их ор­
ганизации. Эти знания необходимы будущим инженерам и специали­
стам при моделировании физиологических процессов и при разработ­
ке новой аналитической, диагностической и лечебной аппаратуры.
При написании учебного пособия авторы исходили из того, что
читатель имеет определенные знания по биологии, биохимии, мате­
матике, физике и химии в пределах программ, предусмотренных го­
сударственными образовательными стандартами по направлению
«Биомедицинская техника».
Работа над книгой была распределена между авторами следую­
щим образом: Е.В. Бигдай (гл. 2, 5, 6), С.П. Вихров (гл. 1, 4, 6, 7),
Н.В. Гривенная (гл. 1, 4, 5, 7), В.Н. Редькин (гл. 4), В.О. Самойлов
(гл. 1-7), Б.И. Чигирев (гл. 4, 6).
8
Биофизика
Авторы выражают глубокую благодарность профессору Е.П. Попечителеву и рецензенту профессору Е.В. Чурносову за ценные замеча­
ния, пожелания и советы, которые позволили существенно улучшить
содержание книги, а также А.Н. Комарову за помощь в подготовке
компьютерного вариант а рукописи.
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие состоит из двух томов. В первом гоме (гл. 14) изложены общие и квантовомеханические основы биоэнергетики,
а также структура, свойства и функции биологических мембран.
Жизненные процессы при всем своем многообразии имеют и общие
черты. Любой из процессов требует затрат энергии. В этой связи важным
направлением биофизики является изучение преобразования энергии
в живых системах. Процессы энергообеспечения организма за счет внеш­
них ресурсов составляют предмет исследования биоэнергетики.
В разработке биоэнергетических проблем можно выделить два
подхода. С одной стороны, исследуются механизмы энергетических
процессов, протекающих на субмикронном уровне. Их изучение являет­
ся важной задачей квантовой биофизики. С другой стороны, особенно­
сти биологических процессов рассматриваются на основе общих законов
превращения энергии без детального изучения их субмолекулярных ме­
ханизмов. Второй подход связан с исследованиями в области биологиче­
ской термодинамики. Изучение глубинных механизмов биоэнергетики
связано, прежде всего, с применением к живым системам законов и ме­
тодологии квантовой механики. Квантовая биофизика позволяет глубже
познать не только электронную структуру биологически важных моле­
кул и механизмы межмолекулярного переноса электронов, но и пути
превращения энергии возбужденных молекул в энергию их продуктов.
Биофизика вносит фундаментальный вклад в изучение процессов
в клетке, что позволило понять особенности биологических явлений пу­
тем раскрытия их молекулярных механизмов. В этом томе рассмотрены
основы процессов, протекающих в клетках живого организма, и пред­
ставлены данные о струкгурно-функциоиальной организации биологи­
ческих мембран. Специальное внимание уделено биофизике процессов
транспорта веществ через биологические мембраны. Рассмотрены про­
цессы транспорта неэлектролитов и ионов по каналам, а также основы
биоэлектрогенеза.
Глава 1. ТЕРМ ОДИ НАМ И КА
Б И О ЛОГИ Ч ЕС К И Х ПРОЦЕССОВ
Жизнь в ее многообразных проявлениях связана с высокой про­
странственной упорядоченностью молекулярных структур и строгой
временной координацией сложных физико-химических явлений в клет­
ках. Поддержание такого состояния зависит от непрерывного обмена
веществ, энергии и информации между клеткой или организмом и окру­
жающей средой. Это одно из характерных и универсальных свойств жи­
вых образований.
Клетка - живая высокоорганизованная сложная «машина», для
работы -которой необходима энергия. Энергия расходуется на синтез
биоорганических соединений и поддержание осмотических и элект­
рических потенциалов. Превращение одного вида энергии в другой про­
исходит в таких сложных физиологических процессах, как зрение, слух,
хеморецепция, биолюминесценция. При двигательной активности кле­
ток, обусловленной как актин-миозиновой, так и тубулин-динеиновой
молекулярными системами, за счет химической энергии выполняется
механическая работа.
Термодинамика - это наука, изучающая наиболее общие зако­
ны превращения различных видов энергии в системе. Она дает мак­
роскопическое описание энергетических изменений и превращений
без рассмотрения молекулярного строения системы. Законы термоди­
намики являются наиболее общими. Они имеют универсальный ха­
рактер и выполняются независимо от того, где происходит процесс в живой или неживой материи.
Термодинамическая система представляет собой часть про­
странства с материальным содержимым, ограниченную оболочкой.
Область вне оболочки системы представляет окружающую среду.
В зависимости от того, как термодинамическая система связана с ок­
ружающей средой, выделяют три типа систем: изолированные, зам­
кнутые и открытые.
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
И
Изолированная термодинамическая система не обменивается
с внешней средой ни веществом, ни энергией. Замкнутая (закрытая)
система обменивается энергией, но в ней нет обмена веществом. В от­
крытых термодинамических системах происходит обмен с окружаю­
щей средой и веществом, и энергией.
Термодинамическая система характеризуется определенными
термодинамическими параметрами. Экстенсивные параметры зави­
сят от общего количества вещества в системе, это, например, масса
(т), объем (V), а интенсивные, например, давление (р), температура
(7), молярная концентрация (М) не зависят от массы системы. Изме­
нение любого из параметров вызывает изменение состояния системы.
Переход термодинамической системы из одного состояния в другое
происходит в результате различных процессов. Если в естественном
(без поступления энергии извне) циклическом процессе состояние
системы не изменяется, такой процесс называется обратимым. Если
в результате такой последовательности переходов в системе измене­
ния происходят, процессы называются необратимыми. Реальные
процессы в природе всегда необратимые.
Термодинамика возникла более 150 лет назад и с самого нача­
ла становления в ней использовались данные о теплопродукции мел­
ких животных, получаемые с помощью калориметрии. Классическая
термодинамика изучает перепады энергии и определяет направление
возможных изменений. Наиболее серьезное ограничение при исполь­
зовании классической термодинамики состоит в том, что она изучает
системы в установившися режимах, оставляя без внимания переход­
ные режимы.
Жизненные процессы, при всем многообразии, имеют и общие
черты, в частности, любой из процессов требует затрат энергии. Поэ­
тому важным направлением биофизических исследований является
изучение преобразования энергии в биологических системах. Про­
цессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических
ресурсов составляют предмет исследования биоэнергетики. В биоэ­
нергетике выделены два подхода:
1)
исследуются механизмы энергетических процессов, проте­
кающих в организме на клеточном, молекулярном и субмолекулярном уровнях;
12
Биофизика
2) изучаются особенности биологических процессов на основе
общих законов превращения энергии без детального изучения их мо­
лекулярных механизмов. Это составляет содержание биологической
термодинамики.
1.1. Первый закон термодинамики
1.1.1. Общие сведения
Основная задача термодинамики состоит в том, чтобы найти
такие величины, которые однозначно определяют изменение состоя­
ния термодинамической системы при переходе из одного состояния
в другое. Опыт показал, что такой величиной является внутренняя
энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от
термодинамических параметров: U = f ( m , p , V, Т). Ее изменение AU
не зависит от пути перехода из одного состояния в другое. Внутрен­
няя энергия - это сумма кинетической и потенциальной энергии всех
атомов и молекул термодинамической системы.
Изменение внутренней энергии АС/ в замкнутой системе мож­
но определить, измеряя поглощенную (выделившуюся) теплоту Q
и выполненную работу А; экспериментально установлено, что изме­
нение внутренней энергии равно
AU = U x - U 2 = Q - A.
( l.l)
Какими бы путями этот переход не осуществлялся и как бы не
изменялись по величине Q и А, всегда сохраняет постоянное значе­
ние разность
Q ' - A ' = Q ” - A ”.
(1.2)
Это значит, что в замкнутой системе изменение внутренней
энергии AU = const.
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гла­
сит: в изолированной термодинамической системе полный запас
энергии есть величина постоянная, и возможны только превращения
одного вида энергии в другой в эквивалентных соотношениях:
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
и = const; AU =0.
13
(1.3)
В замкнутой системе изменение внутренней энергии при пере­
ходе из одною состояния в другое определяется количеством пере­
данной теплоты и величиной выполненной работы:
AU=Q±A.
(1.4)
Знак (-) означает, что работа выполняется системой против
внешних сил, (+) - работа выполняется над системой.
В дифференциальной форме первый закон термодинамики за­
пишется в следующем виде:
dU = d Q + d А.
(1.5)
Значки д обозначают частное дифференцирование: теплота Q
и работа А не являются функциями всех параметров состояния и,
следовательно, они не могут быть полными дифференциалами.
Важное свойство функции состояния заключается в том, что
для циклических процессов
Ф</£/=0.
(1.6)
В системе СИ энергия измеряется в джоулях (Дж). 1 Дж =
= 0,239 кал = 6,25 • 1018 эВ, а 1 ккал = 4,19 кДж.
При фиксированном давлении (р) можно ввести вместо внут­
ренней энергии (U) новую функцию состояния, которая будет хоро­
шо описывать термодинамическую систему. Она важна для изучения
химических реакций в клетке, протекающих при р = const. Работа по
изменению объема V при постоянном давлении р запишется как
Ap =pAV.
(1.7)
Тогда запись первого закона термодинамики будет иметь вид:
Q = A U + pAV =A(U + p V ) = AH.
(1.8)
Новая функция состояния - энтальпия (Н) (от греческого - «на­
греваю»):
14
Биофизика
H = U +pV.
(1.9)
Энтальпию называют теплосодержанием системы. В диффе­
ренциальной форме
dH = dU + pdV
при р = const.
( 1.10)
Введенная таким образом новая функция состояния лежит
в основе закона Гесса: тепловой эффект химической реакции Q не за­
висит от пути реакции и от исходных веществ к продуктам реакции,
а определяется только разностью энтальпий конечных и исходных
веществ:
Закон Гесса - прямое следствие первого закона термодинами­
ки. Следует отметить важное свойство этой новой функции состоя­
ния: поскольку изменение энтальпии (теплосодержания) системы со­
ответствует величине поглощенной или выделенной теплоты, то ее
можно точно определить калориметром.
Пример. Рассмотрим окисление (при постоянном давлении)
1 моля глюкозы:
С6Н120 6 + 6 0 2
6С02 + 6Н20 - Q
(1.12)
Q = 6( H co2 + Н н2о ) - ( Н с6н12о6 + 6Я О2) = -2810к Д ж м ол ь-‘ .
Такое же количество теплоты выделяется при окислении глю­
козы в организме животных, когда в результате сложных химических
превращений образуется множество промежуточных продуктов. Теп­
лота сгорания Q веществ, в том числе пищевых продуктов, опре­
деляется в калориметрических бомбах. Если система переходит из
состояния 1 в состояние 2 с изменением объема AV при постоянном
давлениир , то при этом, согласно (1.7), будет выполняться работа^.
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
15
Полная работа
А = А р + А0'
(1.13)
где А0 - полезная работа. Она может представлять собой работу,
совершаемую в процессе мышечного сокращения или при переносе
зарядов через мембрану. Подставив (1.13) в (1.4), получим
AU = Q - A = Q - А р - А 0 = Q - РЛА0 ,
AU +рАЛ0 = Q - A 0 ,
а из (1.9) получим
AH = Q - A 0.
(1.14)
1.1.2. Свободная и связанная энергия.
Обратимые и необратимые процессы
Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным и
неупорядоченным. Например, у всех молекул газа (или воды), когда
он (или она) течет по трубе, есть общая составляющая скорости, кото­
рая определяет движение газа как целого. Такое движение называют
упорядоченным. Кроме того, молекулы газа участвуют в непрерыв­
ном неупорядоченном тепловом движении. Электрический ток - упо­
рядоченное движение, а тепловые перемещения электронов газа - не­
упорядоченное.
Между упорядоченным и неупорядоченным движениями суще­
ствует принципиальное различие: упорядоченное движение может
полностью превратиться в неупорядоченное, а переход из неупорядо­
ченного движения в упорядоченное никогда не бывает полным.
Причина различия между ними связана с неодинаковой вероят­
ностью каждого из них. Для обеспечения упорядоченного движения
необходимо, чтобы все частицы имели в данный момент одинаковые
по величине и направлению составляющие скорости, а когерентные
волны должны иметь одинаковую частоту и фазу. Такое состояние ме­
нее вероятно, чем то, при котором скорости частицы или фазы волн
различны.
16
Биофизика
Внутренняя энергия в идеальном газе полностью, а в других
телах частично связана с неупорядоченным тепловым движением
молекул. В то же время, совершение работы всегда требует переноса
вещества (или заряда), т. е. упорядоченного движения. Поэтому
принципиально невозможно всю внутреннюю энергию тела исполь­
зовать для совершения работы. Только ту часть внутренней энергии
системы, которую в данных условиях в принципе можно использо­
вать для совершения работы, называют свободной энергией G. Оста­
льную часть внутренней энергии нельзя превратить в работу, и ее на­
зывают связанной энергией ( WCBH3):
U = G + W mo.
(1.15)
Следовательно, работа А, совершенная системой в любом про­
цессе, не может быть больше, чем изменение G этой системы:
А < AG.
(1.16)
Те процессы, в которых А = AG, называются обратимыми, так
как, пустив такой процесс в обратном направлении и затратив рабо­
ту, можно вернуть систему в исходное состояние. Таких процессов в
природе не существует. Все реальные процессы необратимы. Ины­
ми словами, AG не может быть полностью преобразовано в А. При
таком преобразовании часть G обязательно превращается в тепло.
Для достижения максимальной степени обратимости термодинами­
ческих процессов нужно добиваться минимальной разности между
AG и А.
И в технике, и в биологии представляет интерес в первую оче­
редь работа А, совершенная системой, поэтому важно знать не столь­
ко полную энергию U системы, сколько ее свободную энергию G.
И та, и другая являются функцией тех условий, в которых находится
система. Их наиболее важными параметрами являются: температура,
давление, число молей вещества, а при наличии электрического поля
и его напряженность (£). Тогда
G = f ( T 9 р, v, Е).
(1.17)
17
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
Во многих системах, в частности, в живых организмах, наибо­
лее важным источником G является химическая энергия молекул,
входящих в систему. В этой связи вводится понятие химического по­
тенциала:
Ц, = ^ .
dv
(1.18)
Химический потенциал системы по отношению к конкретному
веществу равен приросту G системы при увеличении количества это­
го вещества на один моль
АС=|ХхДу.
(1.19)
Более подробно понятие химического потенциала будет рас­
смотрено в 1.2.3.
1.1.3. Применение первого закона термодинамики
к живым организмам
В отличие от тепловых машин живые организмы производят
работу не за счет тепловой энергии, а за счет использования химиче­
ской энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Уравнение, со­
гласно которому изменение энергии U системы равно ее обмену
энергии с окружающей средой, имеет вид:
A U = WmviK- Q - A ,
(1.20)
Wtmm= A U + Q + A .
(1.21)
Организм гомойотермных животных имеет постоянную темпе­
ратуру, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому U
такого организма практически постоянна. Следовательно, изменение
AU= 0. Тогда уравнение (1.21) принимает вид:
Wm m = Q + A .
(1.22)
Поскольку существует множество видов работ и обмена тепла
с окружающей средой, то уравнение можно представить так:
2 - 9843
18
Биофизика
fVmimu = ^ Q t +
- первый закон термодинамики примени­
тельно к живым организмам.
Следует заметить, что источником энергии для всех процессов
на Земле служит Солнце. Мощность солнечного излучения составляет
примерно 1026 Вт, но только небольшая ее часть, примерно 2 • 1017 Вт
достигает поверхности Земли, а из этой части 0,02% поглощается зе­
леными растениями и запасается ими в процессе фотосинтеза. Следо­
вательно, поток энергии, извлекаемый зелеными растениями из сол­
нечного света, составляет примерно 4 • 1013 Вт. За счет этой энергии
работают все тепловые машины и осуществляются все процессы жиз­
недеятельности.
Однако способы преобразования в работу солнечной энергии
Wc, аккумулированной зелеными растениями в форме химической
энергии, в принципе не одинаковы в тепловых машинах и биологиче­
ских системах. Различия термодинамических процессов можно пред­
ставить следующей схемой:
В тепловой машине:
W c
ф отосинтез
>W^
о 2е
>q
_^ a u
+ А '
В биологической системе:
уу
ФОТОСИНТЕЗ
у
jy
биологическое окисление 0->
^д
| д
\Q
Как уже отмечалось, источником энергии G для всех живых
существ служит Солнце. Земные растения (аутотрофы) за счет фото­
синтеза создают в течение года примерно 1010тонн питательных ве­
ществ. Гетеротрофы сами не могут питаться светом, они получают
энергию G, поедая друг друга или питаясь растениями. Пищеварение
обеспечивается поступлением в клетки продуктов гидролиза пищи,
т. е. углеводов, белков, жиров, в которых заключена энергия G сол­
нечного света.
Основным способом использования энергии G питательных
веществ организмом является их биологическое окисление. Оно про­
исходит главным образом на внутренней мембране митохондрий, где
сосредоточены ферменты, катализирующие биологическое окисле­
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
19
ние (клеточное дыхание). Поэтому митохондрии часто называют
энергетическим цехом клетки.
Энергия, извлекаемая из химических связей питательных ве­
ществ при их биологическом окислении, в некоторых случаях может
быть непосредственно использована для осуществления жизнедеяте­
льности, но основная ее часть идет на синтез так называемых макроэнергетических соединений (макроэргов), среди которых наиболее
важным является АТФ.
Энергия, запасенная в макроэргах, используется организмом
для совершения различных видов работ, причем механическая (мы­
шечная работа) не является самой энергоемкой. В жизни человека
огромные затраты энергии G идут на синтез сложных биомолекул.
Так, для синтеза одного моля белка, требуется от 12 до 200 тыс. кДж
свободной энергии. В «сборке» одной молекулы белка участвуют от
1 до 16 тыс. молекул АТФ (КПД примерно 40%). Для синтеза моле­
кулы РНК необходимо примерно 6 тыс. молекул АТФ, еще большей
энергии требуется для образования ДНК. Так, на создание одной мо­
лекулы ДНК тратится 12 • 107 молекул АТФ. Однако количество син­
тезирующихся молекул белка значительно больше, чем нуклеиновых
кислот, в силу разнообразия его функций и постоянного быстрого
обновления. В результате именно синтез белка в организме наиболее
энергоемок по сравнению с другими биосинтетическими процесса­
ми. В течение каждого часа жизни у млекопитающих белок стромы
обновляется примерно на 1%, а белки-ферменты - на 10%. У челове­
ка массой 70 кг ежечасно обновляется примерно 100 г белка.
Другой важной «статьей» расхода G в организме является под­
держание физико-химических градиентов на клеточных мембранах.
Внутри живой клетки концентрация ионов и вещества отличается от
их концентрации в межклеточной среде, т. е. на клеточной мембране
существует градиент концентрации. Различия концентрации ионов
и молекул приводят к появлению и других градиентов: осмотическо­
го, электрического, фильтрационного и т. д. Наличие градиентов вы­
зывает непрерывный перенос вещества через мембраны клеток (пас­
сивный транспорт). Пассивный транспорт должен был бы уменьшить
величину градиентов, т. е. выровнять концентрацию и другие физи­
ко-химические параметры. Однако в нормальных условиях функ­
ционирования клетки градиенты на мембране стабильно поддер-
20
Биофизика
живаются на определенном уровне, что обусловлено способностью
биологической системы переносить вещества в обратном направле­
нии (в направлении, противоположном градиентам). Такой транспорт
называется активным транспортом. Активный транспорт нуждается
в затратах свободной энергии, которая в большинстве случаев черпа­
ется из АТФ. Следовательно, активный транспорт представляет со­
бой одну из форм работы биологической системы с КПД примерно
20-25%. КПД мышечного сокращения организма не превышает 20%.
Наряду с совершением работы организм преобразует свобод­
ную энергию питательного вещества в тепло. В конечном итоге вся
энергия, полученная организмом с пищей, кроме той части, которая
идет на механическую работу, превращается в тепловую, и в виде
тепла отдается организмом в окружающую среду. Принято выделять
два этапа в этом теплообразовании.
1. Прежде всего, тепловые потери присущи биологическому
окислению питательных веществ, в ходе которых синтезируется
АТФ. Выделяющаяся при этом тепловая энергия называется первич­
ным теплом.
2. Остальное теплообразование происходит при гидролизе
АТФ и называется вторичным теплом. К ним относят тепло при син­
тезе макромолекул (кроме АТФ); при поддержании градиентов за
счет активного транспорта; при мышечном сокращении; при трении
мышц, кровеносных сосудов, суставов и т. д.; при распаде белков
и других макромолекул.
На рис. 1.1 показана схема преобразования солнечной энергии
в организме человека.
Вся тепловая энергия, образующаяся в организме человека,
уходит из него. Теплообмен осуществляется на поверхности тела,
при этом различают четыре основных способа: теплопроводность
(QT); конвекция (£?с); излучение ( 0 Л), испарение (QE).
Теплопроводность играет основную роль в переносе тепла че­
рез одежду. Тепловая энергия, переносимая посредством теплопро­
водности, может быть вычислена по следующей формуле:
Qt = K -s T l L - . u
(1.23)
21
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
\
М ИТОХОНДРИИ
I биологическое окисление t
I• +■0 2
г Н 3Р 0 2+ А Д Ф -|
*
ш
>
к
S
X
ф
‘ - ' - - - i ----------- " - у
а т ф + н 2о
Ё
синтез
биопо­
лимеров
(химич. W)
ф
сQ.
О
1
(0
о.
2
S
= р +а д ф
Транспорт
веществ
через БМ
(осмотич. W)
1
биоэлектромышечные
генез
1 сокращения
(электрич. W)(мех. W)
215 ккал с у т -1
С
\г
415 ккап с у т -1
900 ккал сут ~1
270 ккал сут~1
Z Q i= 1 8 0 0 ккал с у т -1
(основной обмен)
Рис. 1.1. Схема преобразования солнечной энергии в организме человека
где К - коэффициент теплопроводности; S - площадь теплообме­
на; Г, - температура поверхности тела; Те - температура окружающей
среды; / - толщина слоя (одежды); t - время, в течение которого идет
процесс теплообмена.
Конвекцией называют перенос тепла (Qc) перемещающейся
средой, т. е. движущимися газом или жидкостью. Различают естест­
венную и принудительную конвекцию. При естественной конвек­
ции причиной перемещения среды является земное притяжение (си­
ла гравитации). Холодный воздух, как более плотный и тяжелый,
опускается вниз и вытесняет легкий теплый воздух. В случае прину­
дительной конвекции (ветер, вентилятор) имеется искусственная
внешняя сила. Принудительная конвекция значительно эффективнее
переносит тепло, чем естественная. Перенос тепла при конвекции
описывается такой же формулой, как и для теплопроводности, но К
уже имеет не постоянное значение, а зависит от конкретных условий,
в которых находится организм, т. е. от так называемой внешней си­
лы, а не от неупорядоченного (стохастического) движения молекул.
Перенос тепла излучением осуществляется путем испускания
инфракрасных лучей. В соответствии с законом Вина, максимальное
22
Биофизика
излучение при средней температуре поверхности человеческого тела
33-34 °С приходится на длину волны около 10 мкм (точнее, 9,4 мкм).
Величину энергии, излучаемую телом, можно приблизительно найти
по формуле, полученной из закона Стефана-Больцмана:
Q r = ° S(T* - Т*) - 1,
(1.24)
где а = 5,8 • 10-8 Вт/м2 • К4, так как для данной инфракрасной (ИК)
области спектра человек представляет собой абсолютно черное тело.
Тепло, отводимое от организма путем испарения, рассчитыва­
ется по формуле:
QE = L m ,
(1.25)
где L скрытая (удельная) теплота испарения LH0 =
= 2,25-106 Д с/к г, а т - масса жидкости, испаряемая с поверхности
тела. •
Теплоотдача осуществляется только при испарении жидкости
с поверхности тела. Если человек выделяет много пота, но условий
для его испарения нет, то теплоотдача не происходит. Так, при
100% относительной влажности (паровая баня) испарение полно­
стью прекращается. С кожных покровов человека испаряется не
только вода, но и межклеточная жидкость. За сутки с поверхности
кожи испаряется примерно 0,4-0,6 л жидкости. Жидкость испаряет­
ся не только с кожи, но и со слизистых оболочек. Так, у человека
в сутки испаряется 0,3-0,4 л жидкости со слизистых оболочек дыха­
тельных путей.
Испарение является наиболее эффективным способом тепло­
обмена организма при высокой температуре и низкой влажности
внешней среды. Все остальные способы теплоотдачи функциониру­
ют только тогда, когда температура окружающей среды ниже, чем
температура кожи человека, в противном случае они превращаются в
механизм дополнительного нагрева организма. Это обстоятельство
учитывается уравнением теплового баланса организма человека, ко­
торое имеет вид:
М ± Q T ± Q C ± Q r - Q e =0,
(1.26)
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
23
где М - теплопродукция (количество тепла, которое образуется
в организме). В уравнении знак «+», если температура окружающей
среды больше Ti9 т. е. Те > Ti9 а знак «-», если Т, > Те.
Процессы теплообмена очень важны для жизнеобеспечения
организма. Поддержание постоянства температуры организма явля­
ется необходимым условием жизни человека. Поэтому все процессы,
отображенные в уравнении теплового баланса, имеют надежную ре­
гуляцию. Различают механизмы химической и физической терморе­
гуляции.
Под химической терморегуляцией понимают усиление или
ослабление теплопродукции (М) за счет изменения интенсивности
процессов. Сам по себе метаболизм очень важен для организма, и его
изменение в условиях поддержания определенной температуры край­
не нецелесообразно.
В условиях температурного комфорта основным способом под­
держания температуры является физическая терморегуляция, т. е. ре­
гуляция температуры за счет отмеченных механизмов теплоотдачи:
Q T> Q d Q r > Q e Теплообмен организма с окружающей средой (так называемый
внешний поток тепловой энергии) происходит на поверхности тела.
Коэффициент теплопроводности живых тканей имеет низкое значе­
ние, поэтому роль теплопроводности в отведении тепловой энергии
от внутренних органов к поверхности кожи и к слизистым оболочкам
(внутренний поток тепловой энергии) невелика. Основное значение
в этом процессе, т. е. в обеспечении терморегуляции внутренних ор­
ганов, принадлежит конвекции, обеспечиваемой кровообращением.
Теплоемкость крови достаточно большая (как у воды), и нормальный
кровоток достаточен для эффективного отвода тепла от внутренних
органов к поверхности тела. Регуляция такого теплопереноса осуще­
ствляется главным образом за счет усиления или ослабления крово­
тока (посредством сосудистых реакций). При необходимости отдать
большее количество тепла кровеносные сосуды кожи и слизистых
оболочек расширяются, что приводит к значительному увеличению
массы циркулирующей в них крови, имеющей температуру внутрен­
них органов, при этом возрастает и теплоотдача. Для уменьшения
теплоотдачи происходит сужение кровеносных сосудов.
24
Биофизика
У человека значительные потери тепла происходят через кисти
рук и стопы ног. Так, при переходе от холода к теплу, кровообраще­
ние в руке человека увеличивается в 30 раз, а в пальцах - примерно
в 600 раз.
Испарение является наиболее эффективным способом тепло­
обмена организма при высокой температуре. Следовательно, физиче­
ское терморегулирование является многофакторной системой, кото­
рая весьма эффективно обеспечивает постоянство температуры
организма. Многофакторность позволяет регулировать температуру
тела в различных условиях. При исключении одних механизмов ра­
ботают другие.
В биофизике, физиологии и медицине выделяемое организмом
тепло принято называть энерготратами организма. Энерготраты си­
льно изменяются в зависимости от условий, в которых находится ор­
ганизм, и в зависимости от характера его деятельности, так как все
это вдияет на обмен веществ. Для оценки функционального состоя­
ния организма необходимо создание стандартных условий при изме­
рении его энерготрат, т. е. при измерении величины тепловой энер­
гии, выделяемой организмом в окружающую среду. За стандартные
условия приняты такие, при которых энерготраты организма минима­
льны. Для этого нужно исключить влияние тех факторов, которые
усиливают энергообмен мышечной работы, приема пищи, эмоциона­
льного напряжения, отклонения температуры и влажности за преде­
лы зоны комфорта и т. д.
Величину основного обмена (энерготрат) измеряют в состоя­
нии бодрствования (не во время сна), но пациент должен спокойно
лежать в постели. Процедуру проводят рано утром (в 5-6 часов
утра), когда, в соответствии с суточным ритмом, интенсивность ме­
таболизма самая низкая. Измерение проводят натощак, т. е. через 1214 ч после последнего приема пищи, при этом температура в поме­
щении должна быть в пределах 20-22 °С, а относительная влаж­
ность - 50-60%. Величина теплопродукции измеряется несколько
раз для получения статистически достоверного результата.
Так, у здорового мужчины в возрасте 20-30 лет при сред­
ней масссе тела 70 кг основной обмен составляет 7800 кДж или
1800 ккал за сутки (1-1,2 ккал/кг • ч), что соответствует мощности
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
25
90 Вт. Величина основного обмена в расчете на единицу площади
поверхности человеческого тела составляет примерно 37 ккал/м2• ч,
или 150 кДж/м2 • ч. У женщин основной обмен на 7-10% меньше.
Основной обмен сильно зависит от возраста. На Х-ХИ-е сутки пос­
ле рождения человека, он достигает 300 кДж/м2 • ч, а к 70-80 годам
понижается до 120 кДж/м2 • ч.
Для определения энерготрат необходимо измерить количество
тепла, выделяемое организмом в окружающую среду за определен­
ный промежуток времени. Для этого применяют два метода: прямую
и непрямую физиологическую калориметрию (биокалориметрию).
В методе прямой калориметрии используются специальные
физиологические калориметры, сконструированные таким образом,
что в них можно помещать на нужное время животных или челове­
ка. Однако далеко не всегда можно реализовать прямую калоримет­
рию. В частности, при изучении энерготрат в ходе трудовой деяте­
льности.
Чаще используют непрямую калориметрию. Этот метод осно­
ван на исследовании газообмена организма. Установлено, что между
объемом потребляемого организмом кислорода и энерготратами су­
ществует линейная зависимость при фиксированных условиях. Ко­
эффициентом служит так называемый калорический эквивалент кис­
лорода, равный количеству тепла, которое образуется в организме
при использовании 1 л 0 2 для окисления питательных веществ.
Калорический эквивалент неодинаков при окислении жиров,
белков и углеводов. То, какие вещества преимущественно окисляют­
ся в каждом конкретном случае, можно определить по дыхательному
коэффициенту (ДК), который определяется как отношение объема
выделяемого углекислого газа к объему поглощенного кислорода за
один и тот же промежуток времени:
ДК= 7Г~1’
Vo2
(1*27>
Так, при преимущественном окислении углеводов дыхатель­
ный коэффициент стремится к 1, а при окислении жиров он имеет са­
26
Биофизика
мые низкие значения, примерно 0,7. Существуют специальные таб­
лицы и номограммы, при помощи которых можно определить
величину кислородного эквивалента по найденному значению дыха­
тельного коэффициента.
Таким образом, посредством газоанализа измеряются объемы
поглощенного кислорода и выделяемого углекислого газа за одно и то
же время. Взяв отношение второго к первому рассчитывают ДК. По
ДК находят калорический эквивалент. Умножив его на объем погло­
щаемого кислорода, определяют энерготраты за время эксперимента.
В таком расчете нередко пользуются средним значением кало­
рического эквивалента (20,2 кДж/л): энерготраты = 20,2 • V0 . Тогда
погрешность не выходит за пределы ±4% при том, что погрешность
метода непрямой калориметрии составляет 5-8%.
1.2. Второй закон термодинамики
1.2.1. Общие сведения
Первый закон термодинамики определяет энергетические пре­
образования и энергетический баланс в термодинамической системе,
но он не позволяет установить, в каком направлении текут естествен­
ные термодинамические процессы.
Необходим дополнительный принцип, который позволяет су­
дить о направленности процессов. Именно второй закон термодина­
мики определяет это направление и эффективность преобразования
энергии в работу. На основании наблюдений и повседневного опыта
было предложено несколько эквивалентных формулировок второго
закона термодинамики:
1. Р. Клаузиус (1850): теплота не может самопроизвольно пере­
даваться от более холодного к более нагретому телу.
2. У. Томпсон (1851): невозможно построить периодически ра­
ботающее устройство, которое выполняло бы работу за счет тепла,
отбираемого из одного теплового резервуара, имеющего во всех час­
тях одинаковую температуру. Иначе говоря, невозможно построить
«перпетуум-мобиле второго рода». Оказалось, что для обратимых
процессов отношение теплоты ЭQ к температуре Т есть постоянная
27
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
величина, и это отношение не зависит от того, каким образом прохо­
дит процесс:
(1.28)
Новая функция состояния системы есть энтропия (S) (от
греч. - «изменение», «превращение»). При бесконечно малых изме­
нениях состояния закрытой системы изменение энтропии будет
иметь вид:
d s = s ^ o6p >^Q-
Т
т
(1.29)
В изолированной термодинамической системе 8Q = 0 и изме­
нение энтропии dS > 0. Знак (=) соответствует идеализированным об­
ратимым процессам, а знак (>) - реальным самопроизвольным необ­
ратимым процессам. Для необратимых процессов в закрытых
АО
системах неравенство dS >
можно представить как
Т ’
(1.30)
где bQ - теплота, возникающая в самой системе за счет необрати­
мых процессов.
Фактически уравнения (1.29) и (1.30) представляют собой ма­
тематическую запись второго закона термодинамики. Согласно это­
му закону, в изолированной системе энтропия сохраняет постоянное
значение для обратимых процессов (S = const), возрастает при необ­
ратимых процессах и достигает максимального значения при термо­
динамическом равновесии (S —> max).
Необратимые процессы всегда протекают в направлении возра­
стания энтропии. Таким образом, энтропия является количественным
показателем способности системы к самопроизвольным изменениям
термодинамических процессов. Энтропия измеряется в Дж • К-1 или
в энтропийных единицах (э. ед.). Образное выражение Р. Эмдена
.t
28
Биофизика
(1933) отражает сущность первого и второго законов термодинамики:
«В гигантской фабрике естественных процессов энтропия занимает
место директора, который предписывает характер и способ ведения
всех сделок, в то время как закон сохранения энергии - всего лишь
«бухгалтер», приводящий в равновесие дебет и кредит».
В чем же физическая сущность понятия энтропии?
Термодинамика имеет дело с макроскопическими системами и
поэтому она не может дать никакой информации о молекулярных ме­
ханизмах, которые вызывают направленное изменение макроскопи­
ческих функций системы. JI. Больцман впервые дал физическую
трактовку энтропии исходя из понятий статистической физики. Энт­
ропия является мерой неупорядоченности в организации системы.
Следовательно, возрастание энтропии отображает возрастающую
дезорганизацию системы. Больцману удалось это доказать, предпо­
ложив, что энтропия каждого макроскопического состояния связана
с вероятностью реализации этого состояния. Одно и то же макросо­
стояние реализуется огромным числом микросостояний. Это число
микросостояний называется термодинамической вероятностью (W).
В отличие от математической вероятности, термодинамическая веро­
ятность - очень большая величина. Для термодинамической вероят­
ности справедливо соотношение
N»
W = ----------- — -----------,
N x !• N 2 !• N 3
!
(1.31)
где N = Nj + N2 + N3 +.. .+Nf - общее число молекул в системе; Nt число молекул в /-м фазовом объеме.
Термодинамическая вероятность W - это число способов, кото­
рыми N молекул можно расположить в i ячейках системы. JI. Боль­
цман связал энтропию с термодинамической вероятностью:
S=k\nW,
(1.32)
где А:-постоянная Больцмана (А: = 1,38 - 10-23 Дж • К-1); Л-универ­
сальная газовая постоянная (R = к • Na = 1,38 • 10-23 • 6,02 • 1023моль-1 =
= 8,31 Дж • моль-1 • К-1).
29
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
в)
Рис. 1.2. Распределение молекул меж ду тремя отсеками:
а - начальное состояние системы: б - равновесное состояние системы
с максимальной энтропией Smax; в - неравновесное состояние системы
с минимальной энтропией Sm[n; 1 - самопроизвольный процесс;
2 - несамопроизвольный процесс
Рассмотрим идеальный газ в сосуде, разделенном перегородка­
ми на три отсека. Представим, что в начальном состоянии (рис. 1.2)
молекулы газа распределены различными способами. Схематически
9 молекул в начальном состоянии распределены в трех отсеках так:
6, 2 и 1 молекула. Подсчитаем, согласно (1.31) и (1.32), термодина­
мическую вероятность и энтропию начального состояния. Возможны
две крайние ситуации для перехода системы из этого состояния: все
молекулы равномерно распределяются в трех отсеках (3, 3, 3)
(рис. 1.2, б) и все молекулы попадают только в один отсек (0, 9, 0)
(рис. 1.2, в). Термодинамические вероятности для этих двух ситуа­
ций: W6 = 1680; WB= 1.
В предельном случае, когда все молекулы распределены рав­
номерно по ячейкам, термодинамическая вероятность W имеет мак­
симальное значение. Это равновесное состояние системы с максима­
льной энтропией Smax. Переход системы в равновесное состояние
будет самопроизвольным и наиболее вероятным процессом. Вторая
крайняя ситуация соответствует состоянию системы, когда все моле­
кулы сосредоточены только в одной ячейке. Термодинамическая ве­
роятность W этого состояния имеет наименьшее значение. Это наи­
более упорядоченное состояние с минимальной энтропией Smax,
самопроизвольный переход в которое менее всего вероятен.
Таким образом, энтропия, согласно трактовке Больцмана, яв­
ляется мерой неупорядоченности системы. В результате самопроиз­
вольных процессов изолированная система переходит в состояние
30
Биофизика
Рис. 1.3. Изменение энтропии S изолированной системы при достижении
состояния термодинамического равновесия: t - время
термодинамического равновесия, которое характеризуется максима­
льной энтропией (рис. 1.3). При равновесии происходят флуктуации,
которые вызывают локальное уменьшение энтропии dS < 0, но в сис­
теме возникают такие изменения, которые возвращают ее в равно­
весное состояние с Smax. Следовательно, стремление энтропии к SmaK
является главным эволюционным принципом изолированной термо­
динамической системы.
Второй закон термодинамики указывает, что не все виды энер­
гии эквивалентны. JI. Бриллюэн разделил по качеству все виды энер­
гии и сязал их с величиной энтропии. Энергиям, которые наиболее эф­
фективно превращаются в другие виды энергии, соответствует наимень­
шее значение энтропии. Это энергии «высшего качества» (класс А).
В этот класс отнесены гравитационная, ядерная, световая, электриче­
ская энергии. В класс В отнесена химическая энергия «среднего каче­
ства». Энергией «низкого качества» с максимальной энтропией явля­
ется тепловая энергия (класс С). Таким образом, согласно трактовке
Бриллюэна, второй закон термодинамики для изолированной систе­
мы означает постоянную деградацию энергий «высшего качества» в
энергию «низкого качества», т. е. в тепловую энергию.
1.2.2. Особенности живых организмов
как термодинамических систем
При применении термодинамики к биологическим системам
необходимо учитывать особенности организации живых систем:
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
31
1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;
2) процессы в живых системах, в конечном счете, имеют необрати­
мый характер; 3) живые системы далеки от равновесия; 4) биологи­
ческие системы гетерофазны, структурированы, и отдельные фазы
могут иметь небольшое число молекул.
Это все в корне отличает биологическую систему от изолиро­
ванных, близких к равновесию систем. Для изучения используется
теория термодинамики необратимых процессов. Для более адекват­
ного описания свойств биологических систем во многих случаях по­
лезно применение термодинамики необратимых процессов, основа­
телями которых считают JI. Онзагера и И. Пригожина. В термодина­
мике необратимых процессов рассматривается ход процессов во вре­
мени и стационарное состояние системы.
Вот пример зависимости процесса от времени: концентрация
ионов Na+ снаружи клетки обычно на порядок больше, чем внутри
клетки. Градиент концентрации и разность потенциалов приводят
к постоянному «просачиванию» ионов Na+ внутрь клетки. Но кон­
центрация постоянна за счет насосов, выкачивающих Na+ и работаю­
щих за счет гидролиза АТФ^
В отличие от термодинамического равновесия, стационарное
состояние характеризуется:
Постоянным притоком веществ в систему и удалением продук­
тов обмена.
Постоянной затратой свободной энергии, которая поддержива­
ет постоянство концентраций вещества в системе.
Постоянством термодинамических параметров (включая внут­
реннюю энергию и энтропию) системы, находящейся в стационар­
ном состоянии.
В стационарном состоянии открытая система может существо­
вать только за счет потоков вещества и электрических зарядов.
1.2.3. Термодинамические потенциалы
Второй закон термодинамики позволяет установить направлен­
ность изменений в системе, однако по изменению термодинамических
функций Д U и AS нельзя оценить величину производимой работы.
32
Биофизика
Объединим первый (1.5) и второй (1.29) законы термодинами­
ки следующим образом:
TdS =dU+ dA.
(1.33)
С учетом (1.13) получаем:
TdS =dU +дАр + Э Л0,
где
(1.34)
ЭАр = pdV. Тогда полезная работа будет записываться так:
-дЛр =dU + p d V - T d S .
(1.35)
Введем две новые функции состояния системы F и G. Если
процессы осуществляются при постоянной температуре (Т = const)
и постоянном объеме (V = const), то максимальная полезная работа
в системе выполняется за счет изменения свободной энергии Гель­
мгольца ( F) ( изохорно-изошермический потенциал). В этом случае
pdV=0 и
- А 0 = dU - T d S = d ( U - T S ) = dF,
(1.36)
F = U - TS.
В дифференциальной форме изменение свободной энергии Ге­
льмгольца запишется так:
где
dF - d U - TdS.
(1.37)
Если Т = const
и р = const, то максимальная полезнаяработа
выполняется за счет изменения свободной энергии
Гиббса(G) {изо­
барно-изотермический потенциал):
-дАр =dU + p d V - T d S = d H - T d S = d ( H - T S ) = dG,
где
(1.38)
G = H - S. В дифференциальной форме:
dG = dH -T dS.
(1.39)
Новые термодинамические потенциалы позволяют сделать ряд
важных заключений.
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
33
1. Выполнение полезной работы при осуществлении необрати­
мых процессов всегда сопровождается рассеянием энергии, величину
которой определяет TdS. Чем больше эта величина, тем более необра­
тим процесс. Таким образом, изменение энтропии dS характеризует
необратимость процесса. Только для абсолютно обратимых процес­
сов рассеяние энергии отсутствует: TdS = 0.
2. По величине и знаку изменения термодинамического потен­
циала можно судить о направленности процессов. Если в результате
определенных процессов термодинамические потенциалы понижают­
ся (dF< 0 или dG < 0), такие процессы являются самопроизвольными.
Они проходят с выделением энергий и называются экзергоническими.
Процессы, которые идут с увеличением термодинамических потенци­
алов (idF > 0 или dG > 0), являются несамопроизвольными. Такие про­
цессы называют эндергоническими. Они требуют поступления в тер­
модинамическую систему дополнительной энергии из внешней
среды.
3. При достижении равновесия термодинамические потенциа­
лы стремятся к минимальным значениям: F —> min, dF = 0; G —> min,
dG = 0.
В биологических системах процессы текут при р = const, по­
этому в термодинамических оценках преимущественно используется
свободная энергия по Гиббсу - потенциал G. Поскольку все функции
состояния являются полными дифференциалами, то
где v; - число молей /-го компонента в реакции. Но исходя из выра­
жения
G =H -TS=U +pV-TS,
получим:
d G = d U + PdV + Vdp - TdS - SdT.
3 - 9843
(1.41)
34
Биофизика
Подставим выражение TdS = d U + pdV, которое справедливо
для равновесных процессов при отсутствии выполнения полезной
работы, в (1.41). Тогда
dG = TdS + VdP - TdS - SdT = Vdp - SdT.
(1.42)
Сравнивая (1.40) и (1.42) при условии v, = const, имеем
(ж)
=v,
=-5.
U / 4 , Vi
(1.43)
U r A ..,
Рассмотрим еще один термодинамический потенциал - хими­
ческий потенциал (рх), который представляет собой изменение лю­
бой термодинамической функции U, Н, F, G, отнесенной к количест­
ву молей вещества:
dF
ди
v Эу » / v3v/ / v3v. /г.к
'ЭС?4
(1.44)
vav- /
В случае изменения энтропии
П. =
'
- ^
U v,
(1.45)
Тогда изменение свободной энергии по Гиббсу (1.40) с учетом
химических реакций и (1.43) и (1.45) будет иметь вид:
dG = Vdp - SdT + £ ц х, d v ..
(1.46)
1.2.4. Изменение стандартной свободной энергии.
Константа равновесия и электрохимический потенциал
Изменение свободной энергии AG зависит от условий (темпе­
ратуры, давления, концентрации реагирующих веществ), в которых
текут химические реакции, но это затрудняет сравнение химиче­
ских преобразований различных веществ. Тогда изменение свобод-
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
35
ной энергии AG представляют в стандартных условиях (для 1 М
водных растворов при давлении 1 • 102 кПа (1 атм.), pH = 7,0, Т —
298 °К) и эту величину называют изменением стандартной свобод­
ной энергии (AG°).
Определим изменение свободной энергии для одного моля
идеального газа при постоянной температуре Т = const. Запишем
уравнение состояния одного моля идеального газа:
p V=RT.
(1.47)
RT
Тогда V = — подставляем в (1.43) и находим изменение своР
бодной энергии
dG=RT— .
Р
(1.48)
Величину свободной энергии G получим, интегрируя (1.40) от
Р\ ДОPiG = R T ( ^ = R T l n p 2 - R T l n p l.
(1.49)
Pi УР
Если допустить, что исходное состояние системы находится в
стандартных условиях, т. е. при р х= 1 • 102 кПа, так что оно соответ­
ствует стандартному состоянию G°, тогда G 2 = G° + R T \ n р 2. В об­
щем виде величина свободной энергии будет составлять:
G = G ° + RTl n p .
(1.50)
С определенным приближением (для разбавленных растворов
давление р определяется концентрацией вещества с) уравнение (1.50)
можно представить так:
G2 =G° +RTlnc.
(1.51)
36
Биофизика
Рассмотрим простую химическую реакцию: А
В, где [Л]
и [5] - концентрации реагирующих веществ. Согласно (1.51), изме­
нение свободной энергии AG в этой реакции будет
AG = G B - G А = (G ° + Д Г 1п Я )-(< ?° +ЛГ1пЛ)
(1.52)
= G°В - G A“ + R T \ d —
= AG° + R
A
При достижении равновесия (Д<3 = 0) получаем изменение
стандартной свободной энергии
AG0 = - RT] n
ГЯ1J равн
I
(1.53)
[Л]ра„„
AG° = - R T l n k p.
(1.54)
Это -уравнение Вант-Гоффа. Оно чрезвычайно важно, поско­
льку позволяет, измеряя экспериментально кр, находить величину
AG°.
Подходы равновесной термодинамики могут быть использова­
ны при решении задач о переносе заряженных и нейтральных ве­
ществ через клеточные мембраны.
Как было показано ранее, изменение свободной энергии AG
выражается уравнением (1.46). В клетке химические превращения и
перенос веществ происходят при Т = const и р = const; тогда (1.46)
упрощается:
(1.55)
При одном обороте реакции количество молекул исходных ве­
ществ и продуктов пропорционально соответствующим стехиомет-
37
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
рическим коэффициентам |3 так, что изменение числа молей Av, = Р,.
Это справедливо, когда в результате одного оборота реакции число
превращенных молекул существенно меньше общего числа молекул
реагентов в смеси. Тогда выражение (1.55) запишется так:
Л ? = 5/ Х Р /
<L 5 6 >
(Р < 0 для исходных веществ и Р > 0 для продуктов реакции).
Рассмотрим перенос вещества через мембрану из одной фазы в
другую, если фазы отличаются химическими потенциалами \1Хл и рХя.
Согласно (1.56), изменение свободной энергии выражается уравне­
нием:
A G =^p,
(1.57)
Так как Ри =Pfl =Р,то
А ^ = Р Д ц х<(-(1 хД = рАц,.
При равновесии AG = 0, а значит, (р
-р
(1.58)
) =0 или р.
-\^Хв•
В более общем случае между двумя фазами, разделенными
мембраной, могут происходить перенос незаряженных частиц благо­
даря разности концентраций сА и св (осмотическая работа) и перенос
ионов (электрическая работа). Тогда, в отличие от (1.58), изменение
свободной энергии определяется разностью электрохимических по­
тенциалов (Ар):
AG =|ЗД|1.
(1.59)
Электрохимический потенциал - это полный потенциал, учи­
тывающий химический потенциал рх системы и электрическую рабо­
ту А1Лпо переносу заряженных частиц:
(1.60)
38
Биофизика
По аналогии с выражением для G (1.51), химический потен­
циал можно представить так:
щ = р ® + Л Г 1п с,
(1.61)
где р® - стандартный химический потенциал; с - концентрация вещества. Электрическая работа
AM =zF<p,
(1.62)
где z - валентность иона; F = 96500 Кл • моль-1 - число Фарадея;
ф - потенциал на границе раздела «фаза - окружающая среда». Для
случая переноса через мембрану из фазы А в фазу В нейтральных ве­
ществ и ионов изменение электрохимического потенциала будет
иметь вид:
Лр = Др* +А 0Л =.р“в -р®^ +RT] nc + zFAq>.
(1-63)
Условием равновесия является AG = 0. Тогда в общем случае,
когда имеется перенос нейтральных частиц и ионов, равновесие бу­
дет определяться равенством электрохимических потенциалов А р = 0
илир,, = p s .
1.3. Термодинамика необратимых процессов
Классическая термодинамика разработана для закрытых и изо­
лированных систем и в основном имеет дело с равновесными состоя­
ниями. В открытых системах непрерывно происходит обмен с внешней
средой энергией и веществом и вместо термодинамического равновесия
устанавливается стационарное состояние. Сходство равновесия и ста­
ционарного состояния состоит в том, что большинство параметров си­
стемы не изменяется во времени. Однако имеются принципиальные
отличия. При равновесии не происходит изменения свободной энергии
Гиббса (AG = 0), а энтропия стремится к максимальному значению
(S —> шах). В стационарном состоянии изменение свободной энергии
поддерживается на постоянном уровне (AG = const) и значение энт­
39
Гпаеа 1. Термодинамика биологических процессов
ропии отличается от максимального значения. В открытых системах
приходится иметь дело и с неравновесными состояниями, и с реаль­
ными необратимыми процессами. Эти вопросы рассматривает тер­
модинамика необратимых процессов.
1.3.1. Изменение энтропии в открытых системах
и диссипативная функция
Основы линейной неравновесной термодинамики были зало­
жены Л. Онзагером и в дальнейшем развиты И. Пригожиным. Линей­
ная неравновесная термодинамика рассматривает процессы вблизи
равновесия, когда между скоростями и силами, которые вызывают
процессы, существуют линейные зависимости.
Если в открытой системе проходят необратимые процессы, то
изменение энтропии представляется как в (1.30). Это значит, что об­
щее изменение энтропии в открытой системе, обменивающейся
с внешней средой энергией и веществом, можно представить так:
d S = ^ . + ^ - = d eS + d , S ,
Т
Т
(1.64)
где dJS - изменение энтропии за счет обмена с внешней средой;
dtS - изменение энтропии в системе вследствие необратимых процес­
сов в ней. Согласно второму закону термодинамики, dtS > 0. Для ади­
абатических изолированных систем deS > 0 и dtS > 0.
Определим величину dtS в системе, если в ней текут химиче­
ские реакции.
Изменение массы i-го компонента при химическом преобразонании запишется так:
dm, = Р ,m,db dv, = ^ - = Р ,.^ ,
Mi
(1 .65)
где P, - стехиометрический коэффициент; М, - молекулярная мас­
са; dv, - число молей вещества; £ - степень прохождения реакции,
показывающая изменение количества молей вещества, приведенное
к стехиометрическому коэффициенту.
40
Биофизика
Энтропия является полным дифференциалом и для определен­
ного количества компонент v ,, которые преобразуются в химических
реакциях, изменение энтропии запишется так:
dvr
( 1.66)
У
Изменим запись (1.66) с учетом формулы для химического по­
тенциала (1.45):
i
о
-67)
Если подставить (1.65) в выражение (1.67), то получим:
<'.s = = 2 X m ■I /
( 1 -68 )
Де-Донде ввел новое понятие —сродство химической реакции:
(169)
I
Подставив (1.69) в (1.68), получим выражение для продукции
энтропии, когда в системе проходят химические реакции:
d ,S = ^ .
(1.70)
Общее изменение энтропии в открытой системе с учетом обме­
на энергией с внешней средой имеет вид:
dS =?Q -+ — d t.
Т
Т
(1.71)
Одно из наибольших достижений термодинамики необрати­
мых процессов, в отличие от равновесной термодинамики, состоит
в том, что она вводит понятие времени и рассматривает изменение
энтропии во времени.
41
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
Скорость изменения энтропии для открытой системы запишет­
ся в общем виде так:
dS _ d eS t d tS
dt
dt
dt
(1.72)
Общая скорость изменения энтропии равна сумме потока энтропи]
и продукции энтропии в сис­
теме ----- . для лимичсикил реакции в системе:
I dt J
d tS _ K d E , _ K v
dt
T dt T ’
(1.73)
Iде
v - скорость реакции.
Возникает вопрос, возможно ли использование понятия энтро­
пии, введенного в равновесной термодинамике, для описания про­
цессов в неравновесных ситуациях. В термодинамике необратимых
процессов допускается, что хотя система в целом неравновесна, каж­
дая из подсистем, выделенная в элементарном объеме, находится
и состоянии равновесия (принцип локального равновесия). Вводится
важное понятие - локальная продукция энтропии ст в элементарном
объеме dV’ Тогда продукция энтропии:
(1.74)
Так как dtS > 0, то и локальная продукция энтропии будет
ст > 0.
Перенесем в уравнении (1.73) температуру Т в левую часть и по­
лучим
T —i— =Kv.
dt
(1.75)
42
Биофизика
Правая часть этого выражения представляет собой произведе­
ние двух величин, одна из которых является причиной или силой
(химическое сродство - К ), вызывающей химическую реакцию,
а вторая представляет собой следствие (скорость реакции v) дейст­
вия данной причины.
Рассмотрим несколько конкретных примеров, подтверждаюrrd
щих правильность заключения, что Г
—is является универсальной
dt
характеристикой и представляет собой всегда произведение силы на
скорость процесса. При перемещении тела на расстояние х под дей­
ствием силы F выполняется механическая работа A=Fx. Мощность
процесса:
N = —= F —= Fv,
t
t
(1.76)
где t - время действия силы; v - скорость движения тела в направ­
лении силы. При прохождении электрического тока мощность будет:
ЛГ= Д<р/,
где
(1.77)
Дф —разность потенциалов.
Таким образом, в наиболее общей феноменологической форме
любой процесс можно характеризовать произведением обобщенной
силыХ(причина) на обобщенный поток/(скорость процесса). В зави­
симости от процесса обобщенная сила X может иметь разную приро­
ду: в химических реакциях - химический потенциал, в механических
процессах - сила, в электрических явлениях - напряженность, в про­
цессах диффузии - градиент концентраций, в процессах теплопровод­
ности - градиент температуры.
Посмотрим, как передается мощность в открытой системе при
осуществлении необратимых процессов. По аналогии с технически­
ми устройствами, в биологических системах происходит преобразо­
вание одного вида энергии в другой —химической в электрическую
(нерв), в механическую (мышца) и в световую (биолюминесценция
светляка); световой в химическую (хлоропласт) и в электрическую
43
I пава 1. Термодинамика биологических процессов
(сетчатка глаза); механической в электрическую (улитка внутреннего
уха). Важной характеристикой любого преобразователя энергии,
включая и биологический, является изменение мощности на входе
(ЫйХ) и выходе (NBblx) открытой системы. В общем виде изменение
мощности можно записать так:
N вх -^вых = ~Т~Т.
at
(1.78)
d.S
Произведение —i— Т называется диссипативной функцией. Для
dt
неравновесных систем основной характеристикой выступает локаль­
ная продукция энтропии о, и поэтому диссипативная функция запи­
шется так:
Та = Х Л .
к
о - 79)
если в открытой системе проходит к процессов. Выражение (1.78)
показывает, что протекание необратимых процессов в открытой сис­
теме всегда сопровождается диссипацией (рассеянием) энергии. Во
иссх преобразователях входная мощность превышает выходную
мощность, а это значит, что происходит преобразование энергии вы­
сокого качества (электрической, световой, химической) в тепловую
энергию. Диссипативная функция Та = 0 только в случае идеальных
обратимых процессов.
1.3.2. Основные положения линейной
неравновесной термодинамики
Возникает вопрос, какие причинно-следственные связи суще­
ствуют между потоками J и обобщенными силами X. В общем виде
можно считать, что поток J зависит от силы X: J = / (X). Разложим
,/ (X) в ряд Маклорена вблизи точки равновесия
7 ( Х ) = У ( 0 ) + У '^ Х + У '^ Х 2+ ...,
(1.80)
44
Биофизика
где Аг= 0 и У (0 ) = 0 - точка равновесия. Производные в точке рав­
новесия обозначим постоянными феноменологическими коэффици­
ентами: J' ( 0) =L, L"(0) = L', и т. д. С учетом этих обозначений и прене­
брегая членами выше первого порядка, получим
J=LX.
(1.81)
В приближении, что система находится вблизи состояния рав­
новесия, получается линейная связь между потоком и силой.
Экспериментальным подтверждением основных положений
линейной неравновесной термодинамики является ряд эмпирических
законов, которые устанавливают линейные соотношения вида (1.81).
Поток вещества при диффузии описывается законом Фика:
— = -Ds— ,
dt
dx
(1.82)
а в обобщенной форме:
Л =LCX C,
гдет - масса вещества; D - коэффициент диффузии;
s - площадь
переноса вещества; — - градиент концентрации.Линейная связь
dx
между потоком вещества Jc и обобщенной силой Хс осуществляется
через феноменологический коэффициент Lc = - Ds.
Поток тепла описывается законом Фурье:
(1.83)
dt
где
dx
k - коэффициент теплопроводности;
dT
dx
градиент темпе-
ратуры.
В обобщенной форме закон Фурье выражается следующим
уравнением:
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
45
Объемный поток жидкости через трубку характеризуется зако­
ном Пуазейля:
dV_ = m^_dp_
dt
8Т|/ dl
где V - объем жидкости; г - радиус трубки; I - длина трубки; Г| коэффициент вязкости; Ар - перепад гидростатического давления.
В обобщенной форме закон Пуазейля выражается следующим
уравнением:
J Р„ = LР X Рd.
Закон Ома устанавливает линейную зависимость между пото­
ком электрических зарядов j e и напряженностью электрического
поля Е:
Л = ^ =л А
dt
dx
(1.85)
dQ - электрический“ ток, Л
* - удельная электропроводность сре—
dt
d(f>
ды, s - площадь сечения, —- - градиент электрического потенциала
dx
(напряженность электрического поля).
В обобщенной форме закон Ома выражается следующим урав­
нением:
где
J 9 =W
В биологической системе протекает одновременно много про­
цессов, которые между собой могут быть взаимосвязаны. Рассмот­
рим два взаимосвязанных потока Jk и J„. Если бы поток Jk не был со­
пряжен с потоком Jn , он бы зависел только от обобщенной силы Хк,
I. с. Jk =
Но поскольку он сопряжен с потоком J„, то зависит
также и от силы Х„, и эту связь устанавливает линейный коэффици­
ент взаимосвязи Ьы. Тогда для двух сопряженных потоков запишем:
46
Биофизика
( 1.86)
Если поток Jk взаимосвязан с п потоками, тогда в общем виде
(1.87)
п
В линейной неравновесной термодинамике особое значение
приобретает соотношение взаимности Онзагера (Lhl
показыва­
ющее, что если поток Jk, соответствующий необратимому процессу
к, испытывает действие силы другого необратимого процесса п через
коэффициент Ьы , то и поток Jn также испытывает влияние силы Хк
через тот же коэффициент Lkn.
Подставив (1.86) в диссипативную функцию (1.79),получим
основное феноменологическое уравнение линейной неравновесной
термодинамики:
( 1.88)
Т « = 1 ] ^ х кх п.
Рассмотрим пример применения соотношения взаимности Он­
загера для анализа сопряженных необратимых процессов, которые
имеют место в биологических системах. Водный раствор сахарозы
находится в двух отсеках А и В, разделенных мембраной (рис. 1.4).
Мембрана частично проницаема для молекул сахарозы и полностью
проницаема для молекул растворителя (воды). В результате на мемб­
ране устанавливаются два встречных потока - растворенного веще-
; а.
Рис. 1.4. Пассивный транспорт веществ через мембрану М: Ар - гидростатиче­
ское давление; Jc и Je, - потоки растворенного вещества (сахарозы) и растворите­
ля (воды) соответственно; сс - концентрация сахарозы; сАс > свс; А и В - отсеки
47
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
ства Jc и воды Je. Используя (1.78), запишем диссипативную функ­
цию для этих двух потоков так:
Ta = J cX c + J eX e.
(1.89)
В изотермических условиях движущая сила для обоих потоков
будет состоять из двух составляющих:
Х = У А р + Арх,
(1.90)
где Ар —разность гидростатических давлений в двух отсеках; Арх разность химических потенциалов вещества по обе стороны мембра­
ны; V - парциальный молярный объем вещества. Тогда
Тв =Уе(^ А Р + А ц ,.) + Л ( ^ А Р + Д и ,.)
(1-91)
Т„ = { j ev l + J e~ K) Ap + J eApx + Л Д р „ .
(1-92)
ИЛИ
Разность химических потенциалов
связана с осмотиче­
ским давлением Ap0sm.> которое компенсирует разность концентраций
растворов по обе стороны мембраны. Согласно закону Вант-Гоффа:
APosm=RT( c? + с ‘ ).
(1.93)
Найдем дифференциал от химического потенциала (1.61):
Иг
dpx =</ц° + RTdQn с) = R T — ,
(1.94)
С
где
d p i = 0.
Представим dpx через небольшое приращение химического
потенциала:
Дц, =
R
С
T
(1.95)
48
где
Биофизика
сс
-
средняя
концентрация
сахарозы
в
системе
Сс = - (сС + с с ) Подставив в уравнение (1.95) из формулы (1.93) Арош, по­
лучим
A\ix = ^ s = l .
(1.96)
Связь двух сопряженных встречных потоков растворенного ве­
щества и растворителя подчиняется уравнению Гиббса-Дюгема:
сеАц,с + с.А ц ,. = а
(1.97)
Из этого уравнения находим, что
Ац* = = - А ц .
(1.98)
с.
Подставив (1.96) в (1.98) и заменив Vв = ~ , получим
с,
-Д р ,в = - V BAposm.
(1.99)
Теперь подставим Др^ (1.95) и ДрХв (1.99) в (1.92):
Te = ( j eVe + J ' V , ) A p
Таким образом, в рассмотренном процессе диссипативная
функция TGпредставлена новыми обобщенными силами (Aposm и Ар)
и новыми потоками:
49
Г пава 1. Термодинамика биологических процессов
где
Jp - объемный поток; Ja - диффузионный поток.
С учетом новых обозначений
Та
( 1.102)
= ^ А Р + Л А Р .osm *
Для сопряженных потоков Jp и Уд в соответствии с феномено­
логическими уравнениями (1.86) имеем
j p = 1 ррАр + 1 РлАр 0,т
(1.103)
J a = LvpAP + Ll l APosJ
где
Lpp, Lpд, Lfy, Lll - матричные коэффициенты.
Определим смысл феноменологических коэффициентов в пред­
ложенном модельном опыте.
1. Наложим следующее ограничение на нашу систему: концен­
трация сахарозы одинакова по обе стороны мембраны: с А - с в. Значит> Ар osm =0- Подставив в (1.103) Aposm =0, получим J р = LppAp и
./д = ЬДрАр. Таким образом, разность гидростатических давлений Ар
нызывает объемный поток Jp и добавочный диффузионный поток / д,
который приводит к перераспределению сахарозы. Появляется снова
разность концентраций сахарозы. Это явление известно как улыпрафилыпрация. Lnp - коэффициент ультрафильтрации.
2. Выравниваем гидростатическое давление, Ар = 0, тогда
J Р = L pa A P o m
и J jx = L l l A P o s m , где Lll соответствует коэффициенту
проницаемости вещества через мембрану. Добавочный объемный
поток Jp называют осмотическим потоком, где L PJX - коэффициент
осмотического потока. Используя соотношение взаимности Онзагера, получим следующую связь между потоками:
(Уд]
I a p J APosm
f ^
V
1
osm у
Теперь можно по феноменологическим коэффициентам опре­
делить свойства мембраны. Рассмотрим возможное стационарное со­
стояние, когда объемный потоку = 0. Тогда из (1.103) находим
-I
‘Ж 43
50
Биофизика
Lpp^P = ~LpRAposm.
(1.105)
Введем новую постоянную, которая называется коэффициен­
том отражения (константой Ставермана):
а
-L _
------S3-.
(1.106)
L pp
Коэффициент отражения а зависит от свойств мембраны. За­
пишем объемный поток с учетом коэффициента отражения:
J p = L H, ( A p - a A Pam).
(1.107)
Теперь можно определить идеальную полупроницаемую мемб­
рану, для которой о = 1 и растворенное вещество совсем не проника­
ет через мембрану (полностью «отражается» на мембране). Полно­
стью проницаемая мембрана характеризуется а = 0 и J р = L ppAp.
Таблица 1.1
Коэффициенты отражения
Мембрана
Эритроциты человека
Nftella transcullens
Кожа жабы
для различных мембран
Вещ ество
Мочевина
Этиленгликоль
Этанол
Метанол
Мочевина
Ацетамид
Тиомочевина
а
0,62
0,63
0,44
0,60
1,00
0,89
0,98
Коэффициент отражения а в (1.106) показывает механизм пе­
реноса вещества через мембрану: а = 0, когда LpR = 0. Это значит,
что нет сопряжения между потоками Jp и Уд , т. е. поток растворите­
ля совершается независимо от потока растворенного вещества.
В реальных ситуациях а < 1, LpJXФ 0, что указывает на связь между
потоками Jp и Уд. Это существенное обстоятельство, которое часто
игнорируется, когда рассматривают процессы переноса воды и ве­
ществ в клетку независимо друг от друга. Только применение поло­
жений линейной неравновесной термодинамики и использование
51
Глава 1. Термодинамика биологических процессов
соотношения взаимности Онзагера к явлениям переноса через кле­
точные мембраны позволяют правильно количественно описывать
транспорт веществ в клетку.
Измеренные коэффициенты отражения представлены в табл. 1.1.
Данные показывают, что различные клеточные мембраны существенно
различаются по проницаемости веществ.
1.3.3. Теорема Пригожина
Наиболее важным результатом линейной неравновесной тер­
модинамики явилось определение критерия стационарного состоя­
ния. Как было показано ранее, основным критерием равновесной
гермодинамики является стремление энтропии к максимальному зна­
чению - SmM(см. рис. 1.3).
Рассмотрим открытую систему, в которой проходят два необ­
ратимых сопряженных потока - теплоты J x и вещества J2. Согласно
(1.102), с точностью до постоянного множителя Т локальная продук­
ция энтропии а запишется так:
a = J xX x + J 2X 2 > 0,
(1.108)
\J \ ~ LUX i + L\2X 2’
(1.109)
а сопряженные потоки
1 л = r tX > +L22*2Тогда
< * = (£ „ * ,
+ ( L* X <
=
Учитывая соотношение взаимности Онзагера Ll2= L 2l, полу­
чим
C = L uX f +2Lx2X 2X x + L 22X 2 >0,
1 ДС
I1
Lxx > 0,1-22 > 0 и LX2 > 0.
(1.110)
52
Биофизика
Допустим, что в открытой системе устанавливается стационар­
ное состояние и количество вещества, поступающее в систему, равно
количеству вещества, выходящего из системы, в результате чего по­
ток вещества J2 = 0. Исследуем на экстремум величину ст в стацио­
нарном состоянии. Находим производную от с по Х2 при Х х= const:
+ Щ , Х 2 =2( L a X, +Ln X t y i J 2 =0. (1.111)
Это соответствует экстремальной точке. Вторая производная
от а:
! ^ - = 2 £ !2>0.
ОЛ 2
(1.112)
Таким образом, экстремальная точка соответствует минимуму
функции а. Справедлива теорема Пригожина: в стационарном со­
стоянии при фиксированных внешних параметрах локальная продук­
ция энтропии в открытой системе постоянна и стремится к минима­
льному значению:
ст—»min
(1.113)
или для конечного объема V продукция энтропии в системе стремит­
ся к минимальному значению:
(1.114)
dt
Теорема Пригожина о минимуме продукции энтропии в стацио­
нарном состоянии определяет эволюцию открытой термодинамиче­
ской системы: открытая линейная система, если она не находится
в стационарном состоянии, будет изменяться до тех пор, пока продук­
ция энтропии в ней не приобретет минимальное значение из всех воз­
можных, т. е. пока система не достигнет стационарного состояния.
Теорема Пригожина показывает, что в стационарном состоя­
нии диссипация свободной энергии происходит с меньшей скоро­
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
53
стью, чем в любых других состояниях. Следовательно, в стационар­
ном состоянии свободная энергия системы расходуется наиболее
экономно и поэтому требуется минимальная компенсация ее затрат,
т. е. КПД системы максимален.
Важно заметить, что теорема Пригожина справедлива только
для таких состояний, которые мало отличаются от стационарных.
В этом случае скорости всех процессов выражаются линейными
уравнениями, поэтому соответствующие системы называют линей­
ными. С учетом этого обстоятельства следует отметить, что теорема
Пригожина дает термодинамический критерий эволюции только ли­
нейных систем.
1.4. Энтропия и биологическая информация
1.4.1. Устойчивость стационарного состояния
Системы в термодинамическом равновесии или в стационарном
состоянии являются устойчивыми. В равновесной термодинамике хо­
рошо известен принцип устойчивости Ле-Шателъе\ всякая система,
находящаяся в состоянии химического равновесия и отклонившаяся
от этого состояния под воздействием внешнего возмущения, стремит­
ся самопроизвольно вернуться в равновесное состояние за счет изме­
нения параметров в направлении, противоположном тому, которое
вызвало возмущение.
Для анализа устойчивости вблизи равновесия введем в систему
небольшое возмущение, т. е. выведем систему из равновесия. Мате­
матическая запись соответствует тому, что производится разложение
энтропии в ряд вблизи равновесия:
S = S max+ 9 S + I ( d 2s ) + . ..
(1.115)
Поскольку разложение S происходит вблизи экстремальной
точки Smax, то член первого порядка малости dS обращается в нуль и,
таким образом, устойчивость термодинамического равновесия опре­
деляется знаком члена второго порядка малости (cKS).
54
Биофизика
Переход закрытой системы в равновесное состояние опреде­
ляется стремлением энтропии к максимальному значению d.s > 0 и
S. —> шах.
Устойчивость термодинамического равновесия определяется
условиями:
d2s<0
и
\ 7 t ( d 2s y
^
t ^
Jn X n > ()-
(1 Л 1 6 )
Основным критерием перехода открытой системы в стацио­
нарное состояние является стремление локальной продукции энтро­
пии а к минимальному значению:
^ < 0
dt
и
c-> m in .
(1.117)
Устойчивость стационарного состояния определяется усло­
виями:
~ { d 2s ) = Y d J nd X n>0.
Величина
(1.118)
5JпдХ п называется избытком продукции энтроп
пии, a dJn и дХп - отклонениями от значений Jn и Хп в стационарном
состоянии под действием внешнего возмущения.
Принцип стремления системы к минимуму продукции энтро­
пии определяет авторегуляцию открытой системы: если открытая си­
стема в результате внешнего возмущения выведена из стационарного
состояния, то в ней возникают силы, которые будут так влиять на
нее, пока локальная продукция энтропии а не примет минимального
значения, т. е. пока система не перейдет в состояние наименьшей
диссипации энергии.
В предыдущих разделах изложены основные положения фено­
менологической термодинамики необратимых процессов, главным
образом в применении к анализу химических реакций или к таким
изменениям в открытых системах, для которых можно использовать
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
55
понятие скорости реакций и химического потенциала. Важно под­
черкнуть, что попытки применить такой подход для анализа не отде­
льных процессов метаболизма, а общих свойств целостных биологи­
ческих систем встречает ряд принципиальных трудностей.
В самом деле, вычисление диссипативных функций непосред­
ственно основано на уравнениях кинетики, которые дают значения
скоростей и движущих сил процессов.
Однако имеющиеся математические модели биологических си­
стем с использованием дифференциальных уравнений могут отра­
зить лишь отдельные стороны клеточного метаболизма, но не описы­
вают всей совокупности сложных реакций, лежащих в основе
важнейших биологических процессов роста, развития, адаптации
к внешним воздействиям, эволюции.
Выше был рассмотрен критерий устойчивости стационарного
состояния в виде положительного характера величины избыточной
продукции энтропии при небольшом возмущении системы:
£ d J ndX„>0.
п
Отрицательное значение этой величины указывает на неустой­
чивость стационарной (особой) точки. Вблизи равновесия критерий
устойчивости
dJnd Xn >0 совпадает с теоремой о минимуме проп
дукции энтропии в стационарном состоянии. Что касается термоди­
намических критериев эволюции открытых систем, то эта задача ре­
шена только для состояний, близких к стационарному.
Указанная особенность биологической организации вызывает
трудности в использовании понятия устойчивости применительно
к биологическим системам.
В неустойчивых процессах исчезающе малая «причина» может
привести к «большому» следствию. В результате в системе наступает
состояние глобальной неустойчивости, в силу чего состояние систем
в целом становится случайным. В противоположность этому в реаль­
ных системах могут наблюдаться только устойчивые решения любой
динамической задачи.
Неустойчивые степени свободы определяют число возможных
различных состояний, которыми может быть осуществлено данное
56
Биофизика
макроскопическое состояние. Именно с числом этих микросостоя­
ний, или термодинамической вероятностью (w), и связана энтропия
системы. Согласно формуле Больцмана, энтропия определяется как
логарифм термодинамической вероятности (1.32).
В полностью устойчивых системах реализуется только единст­
венное динамическое решение. Поэтому и число способов, или мик­
росостояний, которыми осуществляется единственное макросостоя­
ние, равно единице (w = 1), а следовательно, энтропия равна нулю.
В реальных системах энтропия характеризует устойчивые степени
свободы, и именно к ним применимо это понятие. В этом случае го­
ворят о термодинамическом равновесии по неустойчивым степеням
свободы. Однако по детерминистским (механическим) степеням сво­
боды система не находится в состоянии термодинамического равнове­
сия. Строго говоря, применять понятие энтропии можно лишь к тем
степеням свободы, по которым развивается неустойчивость за время
наблюдения за системой. Стабильные степени свободы не дают вкла­
да в термодинамическую вероятность системы и не учитываются в ее
общей энтропии. Именно поэтому характеризовать в целом поведе­
ние биологической системы с помощью понятия энтропии неправи­
льно. Его можно принять только по отношению к конкретным мета­
болическим процессам. Пренебрежение этим обстоятельством
создает причины серьезных ошибок при попытках дать чисто термо­
динамическую трактовку жизненных явлений. В этом плане следует
рассматривать и проблему биологической информации.
1.4.2. Связь энтропии и биологической информации
Связь этих понятий раскрывается по мере изучения информа­
ционных процессов в биологии. Как известно, на всех уровнях био­
логической организации существуют информационные системы, в
которых производится, запасается, передается, перерабатывается и
воспринимается информация. Когда исследователь получает инфор­
мацию о действительном состоянии системы, то первоначальная не­
определенность, которой характеризовались его знания о системе,
уменьшается. Очевидно, количество полученной информации в этой
ситуации будет тем больше, чем больше была исходная неопреде-
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
57
лснность в состоянии системы. Пусть число микросостояний, кото­
рыми можно осуществить данную систему, равно w, а вероятность
каждого из них равна р - l/w.
Допустим, что в простейшем случае получаем сообщение
о единственном и реальном состоянии системы. Количество инфор­
мации /, содержащееся в этом сообщении, будет равно, согласно тео­
рии информации,
/= -lo g 2р ,
(1.119)
где р —статистическая (математическая) вероятность сообщаемого
события.
За единицу количества информации (бит) принимается инфор­
мация, содержащаяся в достоверном сообщении, когда число исход­
ных возможных состояний равно двум, т. е. априорная вероятность
события равна У2 (р = 1/2), т. е.
I ——log7 - = 1 бит.
2
(1.120)
Такое количество информации содержится, например, в сооб­
щении о том, на какую сторону упала при бросании в воздух монета.
Аналогично, информация о том, какая из 64 клеток шахматной доски
занята, содержит I = - lo g 2 — = 6 бит.
64
Сопоставление формул (1.119) и (1.32) устанавливает связь меж­
ду энтропией и информацией: S (э. е.) = 2,3 • 10-24 = 1 бит. Следовате­
льно, одна энтропийная единица (4,2 Дж/К) соответствует 2 • 10~24 бит,
или 1 бит информации
эквивалентен к • 1п2 = 10-24 Дж/К.Величина
энтропии, выраженная в битах, составит S = S(k 1п2)-1, где (S - тер­
модинамическая энтропия, выраженная в энтропийных единицах).
Совпадение (с точностью до множителя) выражений для энт­
ропии и информации имеет глубокий смысл. Энтропия системы
и информация о системе взаимосвязаны. Полагают, что энтропия
есть недостающая информация для полного описания системы или
информация есть недостающая энтропия, т. е. разность между макси­
58
Биофизика
мально возможной энтропией системы и той энтропией, которой на
самом деле обладает система, что выясняется после получения о ней
информации.
Формулы (1.119) и (1.32) свидетельствуют о том, что формаль­
но величины I и S идентичны. Считают, что эквивалентность / (бит)
и S (Дж/К) в некотором смысле подобна эквивалентности массы
и энергии по закону Эйнштейна.
Это соотношение между энтропией и информацией было выяв­
лено Бриллюэном и сформулировано в виде негэнтропийного принци­
па информации. Однако сказанное справедливо лишь по отношению
к микроинформации, т. е. информации о реализации в данный момент
одного из возможных микросостояний системы. Микроинформация в
принципе не может быть «запомнена», поскольку любое из микросос­
тояний скоро переходит в другое из-за сильной неустойчивости мик­
роскопических движений (тепловые флуктуации). Реально в биоло­
гии, так же как и в технике, системой запоминается макроинформация,
свойства которой будут описаны ниже. Здесь необходимо лишь отме­
тить, что макроинформация не связана с физической энтропией соот­
ношением Бриллюэна.
Формула (1.119) получена для упрощенной ситуации, когда мо­
жет произойти w равновероятных событий. В более общем случае,
когда исходно имеется N событий с набором вероятностей/?],^...,/?,,,
количество информации, соответствующей этой ситуации, равно:
N
(1.121)
Выражения (1.119) и (1.121) были получены К. Шенноном для
оценки абсолютного количества информации при передаче сообще­
ния о событии, которое априори может произойти с некоторой веро­
ятностью.
1.4.3. Количество биологической информации
Используя формулы теории информации, можно оценить, ка­
кое количество информации содержится в организме, составными
59
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
элементами которого являются отдельные клетки. В теле человека
содержится ~ 1013 клеток. Будем считать, что все они уникальны и их
нельзя менять местами без нарушения целостности организма. Апри­
ори число способов, которым может быть осуществлена эта структу­
ра, составит w = 1013!, а количество информации, необходимое для ее
построения, есть
/ = log2(1013 !) = 1013 log2 1013 = 4• 1014 бит.
(1.122)
Понижение энтропии при построении упорядоченного орга­
низма человека из системы хаотически расположенных 1013! клеток
составит:
AS =23-1(Г 24 -4 -1 0 '4 =1(Г9 э.е. = 41СГ9
К
(1.123)
Количество необходимой информации увеличится, если учесть
уникальность расположения аминокислотных остатков в белках в теле
взрослого человека. Тогда общее количество информации, соответст­
вующее их регулярному расположению, составит / = 1,3 • 1026 бит, что
эквивалентно понижению энтропии на AS = 300 э. е. = 1200 Дж/К.
Это понижение энтропии при возникновении сложнейшей био­
логической организации - организма человека - на самом деле не­
значительно. По величине оно равно, например, уменьшению энтро­
пии при конденсации 170 см3 паров воды. В процессах метаболизма
понижение AS на 300 э. е. с легкостью может компенсироваться уве­
личением энтропии при окислении 900 г глюкозы.
Таким образом, формальное применение выражения (1.123)
показывает степень упорядоченности и, следовательно, количество
информации, содержащееся в биологических системах, мало и не
превышает таковую в твердом теле той же массы.
До сих пор в предыдущих рассуждениях не учитывался струк­
турный характер организации биологической системы: считалось, что
упорядоченность элементов имеет одинаковое значение во всей систе­
ме для ее построения. Однако на разных уровнях организации биоло­
60
Биофизика
гической системы ценность информации, закодированной в биологи­
ческих структурах, может быть различной.
Увеличение сложности биологической системы происходит за
счет увеличения числа разнородных элементов системы и связей
между ними. Если на данном уровне возрастает незаменимость эле­
ментов системы, то это означает увеличение ценности содержащейся
в нем информации. Однако на данном уровне ценностью обладает
лишь неизбыточная информация, связанная с незаменимыми элемен­
тами. Избыточная информация - это повторная информация, которая
играет роль, уменьшая вероятность разрушения ценной информации
из-за шума при ее передаче. С этой точки зрения апериодическая си­
стема содержит значительно большее количество незаменимых эле­
ментов, а следовательно, большее количество ценной неизбыточной
информации, чем эквивалентная периодическая система, где элемен­
ты взаимозаменяемы.
. Ценность информации можно определить по степени неизбыточности, или незаменимости, сообщения. Например, количество ин­
формации, закодированной последовательностью из общего типа п
нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин, цитозин), в цепи ДНК равно
I x = log 2 4п =2п бит.
Однако на следующем уровне в белковой цепи количество со­
держащейся информации уменьшается по сравнению с уровнем
ДНК. В самом деле, каждый из аминокислотных остатков кодируется
тремя нуклеотидами, так что количество информации в синтезиро­
ванной на п нуклеотидах белковой цепи равно /, = log2 20"/3 =
= 1,44л бит.
Таким образом, первоначальное количество информации низ­
шего уровня (ДНК) уменьшается на более высоком уровне (белок).
В данном случае это обусловлено вырождением триплетного кода,
когда один и тот же аминокислотный остаток кодируется разными
кодонами: общее число кодонов 43 = 64 больше числа аминокислот
(20). На следующем уровне возможны замены некоторых аминокис­
лот другими без изменения свойств белка. Тем самым количество
действительно незаменимых аминокислот уменьшается (N < 20),
а количество информации 13 на этом уровне соответственно падает:
Гпава 1. Термодинамика биологических процессов
61
/ , = lo g 2 n"n < log2 20п/3, / , < / 2.
Так, на участке ДНК из 600 нуклеотидов заключена информа­
ция 1дш~ log24600 = 1200 бит, а информация в первичной последовате­
льности белка, синтезированной на этом участке и содержащей 200
аминокислот, уже меньше и составляет / 6 = log220200 = 860 бит.
Разница в 340 бит является избыточной и самостоятельной
ценности не представляет. Таким образом, на каждом следующем
уровне количество необходимой информации уменьшается. Отсюда
следует, что на более высоких уровнях организации возрастает цен­
ность содержащейся в их элементах информации по сравнению
с первоначальной информацией низшего уровня. Это уменьшение
информации 1-го низшего уровня можно заменить уменьшением
числа элементов следующего уровня. Тем самым ценность элемента
информационного сообщения на более высоком уровне повышается
по сравнению с низшим, что может быть определено как повышение
степени незаменимости этого элемента.
1.4.4. Рецепция и возникновение информации
Результаты приведенных расчетов, основанных на представле­
ниях теории информации, подтверждают сделанный выше вывод о
том, что специфика информационных процессов в биологии опреде­
ляется не повышенной информационной емкостью молекулярных
структур, а особенностями самих информационных процессов. Речь
идет о характеристиках процессов рецепции, запоминания и переда­
чи информации другим акцепторным системам организма.
Основным условием восприятия информации является способ­
ность рецепторной системы переходить в одно из возможных устой­
чивых состояний вследствие полученной информации. Иными сло­
нами, информационная система должна быть мулътистационарной, а
число устойчивых стационарных состояний N определяет информа­
ционную емкость системы, т. е. максимальное количество информа­
ции 1тш, которое система может акцептировать:
/ max=1Og2Ar-
(1.124)
62
Биофизика
Принципиальное различие формул (1.120) и (1.124) состоит
в том, что в ( 1 . 120 ) характеристика микросостояний w включает
мгновенные значения координат и импульсов всех атомов системы.
Информация, связанная с w, называется микроинформацией I mic,
и именно для нее выполняется принцип Бриллюэна эквивалентности
информации и физической энтропии:
= I Z = lo g 2 w; S . + I mic =
=/ £ ,
(1.125)
где S =iS,(&lg2)~1 - энтропия, выраженная в битах. В такой сис­
теме, однако, информация не может запоминаться и храниться
сколько-нибудь длительное время, поскольку, попав в любое из
микросостояний, система тут же выйдет из него в результате неус­
тойчивости.
Между тем, в биологии особую важность приобретает запоми­
нание и хранение информации в молекулярных системах, обладающих
макроскопическими размерами, где при нормальных температурах теп­
ловые флуктуации вызывают неустойчивость микроскопических дви­
жений. Поэтому для рецепции, запоминания и хранения информации
необходимо произвести определенную работу, за счет которой система
перейдет в одно из устойчивых состояний, потеряв часть энергии в про­
цессах диссипации. В результате затраты энергии повысится энтропия
всей системы на величину, превышающую количество запомненной
информации. Таким образом, информационные системы обладают дис­
сипативными свойствами, за счет которых происходит переход на вы­
деленные детерминистские степени свободы, сохраняющие свои значе­
ния в течение длительного времени. Именно здесь и осуществляется
превращение микроинформации (/ mic) в макроинформацию (/ тас), ко­
торую система запоминает и затем может передать другим акцептор­
ным системам. В реальных информационных системах характерное
время запоминания зависит от их конструкции, температуры и свобод­
ной энергии.
Таким образом, информационная система должна включать
статистическую и динамическую подсистемы. С ними соответствен­
но связаны термодинамическая энтропия как мера множества незапо-
1 1 шва 1. Термодинамика биологических процессов
63
мииаемых системой микросостояний и макроинформация как мера
множества тех состояний, о пребывании в которой система должна
помнить.
Принцип запоминания «случайного выбора» лежит в основе
возникновения биологической информации. Но организм может от(шрать информацию, необходимую для его жизнедеятельности, из
внешней среды. Это достигается соответствующим устройством ре­
цепторных систем, которые пропускают только ценную информа­
цию и предотвращают ненужные ответные реакции организма, не
пропуская информацию, лишенную для него ценности.
Глава 2. БИОФ И ЗИ КА
К ЛЕТО ЧН Ы Х МЕМБРАН
2.1. Структура, свойства и функции
биологических мембран
Термин мембрана используют в биологии более века, обозначая
им клеточную границу, которой свойственна полупроницаемость (лег­
кость проникновения сквозь нее одних веществ при невозможности
преодоления ее другими). В 1851 г. физиолог X. Моль описал плазмолиз
растительных клеток и предположил, что клеточным стенкам присущи
свойства мембран. Ботаник К. Негели (1855) выделил из этих свойств
полупроницаемость в качестве главного условия поддержания норма­
льного осмотического давления внутри клеток. В 1877 г. В. Пфеффер
опубликовал фундаментальный труд «Исследования осмоса», в кото­
ром создал умозрительную модель клеточной мембраны, подметив
структурное сходство между клетками и осмометрами, имеющими ис­
кусственные полупроницаемые мембраны. Представления о мембране
как непременном и важнейшем компоненте клетки не случайно разви­
вались в прошлом веке ботаниками, а не исследователями животного
мира. Под микроскопом хорошо была видна стенка растительной клет­
ки, тогда как оболочку животной клетки увидеть не удавалось. Некото­
рые ученые (например, К. Бернар) предполагали, что она существует, но
большинству исследователей клетки животных представлялись в виде
«комочков живого вещества», не имеющих оболочки.
Электронная микроскопия развеяла заблуждения. При доста­
точном увеличении стали видны не только клеточные стенки расте­
ний, но и истинные наружные мембраны растительных и животных
клеток (рис. 2.1). Каждая клетка окружена наружной оболочкой, ко­
торую называют плазматической мембраной (плазмолеммой, цито­
леммой). Ей придают первостепенное значение в организации жизни:
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
65
10 мкм
Рис. 2.1. Схема строения клетки, реконструированная по данным электронной
микроскопии. Слева - клетка животных, справа - клетка растений, в верхнем
углу - бактерия (Б) и вирус (В), обладающий липопротеидной оболочкой
Обозначения: 1 - плазматическая мембрана: 2 -м ем бр а н а мезосомы;
3 клеточная стенка; 4 - оболочка вируса; 5 - нуклеотид; 6 - митохондрии;
■ шероховатая эндоплазматическая сеть; 8 - гладкая эндоплазматическая сеть;
V комплекс Гольджи; 10 - лизосома; 11 - ядро; 12 —тонопласт; 13 - вакуоль;
14 - хлоропласт
«...только после образования мембраны вокруг всей клетки мы дейг Iннтсльно имеем то, что с полным правом может быть названо орга­
низмом» (Дж. Бернал, 1968).
Вместе с тем и цитоплазма буквально «нафарширована» мембрииами, так как каждый клеточный органоид окружен своей оболоч­
кой. В середине XX века клетку стали воспринимать как обширную
| с м» мембранных систем, составляющих важнейший элемент клеточ­
ной организации. Соотношение между плазмолеммой и внутриклеIочными мембранами неодинаково в разных клетках. Так, в клетках
66
Биофизика
хрусталика глаза нет других мембран, кроме плазматической, тогда
как в печеночных клетках (гепатоцитах) ее площадь составляет всего
6,5% поверхности, образуемой всеми мембранами клетки.
Суммарная масса внутриклеточных мембран достигает 2/3 об­
щей массы обезвоженной клетки. Эти мембраны образуют огромную
поверхность. Так, печень крысы, имеющая массу около 6 г, обладает
столь обширной сетью внутриклеточных мембран, что их суммарная
площадь достигает тысячи квадратных метров. Немало органов,
в клетках которых этот показатель еще более впечатляющий. Замече­
но, что по мере увеличения отношения суммарной площади мембран
к объему клетки повышается интенсивность обменных процессов
в ней. Наибольшей мембранной поверхностью обладают клетки с ин­
тенсивным метаболизмом.
2.1.1. Структурно-молекулярная организация
биологических мембран
2.1.1.1. Электронная микроскопия
Электронная микроскопия нативных клеточных мембран не по­
зволяет их увидеть, так как они состоят из тех же химических элемен­
тов, что и цитоплазма. Для получения четкой электронограммы клетки
ее мембраны контрастируют, осаждая на них вольфрам, осмий и дру­
гие элементы, которые хорошо поглощают и рассеивают электроны.
На таких препаратах любая биомембрана (БМ) выглядит трехслойной:
между парой темных полос расположено светлое пространство
(рис. 2.2). Следовательно, компоненты промежуточной (средней) час­
ти БМ слабо связывают металлы, входящие в состав «электронных
красителей». Суммарная толщина трехслойной структуры варьирует
от 7 до 15 нм, причем разная величина присуща различным клеточным
мембранам. Во многих из них наблюдается асимметрия трехслойной
организации: темные полосы различаются по ширине и плотности.
Асимметричное строение большинства БМ продемонстрировано осо­
бенно наглядно посредством своеобразного приема электронной мик­
роскопии - метода замораживания-скалывания, о котором будет рас­
сказано ниже.
67
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
10 нм
10 нм
Рис. 2.2. Трехслойное изображение биомембраны на электронограмме
Более детальные сведения о молекулярной структуре клеточ­
ных мембран получены методами рентгеноструктурного и рентге­
носпектрального анализов, электронного парамагнитного и ядерного
магнитного резонанса (ЭПР и ЯМР), люминесцентного анализа, диф­
ференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК) и др.
Все клеточные мембраны построены в основном из липидов,
Целков и углеводов, причем последние образуют соединения с белка­
ми (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды). Органические вещес Iна образуют соли с различными ионами, которые вместе с тем при­
сутствуют в виде водных растворов внутри мембранных каналов.
2.1.1.2. Мембранные липиды
Структурной основой БМ служит липидный бимолекулярный
г иш. Его образование обусловлено особенностями взаимодействия
с иодой мембранных липидов. На их долю приходится от 15 до 50%
сухой массы разных клеточных мембран. Мембранные липиды отно­
си гея к трем основным классам: 1 ) фосфолипидам, 2 ) гликолипидам
и 3) стероидам. Среди них преобладают фосфолипиды (ФЛ), в моле­
куле которых условно выделяют три части (рис. 2.3.): головку, тело
(шейку) и хвосты (в большинстве мембранных ФЛ их два). Площадь
участка, занимаемого головкой, составляет 0,6 нм2, а на хвосты причодится 0,2-0,3 нм2. Вертикальный размер головки не превышает 1/4
68
Биофизика
Рис. 2.3. Схема фосфолипида:
1 - полярная (гидрофильная) часть; 2 - неполярная (гидрофобная) часть
длины всей молекулы. Головки разных ФЛ образованы азотистыми
(этаноламин, холин) или безазотистыми (серии, инозин, треонин)
основаниями. Им присуща довольно высокая степень полярности.
Посредством ортофосфорной кислоты головка соединяется
с телом, которое представляет собой один из двух многоатомных
спиртов: глицерин или сфингозин (ненасыщенный аминоспирт).
В зависимости от спирта, составляющего тело, все ФЛ подразделя­
ются на глицерофосфатиды (глицерофосфолипиды) и сфингофосфолипиды.
К глицерину или сфингозину присоединяются хвосты - непо­
лярные СН-цепи жирных кислот, содержащие от 14 до 24 атомов уг­
лерода. У двуцепочечных фосфолипидов один из хвостов представ­
лен насыщенной, а второй - ненасыщенной кислотой. К первым
относятся стеариновая (18:0)\ пальмитиновая (16:0), миристиновая
(14:0), а ко вторым - олеиновая (18:1), линолевая (18:2), линоленовая
(18:3), арахидоновая (20:4), докозогексаеновая (22:6) кислоты. За
счет разной комбинации перечисленных компонентов существуют
десятки различных фосфолипидов. Из них в биологических мембра­
нах чаще встречаются фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин
1 18 - число атомов С в жирнокислотной цепи, 0 - число двойных связей
между атомами С.
1 1 шва 2. Биофизика клеточных мембран
69
Рис. 2.4. Структурные формулы мембранных липидов
а - фосфатидилэтаноламин; б - фосфатидилсерин;
в - фосфатидилхолин (лецитин); г - кардиолипин; д-холест ери н
(нецитин), сфингомиелин, фосфатидилинозитол, дифосфатидилглицерин (кардиолипин), фосфатидилсерин.
Для лучшего понимания структурной организации молекулы
•Ml рассмотрим схему строения глицерофосфолипидов. Их тело (шей­
ку) образует трехатомный спирт глицерин, у которого две гидроксиль­
ные группы этерифицированы жирными кислотами, причем первая
<>11-группа обычно этерифицирована насыщенной, а вторая - ненасы­
щенной жирными кислотами, третья гидроксильная группа образует
г ножную эфирную связь с ортофосфорной кислотой (Н3Р 04), соединя­
ющей тело с головкой - один из атомов кислорода фосфорной кислоii.i связан с определенным азотистым (или безазотистым) основанием.
И молекуле лецитина (рис. 2.4) головкой служит холин, соединяю­
щийся ортофосфатом с глицерином (телом), который через гидроксил
и первом положении связан с насыщенной жирной кислотой (стеари­
новой), а через гидроксил во втором положении - с ненасыщенной
(онеиновой).
Важнейшее физико-химическое свойство фосфолипидов - амфофнльность (амфопатичность) за счет гидрофильности головки
и Iидрофобности жирнокислотных хвостов. Благодаря этому в воде
70
Биофизика
Рис. 2.5. Бимолекулярный фосфолипидный слой
при соблюдении определенных условий молекулы фосфолипидов са­
мопроизвольно выстраиваются так, что их гидрофобные углеводо­
родные цепи оказываются укрытыми от воды, а полярные головки
вступают во взаимодействие с нею. В результате при агрегации мо­
лекул создается конструкция, поперечник которой включает две мо­
лекулы фосфолипидов, повернутых друг к другу жирнокислотными
хвостами и обращенных к обеим наружным поверхностям гидрофи­
льными головками (рис. 2.5). Так образуется довольно устойчивая
динамическая структура - сплошной бимолекулярный фосфолипид­
ный слой (бислой), который и служит своеобразным каркасом биоло­
гической мембраны. Для создания 1 м2 такой поверхности хватает
1 мг липида. На каждом 1 мкм2 клеточной мембраны сосредоточено
примерно 4 • 106 липидных молекул (по 2 миллиона в каждом из мо­
нослоев бислойной структуры).
Способность формировать в водной среде бимолекулярный
слой присуща разным ФЛ в неодинаковой степени. Она наиболее вы­
ражена у фосфатидилхолина (лецитина), который в обширном диапа­
зоне температур и ионных концентраций существует в водной среде
непременно в виде бислоя. К тому же в его присутствии и у других
фосфолипидов эта способность усиливается.
Лецитин образуется из фосфатидилэтаноламина посредством
метилирования азота в азотистом основании, образующем головку
(рис. 2.6). Этот процесс произошел у эукариот около 100 миллионов
71
I / шва 2. Биофизика клеточных мембран
н
I
I
■С— N +— Н
н
<рн3
— С — N +— СН,
СН,
Рис. 2.6. Метилирование фосфатидилэтаноламина с образованием лецитина
пе г назад и обеспечил важную ступень эволюции биосферы. Упоря­
доченность молекулярной организации биологической мембраны со­
здастся без каких-либо управляющих воздействий - вследствие гид­
рофобного взаимодействия молекул ФЛ. Можно сказать, что вода
принуждает фосфолипиды образовывать упорядоченную структуру.
Плотность упаковки ФЛ в липидном каркасе зависит от того,
какие жирные кислоты входят в состав фосфолипида - чем больше
двойных связей между атомами углерода в СН-цепях, тем больше
промежуток между соседними молекулами в мембранном каркасе,
чго, в свою очередь, уменьшает его жесткость и усиливает проницае­
мость мембраны для веществ.
Вместе с тем на плотность упаковки фосфолипидов влияет хоигтерин - стероид, в молекуле которого четыре кольца: три 6 -членммх и одно 5-членное. Крайнее из шестичленных колец соединено
г гидроксильной группой и служит гидрофильной головкой молекуцм. К наиболее удаленному от головки пятичленному кольцу присое­
динена углеводородная цепочка, содержащая 8 атомов углерода. Хонеетсрин способен встраиваться в фосфолипидный бислой клеточной
мембраны (рис. 2.7). При этом мембрана уплотняется.
По мере повышения содержания в БМ холестерина площадь,
inнимаемая фосфолипидами, сокращается до того, пока на 1 молекуиу холестерина будет приходиться 2 молекулы фосфолипида. Эффект
сокращения площади, приходящейся на молекулу фосфолипида, обуI ловлен тем, что изменяется наклон его углеводородных цепей к по­
верхности бислоя. По мере увеличения содержания холестерина в БМ
ими стремятся встать перпендикулярно мембранной поверхности,
в результате чего укладка фосфолипидов приобретает большую комник гность, и мембрана уплотняется. Она становится более вязкой
и менее проницаемой для многих веществ. Обычно это соотношение
72
Биофизика
СНз
СН2'
сн2; СН2
сн2; СН2
СН2 СНз
СН2С
гСНз
сн2; СН2 СН ^
сн2: СН2 C H 2^ C H l
С И > ^
СН3^
сн2^ сш
СН2> с т - >СН2
о=с >СН2 СНз '
0 _ск о^ сн 2\ - с < °
^ сн 2
/ Нг
--“
-------------------------- 0 .1 ч -------- -0 -----------------------/ р ч
Фосфолипид О ч.
О Холестерин
С Н < С^ С Н 3
^N<CH 3
+ СНз
Рис. 2.7. Холестерин в биомембране
меньше, чем 1:2. Так, на 1 моль ФЛ в плазмолемме эритроцита прихо­
дится 0,37, а во внутренней митохондриальной мембране - 0,03 моля
холестерина. В одной из самых «жидких» биологических мембран фоторецепторной на 1 молекулу холестерина приходится 15 молекул
фосфолипидов.
Содержание холестерина в клеточных мембранах зависит от об­
щего холестеринового обмена в организме, подверженного сильному
влиянию пищевого рациона. Добавление к искусственной липидной
мембране компонентов клеточных мембран, взятых у животных, в пи­
ще которых долгое время поддерживается избыток холестерина, рез­
ко повышает степень ее жесткости и уменьшает проницаемость.
Третий класс мембранных липидов - гликолипиды - играет
важную роль в предотвращении слипания соседних клеток. Эти ли­
пиды обеспечивают существование на клеточной поверхности отри­
цательных электрических зарядов, создающих электростатическое
отталкивание. Однако при избыточном содержании гликолипидов
(например, ганглиозидов) в плазматических мембранах клетки слиш­
ком сильно разобщаются и настолько отодвигаются друг от друга,
что информационное взаимодействие нарушается.
73
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
Таблица 2.1
Липидный состав биологических мембран (в%)
Мембраны животны х клеток
Мембранные
липиды
Миелиновая
оболочка
Внутренняя ми­
Плазмолемма
тохондриальная
эритроцита
мембрана
Мембрана
бактерии
(Е. coli)
Холестерин
25
25
5
0
Фосфатидилманоламин
14
20
28
100
Фосфатидилсерин
7
11
0
0
Фосфатидилхолин
11
23
48
0
Фосфатидилинозит
0
2
8
0
Сфингомиелин
6
18
0
0
21
0
0
0
1(ереброзид
Установлены значительные различия липидного состава раз­
ных биологических мембран (табл. 2.1). Кроме сведений, представиснных в этой таблице, полезно иметь в виду данные о липидном со­
ставе различных мембран крысиных гепатоцитов. Фофолипиды
вставляют около 60% липидного каркаса плазмолеммы и аппарата
I ольджи, 85% мембранных липидов ядер и эндоплазматической сети,
(юлее 90% липидов внутренней митохондриальной мембраны. Гликолипиды присутствуют только в плазмолемме. Более того, одна и та
же мембрана содержит различные липиды в каждой половине липид­
ною бислоя. В связи с этим обстоятельством говорят о гетерогенноi Iи липидного состава биологических мембран.
Однако избыточное поступление в организм человека и животных фосфолипазы А2, например, при укусах некоторых ядовитых
1мсй, приводит к столь сильному разрушению клеточных мембран,
что оно становится не совместимым с жизнью. Попутно заметим, что
другой фермент, влияющий на фосфолипиды, - фосфолипаза С, вы­
деляемая некоторыми микроорганизмами (в частности холерным
иибрионом), разрушает липидный каркас клеточных мембран, «откуеыная» полярные головки фосфолипидов.
Важные сведения получены при исследовании липидного стаIуса плазмолеммы раковой клетки. Оказалось, что при малигнизации
и мембране не образуются какие-то новые липиды. Однако фосфоли-
74
Биофизика
пидные спектры двух половин бислоя становятся более однородными
(эффект выравнивания фосфолипидных спектров). К глицеролу нена­
сыщенные жирные кислоты присоединяются в первом, а не во втором
положении, а насыщенные - во втором. Следствием этого является,
во-первых, повышение жесткости клеточных мембран и ухудшение
их проницаемости, а, во-вторых, нарушение синтеза простагландинов, поскольку фосфолипаза А 2 не может расщеплять арахидоновую
кислоту, присоединенную к глицеролу в первом положении.
Нарушение фосфолипидного состава плазмолеммы при малигнизации измененяет активность многих мембранных ферментов, что
приводит к существенным сдвигам метаболизма. Наконец, повыше­
ние содержания ганглиозидов в плазмолемме усиливает ее отрицате­
льный заряд, вследствие чего клетки разобщаются, и каждая из них
начинает жить сама по себе, а не в ладу с соседями.
2.1.1.3. Мембранные белки
В липидный каркас клеточной мембраны встроены ее белковые
компоненты (протеины). На клетку приходится в среднем 10 пг мемб­
ранных протеинов. Различают периферические и собственные (ин­
тегральные) белки биомембран. Белки первого типа расположены на
поверхности липидного бислоя. Связь между липидными и белковы­
ми молекулами осуществляется здесь электростатическим взаимо­
действием между противоположными полюсами полярных групп
этих веществ. Мембранные протеины второго типа взаимодействуют
своими гидрофобными участками с углеводородными цепочками ли­
пидов за счет ван-дер-ваальсовых сил. Из-за большой прочности та­
ких связей интегральный белок можно выделить из БМ только при
разрушении липидного бислоя. Следовательно, собственные белки
являются жирорастворимыми. Это «антибелок», по образному выра­
жению Ю.А. Овчинникова, так как у интегрального протеина, в отли­
чие от водного раствора белка, все гидрофильные области спрятаны
внутри молекулы, а наружу направлены неполярные группы. Поэто­
му собственные белки погружены в липидный слой БМ полностью
или частично, причем крупные белковые молекулы пронизывают его
насквозь. В этом случае с одной молекулой протеина непосредствен­
но взаимодействует огромное количество липидных молекул.
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
75
Первичная структура мембранных белков. Все белки постR \ c ^NH2
росны из 20 аминокислот. Им присуща общая структура:
^ соон ,
а различия определяются радикалом (R). Например, в глицине R - атом
иодорода (Н), в аланине - метальная группа (СН3). В других аминокиспотах R имеет более сложную структуру (с большей массой). Поэтому
средняя молекулярная масса аминокислотного остатка в молекуле бел­
ка около 120 Да1.
Генетические коды всех аминокислот хранятся в ДНК. В 1961 г.
расшифровали код фенилаланина, а к 1963 г. - коды всех аминокислот.
14 аминокислотных остатков в молекуле белка электронейтраш.ны, но обладают неодинаковой степенью полярности. Она высока
V глицила и аланила (дипольный момент 12-15 D2). 3 аминокислот­
ных остатка (аспартил, глутамил, тирозил) обладают свойствами
аниона, а другие 3 (гистидил, лизил, аргинил) - свойствами катиона.
' )лсктрические свойства аминокислотных остатков предопределяют
многое в поведении мембранных белков, в частности от них зависят
игоричная, третичная и четвертичная их структуры.
Первичная структура белка (полипептидная цепь), представля­
ющая собой последовательность аминокислотных остатков в белкоиой молекуле3, формируется путем поликонденсации аминокислот
i образованием между ними пептидных (амидных) связей. Все ато­
мы (Н, N, С, О), участвующие в пептидной связи, лежат в одной
пноскости, следовательно, она имеет плоское строение. Атомы азота
1 1 Да - 1 дальтон - единица измерения молекулярной массы: 1 Да = 1 а.е.м. =
1,66 • КГ27 кг.
2 1 D - 1 дебай - единица измерения дипольного момента: 1 D = 0,33 • 10 _29 Кл • м.
II пнбораторных исследованиях мерой полярности, а следовательно, гидрофильноI in, служит изменение свободной энергии, приходящейся на радикал аминокислоты
мри переносе ее из этилового спирта в воду. У молекулы воды - вещества с сильной
ммимрностью - дипольный момент составляет 1,84 D, у неполярных веществ (СОг,
и»1|пол) - на 5 -6 порядков меньше. Вещества, молекулы которых обладают высоким
•школьным моментом, имеют большую диэлектрическую проницаемость (е).
3 При соединении в полипептидную цепь менее 100 аминокислотных остат­
ний принято говорить о полипептиде, тогда как белком считается молекула, содерф и щ и я более 1 0 0 аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
76
Биофизика
и углерода соединены ковалентной связью, и ее энергия составляет
336 кДж • моль-1. Это минимальная энергия, достаточная для разры­
ва пептидной связи.
Первичная структура установлена для многих сотен белков,
включая и мембранные. Она определяет биологическое функциони­
рование белка. Вместе с тем функции белковой молекулы зависят
также от ее вторичной, третичной и четвертичной структур.
Вторичная, третичная, четвертичная структуры мембран­
ных белков. Из-за плоского строения каждой пептидной связи плос­
кая конформация1 всей полипептидной цепи не стабильна. В таком
виде первичная структура белка напряжена и потому полная энергия
цепи отнюдь не минимальна, а именно минимум энергии определяет
стабильность конформации белковой молекулы.
Наибольшей стабильностью полипептидная цепь обладает при
двух способах укладки аминокислотных остатков. Им соответствуют
два типа вторичной структуры белка: а-спираль и Р-складчатость
(Р-спираль). Такие конформации образуются за счет нековалентных
связей, а также гидрофобного взаимодействия между боковыми
группами аминокислотных остатков, принадлежащих белковой мо­
лекуле. Они в 10-20 раз слабее ковалентных связей - их энергия на­
ходится в диапазоне 15-30 кДж • моль-1.
Гидрофобные группы аминокислотных остатков белковой мо­
лекулы при встраивании ее в липидный каркас биологической мемб­
раны стремятся собраться на поверхности белка, а гидрофильные
(полярные) «прячутся» внутри молекулы. Если полярность таких ами­
нокислотных остатков достаточно высока, то полипептидная цепь
свертывается в р-складчатость с образованием внутри поры, заполнен­
ной водой, с которой взаимодействуют гидрофильные аминокислот­
ные остатки. Так белки образуют каналы в биологических мембранах.
Другой тип вторичной структуры белка - а-спираль располага­
ется в плоскости биологической мембраны, причем на каждое пеп­
тидное звено приходится поворот полипептидной цепи на 100 ° отно1 Конформацией называют определенный вариант взаимной ориентации ато­
мов в пространстве молекулы.
/ лава 2. Биофизика клеточных мембран
77
Рис, 2,8, Схема расположения молекулы родопсина в биологической мембране
(а-спираль, пронизывающая 7 р а з фосфолипидный каркас)
п цельно нормали к мембранной поверхности и перемещение вдоль
оси молекулы на 0,15 нм. Если вспомнить, что толщина биологиче­
ской мембраны порядка 10 им, то нетрудно представить себе, как
крупный белок, имеющий вторичную структуру а-спирали, несколь­
ко раз пронизывает мембрану. Например, молекула родопсина дела­
ет п о 7 раз - говорят, что она образует в фоторецепторной мембране
(мембране диска палочки в сетчатке глаза) 7 столбов (рис. 2.8).
Вместе с тем а-спирали и Р-складчатости в белковой молекуле
перемежаются участками с неупорядоченным расположением поли­
ции идиой цени. В них имеются вакансии для образования дополнии'ныгых связей, прежде всего за счет гидрофобных взаимодействий.
При реализации такой возможности молекула сворачивается в глобуIV становится шарообразной, приобретая третичную структуру.
( >ил характерна для ферментов.
Кроме того, отдельные белковые глобулы могут объединяться
между собой в белковые комплексы, образуя четвертичную струк­
туру белка. Она присуща многим мембранным белкам.
Механизмы образования третичной и четвертичной структур
не 1| ка можно представить себе в соответствии с гипотезой Фишера.
< п1 иасно ей, если число гидрофильных участков в вакантных боковых
• руинах полипептидиой цепи достаточно, чтобы покрыть всю поверхIик' 11»сферического гидрофобного ядра, сформированного при обраимшпии вторичной структуры, то в водной среде глобула (третичная
78
Биофизика
структура) имеет форму сферы. Если гидрофильных участков больше,
то глобула - эллипсоид, а при их недостатке относительно ядра от­
дельные глобулы слипаются между собой и образуют четвертичную
структуру. На самом деле образование третичной и четвертичной
структур происходит сложнее - прежде всего потому, что у разных
аминокислотных остатков неодинакова степень гидрофильности.
Каждый тип белка образует в клеточной мембране только одну
из возможных форм, поскольку в ходе эволюции отбирается такая
структура каждого белка, у которой при данной конформации достига­
ется максимум боковых связей. Дело в том, что единичная нековалент­
ная связь слишком слаба (15-30 кДж • моль-1), чтобы противостоять
броуновскому движению молекул. Только за счет образования боль­
шого количества слабых связей между частями белковой молекулы
или комплексами белков они образуют стабильную молекулярную
структуру.
Механизм функционирования мембранных белков. Син­
фазное образование большого количества слабых связей между мо­
лекулой мембранного белка с взаимодействующими с ней другими
молекулами (как в мембране, так и на мембранной поверхности) яв­
ляется необходимым условием такого взаимодействия и, следова­
тельно, функционирования белковых компонентов биологической
мембраны.
Взаимодействующие молекулы должны войти в тесное сопри­
косновение, а для этого их поверхностям необходимо скрепиться.
Чтобы скрепить поверхности двух молекул, нужно достичь их точно­
го соответствия в пространстве - только тогда может быть обеспечено
условие образования многих слабых связей между ними. Взаимодей­
ствие белковой молекулы с другими веществами определяет химиче­
ские реакции, в которые вступает данный белок. Поэтому химические
свойства мембранного белка определяются главным образом теми
аминокислотными остатками, которые находятся (экспонированы) на
его поверхности. Они образуют активный центр (центр связывания)
белковой молекулы.
В активном центре аминокислотные остатки расположены
строго упорядоченно, причем они обычно принадлежат удаленным
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
19
друг от друга участкам первичной структуры (полипептидной цепи)
п составляют небольшую часть белковой молекулы. Ее остальная
часть образует своеобразный каркас, обеспечивающий нужную фор­
му поверхности активного центра белка.
Свойства активного центра зависят от того, какие аминокис­
лотные остатки его образуют, а также от их пространственной орга­
низации. Этим определяется стереоспецифичность активного центра.
( 1 данным белком могут взаимодействовать только те вещества, ко­
торые по стереоструктуре полностью или своими частями соответстнуют его активному центру (говорят, конгруэнтны ему). Конгруэнт­
ность обеспечивает оптимальную величину энергии взаимодействия
молекул.
Активный центр образован преимущественно неполярными
лминокислотными остатками. Поэтому среда активного центра имеет
малую диэлектрическую проницаемость (е). То же присуще и силь­
ным органическим растворителям, чем они отличаются от воды, обла­
дающей высоким дипольным моментом и, следовательно, большой е.
1а счет малой е органические растворители гораздо слабее воды экра­
нируют электрические заряды взаимодействующих веществ и обеспе­
чивают возможность их электростатического взаимодействия.
Согласно гипотезе М.Ф. Перутца, удостоенного в 1962 г. Но­
белевской премии «за исследования структуры глобулярных бел­
ков», активный центр белковой молекулы, имея слабую полярность,
обеспечивает ее «эквивалентом сильного органического растворите||и», благодаря чему создает условия для лучшего взаимодействия
с другими веществами, причем строгая локализация и небольшие
размеры (укромность) активного центра ограничивают область дей­
ствия такого сильного «растворителя», и он не разъедает биологиче­
ские молекулы вокруг себя. Вместе с тем электростатическое взаи­
модействие белка с другими веществами вносит основной вклад
и преодоление потенциального барьера химических реакций фер­
мента с субстратом, а также мембранного переносчика с транспоршрусмым через мембрану веществом и мембранного рецептора
с его химическим стимулом (гормоном или другим физиологически
активным веществом).
80
Биофизика
Функции мембранных белков довольно разнообразны. Во-пер­
вых, они обеспечивают транспорт гидрофильных веществ через био­
логические мембраны посредством двух механизмов: работая пере­
носчиком или образуя в мембране канал (со вторичной структурой
типа (3-складчатости). Следует отметить обязательное участие белков
в системах активного транспорта. Во-вторых, протеины биологиче­
ских мембран служат катализаторами химических реакций, причем
ферменты, встроенные в биомембраны, как правило, активнее ката­
лизаторов в растворе. Установлено, что большая часть всех биохими­
ческих реакций в организме животных и человека протекает на кле­
точных мембранах. К примеру, плазмолемма печеночной клетки
(гепатоцита) содержит более 20 различных ферментов. Во внутрикле­
точных мембранах их содержание еще богаче. Изучение биомембран
как пористых катализаторов явилось одним из эффективных направ­
лений бионики в целях разработки технологических процессов, ана­
логичных биомембранным химическим реакциям.
В-третьих, все мембранные протеины усиливают прочность
липидного каркаса и тем самым выполняют функцию структурного
компонента биомембраны.
В-четвертых, белки клеточных мембран несут рецепторную
функцию. Они столь же разнообразны, сколь разнообразны стимулы,
воспринимаемые рецепторными белками. Так, восприятие света обес­
печивается пигментами, в составе которых наряду с белком присутству­
ют те или иные хромофорные группы с определенными спектрами по­
глощения. Таким пигментом является, к примеру, родопсин, который
обеспечивает реакции на свет палочек - светочувствительных клеток
сетчатки глаза. Многие белки-рецепторы ответственны за восприятие
химических агентов. В основе функционирования такого белка-химиорецептора лежит прежде всего стереохимическое взаимодействие с со­
ответствующим химическим веществом. Мембранные белки-химиорецепторы обеспечивают обонятельную и отчасти вкусовую рецепцию,
будучи сосредоточены в плазмолемме химиочувствительных клеток
соответствующих органов чувств. Вместе с тем значение белков-рецеп­
торов не ограничивается участием в функционировании органов
чувств. Они участвуют в синаптической передаче сигналов, присутст­
вуют в мембранах любой клетки, осуществляя как ее взаимодействие с
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
81
интерстицием (межклеточной средой), так и обмен информацией меж­
ду органоидами внутри отдельной клетки. К рецепторам относятся ан­
титела, способные связывать специфический антиген (определенный
мембранный белок бактерии, токсин и т. и.) и вызывать иммунный от­
вет клетки, в плазмолемме которой они сосредоточены.
В различных биомембранах белки распределены среди липидов
по-разному. В плазмолемме их распределение довольно равномерное.
Для специализированных внутриклеточных мембран характерно су­
ществование участков с высокой концентрацией особых белков и даже
ансамблей протеиновых молекул со строго упорядоченной последова­
тельностью компонентов. Примером может служить цепь транспорта
электронов во внутренней митохондриальной мембране.
2.1.1.4. Углеводы биологических мембран
В биологических мембранах углеводы присутствуют преиму­
щественно в виде сложных соединений с белками {гликопротеиды) и
липидами {гликолипиды). Они являются теми молекулярными струк­
турами, которые обеспечивают рецепцию вирусов, антигенов, токси­
нов, гормонов и множества других физиологически активных ве­
ществ, у которых выражена стереоспецифичность (специфичность
пространственной структуры молекул). Типом углеводного остатка,
присоединенного к белку плазмолеммы эритроцита, определяется
групповая принадлежность крови человека. У людей с группой кро­
пи I (0) в эритроцитарной плазмолемме присутствует так называе­
мый Н-антиген (гликопротеид определенной структуры). Антиген II
(А) группы отличается от предыдущего только тем, что на конце це­
ни имеет дополнительный остаток аминосахара (N-ацетилгалактозамина). Отличием антигена III (В) группы является присутствие на
этом месте галактозы. У людей с IV (АВ) группой крови к Н-антигену присоединены оба названных остатка.
Белки-рецепторы (точнее гликопротеиды-рецепторы), находя­
щиеся в плазматических мембранах животных и растительных клеток,
обычно содержат только 9 из более чем 100 известных моносахаридов.
I люкоза встречается редко. Весьма распространены галактоза и манноза. Кроме них следует назвать аминосахара (N-ацетилглюкозамин
и N-ацетилгалактозамин), пентозы (арабинозу и ксилозу), нейрамино(.
9843
82
Биофизика
Рис. 2.9. Схема структуры гликофорина и его расположения
в эритроцитарной мембране
вую (сиаловую) кислоту. Эти моносахариды присоединяются к боко­
вым цепям аминокислотных остатков (аспарагила, треонила, серила,
гидроксилизила) и образуют олигосахаридные цепи, включающие не
более 15-20 моносахаридных остатков в одной молекуле гликопроте­
ида (рис. 2.9).
Цепи сильно разветвлены и напоминают ветвящиеся кустики на
поверхности биологической мембраны. Такое гликопротеидное по­
крытие клеточной поверхности называют гликокаликсом. Его разви­
тие неодинаково у клеток, входящих в состав разных тканей. Гликока­
ликсом богаты эпителиальные клетки, например, эпителий кишки,
почечных канальцев и некоторых других органов. За счет гликокаликса, возвышающегося над липидным бислоем на 3-4 нм, клеточные
мембраны достигают максимальной толщины (до 50 нм). На гликокаликсе поддерживается высокий отрицательный электрический потен­
циал относительно межклеточной среды. Он препятствует слипанию
соседних клеток.
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
83
В плазмолемме эпителиальных клеток углеводы составляют до
10 % ее сухой массы, причем олигосахаридные боковые цепи гликоп­
ротеидов и гликолипидов локализованы исключительно в наружной
половине липидного бислоя.
2.1.1.5. Вода и соли в биологических мембранах
Воде принадлежит важная роль в структурировании компонен­
тов биомембраны, поскольку существенным фактором упорядочения
молекул в ней служит межмолекулярное гидрофобное взаимодейст­
вие. Вода стремится вытеснить гидрофобные группы липидов и бел­
ков, нарушающие сеть, которую обычно «плетут» молекулы воды за
счет водородных связей между собой. Вытесняя гидрофобные груп­
пы, вода объединяет их в локальных участках и таким образом сво­
дит к минимуму их влияние на собственную сеть.
Внутри мембранных каналов находится свободная вода, моле­
кулы которой образуют сеть. Кроме того, отдельные (одиночные) моиекулы воды встречаются в углеводородной зоне мембраны, образуя
i идратные оболочки вокруг полярных групп фосфолипидов и белков.
Такая вода называется связанной. И, наконец, между липидными сло­
ями биомембраны может присутствовать в небольшом количестве
гак называемая захваченная вода.
Соли содержатся главным образом в водных растворах, запол­
няющих ионные каналы в клеточных мембранах.
Особенности молекулярной структуры биомембран предопре­
деляют их физические и физико-химические свойства.
2.1.2. Физические и физико-химические свойства
биологических мембран
В живых клетках БМ пребывает в жидкокристаллическом состоя­
нии. В жидком кристалле сочетаются свойства кристалла (дальний поря­
док организации и двулучепреломление) и жидкости (текучесть и обраюнание капель), что приводит к возникновению качественно новых
свойств, о которых пойдет речь ниже. Термин «жидкий кристалл» сущес i пуст в науке с конца XIX века. В 1888 г. ботаник Ф. Райнитцер синтешровал эфир холестерина (холестерилбензоат) и изучил его свойства.
84
Биофизика
Оказалось, что при температуре (Т) ниже 145 °С он был твердым крис­
таллом, при Т> 178 °С - прозрачной жидкостью, а в промежутке меж­
ду этими температурами - мутной жидкостью. В следующем году фи­
зик О. Леман при исследовании мутной жидкости холестерилбензоата
(при 145 °С < Т< 178 °С) в поляризационном микроскопе обнаружил
анизотропию (типичное свойство кристалла) и назвал это промежуточ­
ное (между кристаллом и жидкостью) состояние холестерилбензоата
жидкокристаллическим. Позднее оно было обнаружено у многих ве­
ществ при разных температурах и других параметрах (pH,p osm и т. д.).
Бимолекулярный слой фосфолипидов, образующий биомембра­
ны, в физиологических условиях (при температуре тела, нормальных
pH и ионном составе интерстиция и цитозоля) представляет собой
жидкий кристалл. При понижении температуры и под влиянием ряда
других факторов фосфолипидный каркас биомембран приобретает
свойства твердого (димерного) кристалла, сохраняя бимолекулярную
(в профиле) структуру. В обоих состояниях молекулы фосфолипида
имеют гексагональную упаковку в плоскости биомембраны, но плот­
ность их упаковки различна. Например, молекула лецитина занимает
в твердокристаллическом состоянии поверхность в 0,46-0,48 нм2,
а в жидкокристаллическом - 0,6-0,8 нм2. Следует заметить, что чем
больше двойных связей в ненасыщенных жирных кислотах, входя­
щих в состав фосфолипидов, тем ниже температура, при которой они
становятся твердыми кристаллами.
В физиологических условиях текучесть биологических мембран
уменьшается при повышении в них содержания холестерина, ионов
кальция и магния. Двухвалентные ионы в зависимости от концентра­
ции нейтрализуют в той или иной степени отрицательный заряд на го­
ловках фосфолипидов и ослабляют их взаимное отталкивание, что
приводит к более плотной упаковке молекул в биомембране. Местные
анестетики (новокаин и родственные ему соединения) повышают сте­
пень текучести клеточных мембран, влияя на их жидкокристалличе­
ское состояние. Оно изменяется при росте и развитии клеток, а также
при некоторых патологических состояниях (раке, дистрофиях и др.).
Характерным свойством жидких кристаллов (ЖК) является их
способность к фазовым переходам, т. е. к преобразованию в твердые
кристаллы (ТК) и возвращению в прежнее состояние (ЖК
ТК) при
Гпава 2. Биофизика клеточных мембран
85
определенных условиях. В биологических мембранах фазовые пере­
ходы происходят в физиологических условиях под действием ряда
агентов (раздражителей). Важно, что это может совершиться не во
всем объеме мембраны, а в небольших ее участках (там, где появля­
ются такие агенты).
Фазовый переход представляет собой кооперативный процесс.
Он подчиняется закону «все или ничего»: при плавном (градуальном)
изменении силы раздражителя (S) физико-химические свойства биомембраны (вязкость, энергия активизации и другие) изменяются
скачком. При S < Suop сохраняется жидкокристаллическое состоя­
ние, а при S > S uop небольшой участок биологической мембраны ста­
новится твердым кристаллом. Аналогично совершается обратный
фазовый переход, когда твердая фаза сменяется жидкой (с более низ­
кой вязкостью, в частности). Величина Suop для фазовых переходов
и клеточных мембранах может быть очень малой. Они совершаются,
например, при ничтожных концентрациях (менее 10 ~п моль • л-1) не­
которых физиологически активных веществ и фармакологических
препаратов. Фактические данные о фазовых переходах в клеточных
мембранах оживили давний интерес к гомеопатии.
Фазовый переход: ЖК —>ТК в фосфолипидном каркасе сущестиенно изменяет свойства ферментов, каналов, переносчиков и других
функционально значимых компонентов биомембраны, находящихся
п том ее участке, где совершается кооперативный процесс. Там изме­
няется проницаемость, нарушаются биохимические реакции, рецеп­
торные и другие процессы, которые приводят к сдвигам в физиологи­
ческом состоянии организма. Кстати говоря, самим мембранным
Iюлкам также свойственно жидкокристаллическое состояние, и они
могут испытывать фазовый переход.
Количество молекул, образующих участок биомембраны, где
совершается кооперативный процесс, называется размером коопера­
тивной единицы. В однородной среде он больше, чем в неоднородной.
1»елки и холестерин, встроенные в более или менее однородный фосфолипидный каркас, нарушают его однородность и тем самым умень­
шают размер кооперативной единицы. Так обеспечивается высочай­
шим степень локальности фазовых переходов в клеточных мембранах.
86
Биофизика
Природа жидкокристаллического состояния биомембран обу­
словлена необычайно высокой подвижностью мембранных компо­
нентов.
Подвижность молекулярных компонентов биомембран.
Основными формами молекулярного движения в БМ являются латерольная миграция (перемещение молекул в плоскости мембраны, т. е.
в пределах одной стороны бимолекулярного слоя) и вращение молекул
вокруг собственной оси (например, родопсин вращается вокруг оси,
перпендикулярной плоскости мембраны). Скорости обоих процессов
примерно такие же, как скорость свободной диффузии в вязкой среде.
Большой свободой движения обладают липиды. Среднее время
пребывания фосфолипидной молекулы в данном пункте мембраны
не более 10-7 с. Следовательно, мембранные липиды за счет латера­
льной миграции беспрестанно меняются местами, причем каждая
молекула меняет своих соседей миллион раз в секунду, передвига­
ясь со скоростью 5-10 мкм с-1. В жидкокристаллической структу­
ре молекулярные перемещения совершаются скачками. Между час­
тотой (v) таких перескоков, площадью (S), занимаемой молекулой
в (например, у лецитина S = 0,6-0 ,8 нм2), и средним расстоянием (х ),
проходимым молекулой за время /, установлены следующие соотно­
шения: у=2-УЗ —
Зс=л/4Dt , где D [м2 с-1] - коэффициент латераS
льной миграции (диффузии) молекул. Его величина у мембранных
фосфолипидов достигает (6- 12 ) • 10 -12 м2 • с-1.
Примерно те же значения D характерны и для латеральной миг­
рации некоторых мембранных белков (например, родопсина). Однако у
большинства из них частота перескоков меньше. Так, коэффициент ла­
теральной диффузии антигенов по плазмолемме лимфоцитов не более
10~14 м2 • с-1, что соответствует скорости около 0,2 мкм • с-1. Изучение
подвижности протеинов в БМ осложняется тем, что часть мембранных
белков «заякорена» в определенных местах как гликопротеидами са­
мих мембран, так и цитоплазматическими ультраструктурами (микро­
трубочками, микрофиламентами и т. п.). Есть и такие протеины, кото­
рые строго фиксированы в мембране (например, бактериородопсин
в плазмолемме галобактерии).
Глава 2. Биофизика клеточных мембран
87
Скорость вращательного движения мембранных молекул отно­
сительно нормали к поверхности мембраны довольно велика. Так,
поворот на 1 радиан фосфолипид совершает примерно за 10~9 с, родо­
псин - за 10"6 с, цитохромоксидаза (фермент дыхательной цепи мито­
хондрий) - за 10-4 с. Эта величина называется временем корреляции
вращательного движения.
В отличие от вращения и латеральной миграции, перемещения
молекул поперек мембраны (с одной стороны липидного бислоя на
другую) совершаются очень редко. Такой вид молекулярного движе­
ния называют флип-флоп-перемещениями (или перескоками типа
сальто-мортале). В искусственных мембранах «флип-флоп»-перемещсния липидов происходят не чаще одного раза за несколько часов.
1хть данные, что в БМ частота «флип-флопа» выше, но и там перехо­
ды молекул из слоя в слой совершаются гораздо реже, чем их латера­
льная миграция. Разница в вероятности этих видов молекулярного
движения в клеточных мембранах обеспечивает постоянное поддер­
жание их асимметрии, которая состоит в неодинаковом липидном
н белковом составе их внутренней и наружной сторон.
В плазмолемме всех клеток млекопитающих наружная сторона
насыщена холинфосфатидами (фосфатидилхолин, сфингомиелин),
а внутренняя - аминофосфатидами (фосфатидилэтаноламин, фосфаIидилсерин). По-видимому, вследствие асимметрии липидов в БМ ее
наружная и внутренняя поверхности деформируются в неодинаковой
степени при изменении температуры и под влиянием химических
агентов. В результате таких воздействий может измениться кривизна
клеточной мембраны.
Еще более выражена асимметрия в распределении мембранных
протеинов и углеводов. Внутренняя сторона БМ, как правило, свобод­
на от углеводов. Гликопротеиды сосредоточены преимущественно на
наружной стороне плазмолеммы, обеспечивая рецепторную функ­
цию. Напротив, основная часть ферментов, присущих плазматиче­
ской мембране большинства клеток, встроена во внутреннюю полови­
ну липидного бислоя. Однако из этого правила есть исключения. Так,
наружная сторона плазмолеммы кишечного эпителиоцита, обращен­
ная в полость кишки, богата гидролитическими ферментами, которые
обеспечивают важнейший элемент пищеварительного процесса -
88
Биофизика
пристеночное пищеварение, открытое А.М. Уголевым в середине XX
века и называемое теперь мембранным пищеварением.
Асимметрия клеточных мембран имеет важное значение и в пе­
реносе через них различных веществ. Асимметричная ориентация
белков и липидов, обеспечивающих мембранный транспорт, обу­
словливает векторные свойства биомембраны, т. е. однонаправлен­
ный перенос веществ через нее. Одни вещества (например, глюкоза)
проходят только из полости кишки в кишечный эпителиоцит, но не
идут в противоположном направлении. Продукты выделения транс­
портируются главным образом из клеток наружу.
Приведенные факты хорошо иллюстрируют основную особен­
ность жидкокристаллического состояния - сочетание высокой упоря­
доченности с большой подвижностью молекулярных компонентов
БМ. Диалектика взаимоотношений между этими, казалось бы, трудно
сочетаемыми свойствами состоит в том, что сама лабильность жидких
кристаллов обеспечивает поддержание стабильности образуемых ими
структур в открытой системе при меняющихся условиях ее существо­
вания. Например, на разных стадиях развития клетки ферментный со­
став некоторых ее органоидов (в частности эндоплазматической сети)
должен изменяться. Эти изменения еще более выражены в неблаго­
приятных условиях существования клетки. Приспособление молеку­
лярного состава БМ к таким условиям позволяет клетке сохранить
жизнедеятельность. Говорят, что жидкокристаллическое состояние
клеточных мембран способствует «затуханию беспорядка» в них
вскоре после его возникновения. До сих пор не понято значение недав­
но обнаруженного феномена выравнивания липидного состава мемб­
ран разных типов в некоторых клетках злокачественных опухолей.
Лабильность БМ проявляется не только в значительной по­
движности их молекулярных компонентов, но и в высоких темпах
обновления, оцениваемых временем полужизни каждого из них.
Среднее значение этого показателя различно у белков в разных мем­
бранах: в плазмолемме и мембранах эндоплазматической сети - 50 ч,
в митохондриальных мембранах - 1 1 0 ч, в ядерной мембране - 120 ч.
Липиды также обновляются довольно быстро: у разных фосфолипи­
дов время полужизни колеблется от 15 до 80 ч, а у холестерина - от
24 до 140 ч. Следовательно, в течение жизни клетки ее мембранные
I /шва 2. Биофизика клеточных мембран
89
компоненты многократно обновляются. Однако это не приводит
к замене целых мембранных систем, так как скорости обновления
молекул разных типов в одних и тех же БМ варьируют в широких
пределах.
Данные об изменчивости физико-химических свойств клеточ­
ных мембран позволяют считать их весьма динамичными структура­
ми. Они могут перемещаться, исчезать, возникать вновь. В клетке не­
прерывно происходит своеобразный мембранный обмен.
Биологическим мембранам присущи и такие свойства, как зна­
чительная прочность на разрыв, упругость (эластичность), поверхно­
стное натяжение, вязкость, электрострикция и флексоэлектрический
эффект (способность генерации электрических потенциалов на мем­
бране при ее деформации). Из перечисленных свойств два последних
связаны с наличием поверхностного заряда на БМ.
Поверхностный заряд на клеточной мембране. Поверхност­
ный заряд создается полярными головками фосфолипидов, гликопротсидами (главным образом карбоксильными группами сиаловой
кислоты и аминокислотными остатками), гликолипидами. За счет
чих веществ поверхность БМ заряжена отрицательно. Поверхност­
ный заряд плазмолеммы играет важную роль в межклеточных взаи­
модействиях. Он способствует стабильности мембранных структур,
а также связыванию ионов, находящихся в межклеточной среде. От
поверхностного заряда плазмолеммы зависит ионный состав примембранных слоев межклеточной среды, что оказывает влияние на
многие внутриклеточные обменные процессы.
Существование заряженных групп на БМ приводит к образова­
нию диффузионного двойного электрического слоя, в котором фиксиро­
ванный отрицательный заряд клеточной поверхности уравновешен поножительным зарядом, создаваемым межклеточной средой за счет
ионов. Разность потенциалов между частями двойного электрического
поя называют электрокинетическим потенциалом (или дзета-потенциааом). Это ничто иное, как потенциал внешней поверхности БМ относи1Н1ЫЮинтерстиция. Толщина двойного электрического слоя и величина
тета-потенциала зависят от природы электролита и концентрации его
ионов. При уменьшении концентрации хлорида натрия в межклеточной
i роде в 200 раз толщина двойного слоя возрастает в 5 раз, а дзета-потен­
90
Биофизика
циал связан с этой толщ иной экспоненциальной зависим остью . П ри вы­
сок ой концентрации электролита дзета-потенциал стрем ится к нулю .
К огда в м еж клеточной ср еде п ри сутствую т двухвалентны е катионы , и з­
бы ток полож ительны х зарядов м ож ет стать настолько значительны м,
что дзета-потен циал изм ени т свой знак. С н иж ени е дзета-потенциала и,
тем бол ее, и зм ен ен и е его знака на противополож ны й сопровож дается
слипанием плазм атических м ем бран со сед н и х клеток. Так бы вает при
избы тке Са2+ в м еж клеточной среде, а такж е при перестройках клеточ­
ны х м ем бран, соп ров ож даю щ и хся сдвигам и дзета-потенциала. П о д о б ­
ны й эф ф ект и м еет некоторы е особен н ости у клеток крови (наприм ер,
эритроцитов), у которы х дзета-потенциал м ож ет падать за счет наруш е­
ния н е только солевого, н о и белкового состава кровяной плазмы . Э то
явление л еж и т в осн ов е изм енения скорости оседани я эритроцитов
(С О Э ), изм ерения которой ш ироко использую т в диагностических ц е­
лях. За счет дзета-потен циала и м еет м есто электролиз клеток - в элект­
рическом поле они движ утся к аноду.
Д зет а-п от ен ц и ал , и зм ер ен н ы й на п ов ер х н ост и р азн ы х клеток,
варьи рует от - 1 0 д о - 3 0 м В . Е го вел ичи на сп адает в и н тер сти ц и и
и ц и то зо л е п о эк сп о н ен т е с ув ел и ч ен и ем расстоя н и я от н ар уж н ой
и в н утр ен н ей п о в ер х н о ст ей Б М . Д ля оц ен к и дек р ем ен та (затухан и я)
дзет а -п о т ен ц и а л а сл уж и т так назы ваем ы й радиус экранировки Д е­
бая - р асст оя н и е, на к отор ом п отен ц и ал п адает в е раз. В и н тер сти ц и и
он равен 0 ,8 нм , т. е. составл я ет п р и м ер н о д еся т у ю часть толщ ины
би о м ем бр ан ы . С л едов а тел ьн о, дзет а-п от ен ц и ал д ей ст в у ет на оч ень
м ал ом р асстоя н и и , н о оказы вает су щ ест в ен н о е вли ян ие на разм еры
м еж к л еточ н ы х п р остр ан ств , п р о ти в од ей ств уя си лам при тяж ен ия
В ан -дер -В аал ь са. Н аи м ен ь ш ее р асстоя н и е м еж д у клеткам и составл я ­
ет 1 0 -2 0 нм . П ри таком р асстоя н и и су щ ест в у ет эн ер гети ч еск ая ям а во
в заи м од ей ст в и и к ул о н ов ск и х и ван -дер-в аал ьсов ы х сил. О дн ак о те
ткани, клетки к отор ы х о б л а д а ю т бол ь ш и м дзет а-п от ен ц и ал ом , и м ею т
б о л е е п р отя ж ен н ы е (д о 10 м км ) м еж к л еточ н ы е п р ом еж утк и . В бол ь ­
ш и н ств е тк ан ей п р о св ет м е ж д у клеточ ны м и п ов ер хн остя м и составл я ­
ет от 100 нм д о 1 мкм .
В п осл ед н и е годы дости гн уты нем алы е у сп ех и в и зуч ен и и п ов ер ­
хн о ст н ого заряда как плазм олем м ы , так и внутриклеточны х м ем бран.
О ни связаны п р еж д е в сего с п р и м ен ен и ем специальны х л ю м и н о ф о­
Гпава 2. Биофизика клеточных мембран
91
ров - флуоресцентных зондов, интенсивность свечения которых опре­
деляется величиной мембранного заряда.
Липидная часть БМ обладает свойствами диэлектрика. Диэлек­
трическая проницаемость гидрофобной зоны составляет 2 ,0- 2 ,2 , тог­
да как у гидрофильной зоны она гораздо выше (10-20). Электрическая
емкость полярных головок фосфолипидов достигает 30 мкФ • см*2,
а жирнокислотные хвосты имеют С = 0,5-0,9 мкФ • см~2, причем она
обратно пропорциональна числу атомов углерода в углеводородной
цепи липида. Общая емкость клеточной мембраны не может превос­
ходить наименьшую С ее компонентов, так как они образуют цепь
с последовательным включением конденсаторов. Поэтому электриче­
ская емкость БМ имеет порядок 1 мкФ • см-2.
Благодаря существованию в клеточной мембране заряженных
ipynn ей присуща выраженная электрострищия: по мере повышения
трансмембранной разности потенциалов мембрана сжимается, что
приводит к утончению гидрофобной зоны и, следовательно, к уве­
личению С клеточной мембраны. Возрастание дзета-потенциала со­
провождается увеличением поверхности клетки.
Механические свойства биомембран. Механические свойства
клеточных мембран весьма своеобразны. Величина модуля Юнга
н поперечном направлении достигает 108-1 0 9 Па. Вместе с тем
устойчивость к деформации сдвига примерно на 4 порядка меньше,
('ила, достаточная для разрушения БМ на участке в 1 мкм, оценивает­
ся в 10-11 Н. Основной вклад в механическую прочность клеточной
мембраны вносят белки, о чем свидетельствует сопоставление этих
свойств у нее и искусственной липидной мембраны. Так, модуль
упругости плазмолеммы эритроцита на 1 - 2 порядка больше, чем у ис­
кусственной липидной мембраны. Значительный вклад в повышение
упругости и прочности эритроцитарной мембраны по сравнению
с чисто липидной мембранной структурой вносят не только белки,
встроенные в липидный бислой, но также довольно густая сеть, обра­
зованная мембранными белковыми молекулами и актиновыми нитя­
ми непосредственно под плазмолеммой в цитоплазме.
Вязкость биомембран. Биомембрана как жидкокристалличе­
ская структура с присущей ей текучестью характеризуется определен­
92
Биофизика
н ой в язк остью , которая и зм ер ен а м ет ода м и Э П Р и ди ф ф ер ен ц и ал ь н ой
ск ан и р у ю щ ей м и к р ок ал ор и м етр и и (Д С К ). Р езультаты и зм ер ен и й вяз­
к ости разн ы м и м ет о д а м и совп али . В язк ость Б М составл я ет от 0,0 3 д о
0,1 П а • с ( 3 0 - 1 0 0 м П а • с = 3 0 - 1 0 0 сП ), т. е. в 3 0 -1 0 0 раз бол ь ш е, ч ем у
воды , и п р и м ер н о такая ж е, как у ол и в к ов ого м асла.
П ри и зм ен ен и и тем п ер атур ы , м ол ек ул яр н ого состава и д р у ги х
пар ам етров Б М м ен я ется ее вязкость в сл ед ст в и е в озн и к н овен и я ф а зо ­
в ого п ер еход а : ж и дк и й кристалл —> тверды й кристалл (стр ук тур а в ви­
д е о т н оси т ел ь н о ж ест к и х вы тянуты х пал очек). П ри тем п ер атур е 3 1 0 —
311 °К ф осф ол и п и ды с н ен асы щ ен н ы м и угл ев одор о дн ы м и цепям и
п р ебы ваю т в ж и дк ок р и стал л и ч еск ом со стоя н и и , а при за м ен е на п ол ­
н ость ю н асы щ ен н ы е ц еп и он и о б р а зу ю т дв ум ер н ы й кристалл. Р ег у ­
л ируя м ол ек ул ярн ы й (п р еж д е в сего, ф осф ол и п и дн ы й ) состав к л еточ ­
ны х м ем бр а н , ж и в ой ор ган и зм м о ж ет изм енять и х ф азовы е состоя н и я
при п о ст о я н н о й т ем п ер ат ур е и, нап ротив, сохранять ж и дк ок р и стал л и ­
ч еск ое со ст о я н и е при п о н и ж ен и и тем п ературы . П о с л ед н е е св ой ств ен ­
но бак териям и растен и я м , зам ен я ю щ и м в св ои х клеточ ны х м ем б р а ­
нах н асы щ ен н ы е ли п и ды на н ен асы щ ен н ы е при охл аж ден и и . Так он и
со хр ан я ю т ж и дк ок р и ста л л и ч еск ое со ст оя н и е, а значит, н ор м ал ьн ую
вязкость и зав и ся щ ую от н ее п р он и ц а ем ость м ем бр ан при н и зк ой т ем ­
п ер атур е ок р уж аю щ ей ср еды С м ен а ф о сф ол и п и д н ого состава Б М на
« м ор о зо у ст о й ч и в ы й » п р и сущ а и п ой к и л отер м н ы м ж ивотны м , к ото­
ры е и сп о л ь зу ю т эт о т м еха н и зм для адаптации к х о л о д у . С тр огое п о ­
стоя н ств о тем п ер атур ы тел а гом ой о тер м н ы х ж и в отн ы х и збавл яет и х
от н е о б х о д и м о ст и осущ ествл я ть столь сер ьезн ы е м ол ек ул ярн ы е п ер е­
строй к и св о и х к л еточ н ы х м ем бр ан . И з ск азан н ого сл ед у ет , что одн и м
из важ ны х д о ст о и н ст в гом ой т ер м и и (п остоян ства тем п ературы ) явля­
ется п о ст о я н н о е п о д д ер ж а н и е Б М в ж и дк ок р и стал л и ч еск ом со ст о я ­
н ии, о б есп еч и в а ю щ ем стаби л ьн ость тр ан сп ор та в ещ еств ч ер ез них.
И н т ер есн о , что у п и н гви н ов тем п ер атур а н и ж н и х к он еч н ост ей п адает
в ди стал ь н ом н ап рав лен и й и со от в ет ст в ен н о м ем браны клеток в се б о ­
л ее обо гащ а ю тся н ен асы щ ен н ы м и ж ирны м и ки слотам и (в тканях с т о ­
пы и х г о р а зд о бол ь ш е, ч ем в тканях бедр а).
В язк ость Б М п р етер п ев ает су щ еств ен н ы е и зм ен ен и я при м н о ­
ги х забол ев ан и я х , а так ж е п о д д ей ст в и ем эл ек тром агн и тн ы х и зл у ч е­
ний (о с о б е н н о и о н и зи р у ю щ и х ), ряда ф арм ак ол оги ч еск и х п репаратов,
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
93
гормонов и некоторых других факторов. Во многих случаях влияние
на вязкость клеточных мембран опосредовано изменением содержа­
ния в них холестерина. При нормальной температуре тела повышение
содержания холестерина в БМ увеличивает их вязкость, а понижение уменьшает ее. В этом причина разжижения мембран в клетках злока­
чественных опухолей (например, лейкоцитарных мембран при лейко­
зе). Вязкость всех клеточных мембран падает при тиреотоксикозе,
а также под действием наркотических веществ (например, хлорофор­
ма). Возможно, что наркотический эффект непосредственно связан
с изменением физико-химических свойств биомембран. Так, голова­
стик, помещенный в раствор хлороформа, утрачивает двигательную
активность и способность реагировать на стимуляцию. Его удается
«оживить», уплотнив клеточные мембраны путем повышения атмо­
сферного давления. Однако при слишком высоком давлении голова­
стик снова теряет подвижность и чувствительность. Их можно восста­
новить, добавив в среду наркотик. Известно, что дыхательная смесь,
содержащая наряду с кислородом газ, оказывающий на организм нар­
котизирующее воздействие при атмосферном давлении, теряет этот
>ффект на большой глубине.
Приведенный пример позволяет сделать вывод, что жизнеспо­
собность организма страдает как при понижении, так и при повыше­
нии мембранной проницаемости, которая, в свою очередь, зависит от
вязкости БМ. Ее оптимальные значения поддерживаются в клеточ­
ных мембранах, пребывающих в жидкокристаллическом состоянии.
Молекулы, образующие жидкий кристалл, обладают значительной
подвижностью.
2.1.3. Функции биологических мембран
Физические, химические и физико-химические свойства БМ
обеспечивают выполнение ими определенных функций, без которых
невозможна жизнедеятельность организма. В самом общем виде и при­
менительно к мембранам всех типов многообразие этих функций мож­
но свести к трем основным: механической, барьерной и матричной.
Механическая функция заключается в поддержании морфолошчсской целостности и относительной автономности как клетки
94
Биофизика
в целом, так и внутриклеточных органоидов. Она основана прежде
всего на механических свойствах мембранных структур.
Под барьерной функцией понимают создание биомембраной пре­
пятствий для свободного переноса веществ через нее. Выше говорилось
о том, что для одних агентов БМ является непреодолимым препятстви­
ем, другие легко проходят сквозь нее, причем, как правило, только в оп­
ределенном направлении, как того требуют векторные свойства мемб­
раны. Скорости мембранного транспорта разных веществ далеко не
одинаковы. Следовательно, с барьерной функцией БМ непосредствен­
но связана ее избирательная (селективная) проницаемость.
Мембраны не только отделяют клетки друг от друга, но также
разделяют цитоплазму на ряд замкнутых отсеков (компартментов),
каждый из которых выполняет свою специфическую задачу. В такой
трактовке клеточные органоиды рассматриваются в качестве ком­
партментов. Принцип компартментализации (разбиения цитоплаз­
мы на компартменты) признан сейчас одиним из важнейших в орга­
низации биологических систем. Благодаря компартментализации
в клетке пространственно разобщены и изолированы друг от друга
биохимические процессы, совместное течение которых невозможно.
Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а окис­
ление - в митохондриях; синтез белка - на рибосомах, а деградация в лизосомах. Между содержимым органоидов и цитозоля имеются
существенные различия в химическом составе, чем обусловлены вы­
сокие концентрационные градиенты на внутриклеточных мембранах.
На плазмолемме также поддерживаются значительные физико-хими­
ческие градиенты. Они служат главной движущей силой трансмемб­
ранного переноса веществ.
Преимущества компартментализации связаны не только с барь­
ерной, но и с матричной функцией клеточных мембран. БМ служит
матрицей для белков-рецепторов, ферментов и других физиологиче­
ски активных веществ, обеспечивая пространственную организацию
рецепторных взаимодействий, метаболических реакций, переноса
энергии и других мембранных процессов. Так, биомембраны объеди­
няют встроенные в них ферменты в единый конвейер, где каждый из
них действует строго согласованно с остальными. Среди мембранных
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
95
ферментов выделяют так называемые векторные, которые пронизыншот БМ и принимают субстраты на ее одной стороне, чтобы выделить
продукты реакции на противоположной. Реакции, катализируемые такими ферментами, имеют векторный характер. Мембранным фермен­
там присуще явление аллопии, заключающееся в том, что при отделе­
нии от БМ они полностью или частично утрачивают свою активность.
Различные клеточные мембраны, выполняя механическую, ба­
рьерную и матричную функции, осуществляют также ряд специфиче­
ских функций, присущих не всем, а только определенным мембранам.
И мембранах эндоплазматической сети идет синтез белков, фосфоли­
пидов и других соединений. На внутренней митохондриальной мемб­
ране происходит биологическое окисление и синтез АТФ (клеточное
дыхание), представляющее собой многоэтапный ферментативный
процесс. Все специфические функции органоидов неразрывно связа­
ны с их мембранами.
Обращаясь к характерным функциям плазмолеммы, следует на­
жать и механическую защиту клетки, и обеспечение межклеточных
ижимодействий, и электрическую изоляцию, и экранировку клеток от
иисшних электромагнитных полей, и биоэлектрогенез. На их основе
а плазматических мембранах клеток разных типов формируются еще
(юлсе специфические и сложные функции, обеспечивающие опреде­
лимые физиологические свойства: в нейронах - генерация нервных
импульсов и их проведение по нервным волокнам, в рецепторах орга­
нов чувств - преобразование разнообразных раздражителей в нер­
вную импульсацию, в мышечных волокнах - генерация мышечных
шекгрических импульсов и сокращение, в кишечных эпителиоциIих - переваривание пищи и всасывание ее компонентов. Перечень
подобных примеров должны продолжить сами учащиеся.
2.1.4. Модели биологических мембран
Существует несколько гипотез о структурной организации
кнеточных мембран. Их принято называть моделями биомембран.
В основу первой модели были положены экспериментальные
исследования плазмолеммы эритроцита. Эту клетку не зря называют
рабочей лошадкой мембранологов. Помещая эритроциты в гипото­
96
Биофизика
н и ч еск и й раств ор со л и , уч ен ы е д ав н о п ол уч и л и и х м ем бран ы в таких
к ол и ч еств ах, к отор ы е бы ли достаточ н ы для п р оведен и я с н и м и х и ­
м и ч еск и х и ф и зи к о -х и м и ч еск и х р абот.
М ем бр ан ы гем ол и зи р о в ан н ы х клеток крови п ол уч и л и название
т ен ей (и л и п р и в и д ен и й ) эр и тр оц и тов . В к он ц е 2 0 -х год ов И. Г ортер
и А . Г р ен д ел эк страги р овал и ли п и ды из т ен ей эр и тр оц и тов и в сп ец и ­
ал ьном п р и б о р е (ван н е Л ен гм ю р а) и зм ер и л и п л ощ адь, обр а зо в ан н ую
и м и на п о в ер х н о ст и ванны . О н а оказалась п р и м ер н о в дв ое бол ьш е
п л ощ ади , к о т ор ую обр азовы вал и л и п и ды , н а х о д я сь в эр и тр оц и тар н о й м ем б р а н е. П о сл ед о в а л вы в од о би сл о й н о й орган и зац и и л и п и дов
в Б М . П о зд н е е р езул ьтаты и зм ер ен и й И. Г ортера и А . Г р ен д ел а бы ли
уточ нены : п л ощ адь л и п и д н о го би сл оя составл ял а н е 100% , а только
75% п о в ер х н о ст и эр и троц и та. Т огд а п р едп ол ож и л и , что м ем бран а
п о ст р о ен а н е из о д н и х л и п и дов . В 1931 г. Н . Д ев со н и Р. Д ан и ел л и
п р ед л ож и л и модель сэндвича (б у т ер б р о д а ), со гл а сн о к отор ой с р е д ­
н ю ю часть Б М о б р а зу ет би м олек ул я рн ы й л и пи дны й сл ой , а н а его
о б е и х п о в ер х н о ст я х р асп ол ож ен ы белки. П о п ер еч н о е р асп ол ож ен и е
о с ей л и п и дн ы х м ол ек ул к м ем бр а н н ой п ов ер х н ост и бы ло уста н ов л е­
н о в 193 6 г. P .O . Ш м и ттом при и ссл ед ов ан и и п ол яризац ии и ди ф р ак ­
ц и и р ен тген ов ы х л уч ей на м ем бр а н ах зр и тел ь н ого нерва.
Д р угая м одел ь Б М назы вается мозаичной (или ж и д к о ст н о -м о ­
заи ч н ой ). О н а п р ед л о ж ен а в 197 2 г. С. С и н дж ер о м и Г. Н и к ол сон ом ,
котор ы е п р ед п ол ож и л и , что с белк ам и в заи м од ей ст в ую т н е отдел ь ­
ны е л и п и дн ы е м ол ек ул ы , а и х ком п лексы - м ицеллы и что только
ок ол о 30% л и п и дн ы х м ол ек ул в ступ аю т в н еп оср едст в ен н ы е связи
с белк ам и. М ем бр ан а пр едстав л яется л и п и дн ы м б и сл оем , в которы й
вкраплены п р отеи н ов ы е м ол ек ул ы и и х ком п лексы (бел к овы е гл о б у ­
лы ). П е р ед м ы сл ен н ы м в зор о м о д н о г о из авторов м озаи ч н ой м одел и
клеточная м ем бр а н а п р едстал а в в и де л и п и д н ого океана, в котор ом
плаваю т бел к овы е ай сбер ги р азн ой величины . В згл янув на сх ем у м о ­
заи ч н ой м о д ел и (ри с. 2 .1 0 ), м о ж н о понять, что обр аз ок еан а с а й сбер ­
гам и отр аж ает в и д Б М тол ько со стор он ы о д н о й п ов ер х н ости . О н не
уч иты вает, что в ы сота отдел ь н ы х ай сбер гов бол ь ш е гл уби н ы океана,
и он и вы ходят за п р едел ы его дн а. С у ч ет ом эти х зам еч ан и й м озаи ч ­
ная м од ел ь п р едстав л яется в п ол н е реальной.
I нова 2. Биофизика клеточных мембран
97
Рис. 2.10. Мозаичная модель биомембраны
1 - белковые глобулы; 2 - липидное «озеро»
Интересные факты в подтверждение основной идеи мозаичной
модели получены посредством метода «замораживания-травления»
(или «замораживания-скалывания»). Изучаемые ткани очень быстро
охлаждают в жидком азоте, благодаря чему внутриклеточная вода не
кристаллизуется, а переходит в стекловидное состояние, не разрушая
кистки. Замороженные таким образом клетки под действием ультрамикротомного ножа не разрезаются, а раскалываются. Линия скола
нередко проходит вдоль зоны расположения углеводородных цепей
1ИШИДНОГО бислоя. Скол мембраны при низкой температуре помеща­
ют в вакуум. По мере того как вода возгоняется из стекловидной
формы, поверхность разлома «протравливается», и на ней рельефно
выделяются крупные молекулы и их комплексы. На «протравлен­
ную» поверхность напыляют покрытие из платины и углерода, фор­
мируя реплику (своеобразный слепок) исследуемого скола. При по­
мещении ткани в дистиллированную воду комнатной температуры
реплика всплывает. Она служит препаратом для электронной микроi копии. На электронограмме получается изображение внутренней
* фуктуры клеточной мембраны. На нем хорошо видны как отдель­
ные частицы (крупные молекулы и их комплексы), так и вмятины от
них. Если сделать реплики с обеих половин одного скола, то на од­
ной из них можно увидеть выступающие частицы, а на другой - точ­
но соответствующие им вмятины (рис. 2 . 1 1 ).
•IK-1 \
98
Биофизика
Рис, 2,11, Электронограмма поверхностей скола биомембраны
(метод «замораживания-скалывания»). Выступам (1-5) палевой поверхности
соответствуют вмятины (Г - 5 ) на правой и наоборот
. Метод «замораживания-травления» позволил установить, что
в плазматической мембране бактериальной клетки между соседними
белковыми глобулами, пронизывающими ее насквозь, расположено
примерно 300 липидных молекул. При изучении обеих половин скола
эритроцитарной мембраны рассмотрели 4200 белковых частиц на
1 мкм2 поверхности, что соответствует 6 • 10 5 таких частиц во всей
плазмолемме эритроцита. Следовательно, белки занимают около 25%
поверхности эритроцитарной мембраны, «плавая» в липидах.
Плазмолемма эритроцита в высшей степени асимметрична, что
проявляется прежде всего в различном составе молекулярных компо­
нентов ее наружной и внутренней сторон, а также в их неодинаковой
толщине. Общая площадь мембраны эритроцита достигает 140 150 мкм2, ам асса-(1,1-1,2) • 10~12 г. В эритроцитарной мембране 50%
белков, 40% липидов, 10% углеводов. Среди липидов 42% холестери­
на, 17% фосфатидилхолина (лецитина), 15% фосфатидилэтаноламина,
13% сфингомиелина, 8% фосфатидилсерина и фосфатидилинозита,
3-5% нейтральных липидов.
Из белков, схематично изображенных на рис. 2.12, а, хорошо
изучены спектрин и гликофорин. Первый из них относится к перифе­
рическим белкам, причем расположен на цитоплазматической сторо­
не плазмолеммы, образуя там сеть, выстилающую мембрану изнутри
I tinea 2. Биофизика клеточных мембран
99
Рис. 2.12. Схематическое изображение эритроцитарной мембраны
и - схема расположения важнейших полипептидов; б —схема расположения
сети спектрина, обеспечивающей структурную жесткость мембраны
1 - гликофорин; 2 - спектрин (тектин А), образующий сеть
под внутренней поверхностью мембраны; 3 -миозиноподобный белок
(обеспечивает подвижность мембраны); 4 - гликопротеиды
(некоторые из них являются АВО-изоантигенами и ответственны
за групповую принадлежность крови); 5 - компонент «а»
(предположительно он образует канал для анионов) - туннельный белок.
(рис. 2.12, б). Спектрин обеспечивает жесткость и прочность эритроци гарной мембраны, благодаря чему эритроцит при движении по кроигиосным сосудам может испытывать значительную деформацию, не
ри фушаясь при этом. Молекула спектрина состоит из двух полипепшдиых цепей (с молекулярными массами около 220 и 240 кДа). Они
поразуют длинные гибкие стержни длиной от 100 до 200 нм. На 1
»ригроцит приходится примерно 216 тысяч молекул спектрина. Ре­
нн*Iка из них образует каркас, на который «натянута» остальная часть
ншпмолеммы. Со спектрином связаны актиновые нити (микрофилачемты), входящие в состав цитоскелета. Кроме того, в спектринном
каркасе фиксированы некоторые интегральные белки, внедряющиеся
а мембрану и пронизывающие ее насквозь.
100
Биофизика
Одним из интегральны х белков эр итроцитарной мембраны явля­
ется гл икоф ори н (см . рис. 2.9). О н представляет со б о й гликопротеид с
молекулярной м ассой около 55 кДа. П л азм ол ем м у одн ой клетки п р он и ­
зывает около п ол ум и л ли он а его м олекул. К аж дая из н и х образована полипептидной ц еп ью , вклю чаю щ ей д о 2 0 0 ам ин окислотны х остатков.
К ней при креп лено м н ож еств о оли госахари дн ы х ц епочек (как корот­
ких - из 4 м он осахар и дов , так и дл и н н ы х - из 8 -1 2 м он осахар и дов ), на
долю которых п р и ходи тся ок ол о 60% в сей м олекулы . Больш ая часть та­
ких цепочек («сахар н ы х к усти к ов») увенчана остаткам и сиаловой кис­
лоты, п р и соед и н ен н ой к галактозе. С иаловая кислота при дает п ов ер х­
ности эр итроцита отрицательны й заряд, предохран яю щ и й клетки от
слипания. Э ритроцит ж и в ет в ср едн ем 120 суток, в теч ен и е которы х с о ­
д ер ж а н и е си ал овой кислоты в гл и к оф ори н е п остеп ен н о ум еньш ается,
что приводит к обнажению галактозны х остатков. С ни м и в заи м одей ст­
вуют* белк и-рецепторы , со ср едо то ч ен н ы е на плазм атических м ем бр а­
н ах клеток п еч ен и и сел езен к и , в ходя щ и х в р етик ул оэн дотел иал ьную
си стем у. В результате такого в заи м одействия состаривш иеся эр и троц и ­
ты р азруш аю тся и вы водятся из к р овен осн ого русла.
Г л и к оп р отеи ды эр и тр оц и тар н ой п л азм ол ем м ы оп р едел я ю т
также г р у п п о в у ю п р и н адл еж н ость крови, о бесп еч и в аю т р ец еп ц и ю
н ек отор ы х в и р усов (в т ом ч и сл е в и р уса гри п п а), ф и тогем аггл ю ти н и нов, го р м он ов и д р у г и х ф и зи ол оги ч еск и активны х вещ еств.
Д ан н ы е о б ор ган и зац и и эр и тр оц и тар н ой пл азм ати ч еск ой м ем ­
бран ы , сч и таю щ ей ся о д н о й и з п р осты х м ем бр ан н ы х си стем , говорят
о том , что д а ж е в н ей п р и сут ст в ую т эл ем ен ты и м озаи ч н ой , и б у т е р б ­
р о д н о й м о д ел ей . Н ек отор ы е черты ее строен и я н е уклады ваю тся
в рам ки и х о б е и х . К аж дая из м о д ел ей лиш ь частичн о о т обр аж ает м о ­
л ек ул я р н ую стр ук ту р у реальн ы х к л еточ ны х м ем бр ан . Б утер бр одн ая
м одел ь х о р о ш о со о т в ет ст в у ет стр ук тур е м и ел и н ов ы х об о л о ч ек н ер ­
вны х в ол ок он . В н и х со д ер ж а н и е л и п и дов в 2,5 р аза п р ев о сх о д и т с о ­
д ер ж а н и е белк ов. В д р у г и х Б М н а й д ен о и н о е со о т н о ш ен и е осн овн ы х
м ем бр а н н ы х к ом п он ен то в , п ри чем в кл еточ ны х м ем бр а н ах разны х
т и п ов п р о ц ен т н о е со д ер ж а н и е белк ов и л и п и дов хар ак тер и зуется б о ­
л ьш и м и р азл и чи ям и (табл. 2 .2 ). П ри б о л ее ш и рок ом р ассм отр ен и и
эт о г о в оп р оса, с у ч ет о м св ед ен и й о к л еточ ны х м ем бр а н ах н е только
101
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
животных, но также растений и бактерий, можно прийти к выводу,
что соотношение белков и липидов различно - от 1:4 до 4:1.
Таблица 2.2
Состав различных клеточных мембран млекопитающих
Ткани, клетки и клеточные
органеллы млекопитающих
Содержание липидов и белков, %
липиды
белки
Ткани головного мозга быка
1 8 -2 3
7 7 -8 2
Миелиновая оболочка человека
7 0 -7 2
2 8 -3 0
Эритроциты быка
3 0 -4 0
6 0 -7 0
40
60
2 0 -5 0
5 0 -8 0
25
75
Эритроциты человека
Митохондрии бычьего сердца
Инутренние мембраны митохондрии из
сердца быка
Различия в содержании мембранных компонентов свидетельству­
ют, очевидно, о существовании разных типов структурной организации
\М. По-видимому, ближе к истине синтетическая модель, включающая
шементы каждой из рассмотренных выше и допускающая ряд других
способов взаимодействия в мембране белков и липидов (например, пе­
реплетение углеводородных цепей липидов с гидрофобными областями
Оглковых молекул наподобие нитей в ковре). И все же в основу синтешчсской модели положена мозаичная, хотя в некоторых случаях в ли­
пидном «океане» больше белковых «айсбергов», чем липидов, да и не
нес липиды образуют в мембране бимолекулярный слой. Так, липидные
молекулы, непосредственно связанные с интегральными белками, не
участвуют в создании бислоя. Их называют аннулярными липидами.
Вместе с тем синтетическая модель предусматривает возмож­
ность существования различных способов взаимодействия белков
и липидов не только в мембранах разных типов, но и в разных учаггках одной и той же биомембраны. Более того, синтетическая мо­
дель допускает изменчивость мембранной структуры в зависимости
or функционального состояния клеток. Возможность такой переi Iройки была подтверждена при использовании метода «заморажи­
102
Биофизика
в ан и я -тр ав л ен и я ». П р и и зу ч е н и и м ем б р а н н ы х ск ол ов , п о л у ч ен н ы х
и з к л еток , п р еб ы в а ю щ и х в р азн ы х ф ун к ц и он а л ь н ы х со ст о я н и я х ,
о к а за л о сь , ч то в о д н и х у сл о в и я х бел к ов ы е ч асти ц ы р а сп р ед ел ен ы
в м ем б р а н е р а в н о м ер н о , а в д р у г и х - гр у п п и р у ю т ся в к руп н ы е к он г­
л ом ер аты .
Т аким о б р а зо м , п р еж н ее ст р ем л ен и е и ссл едов ат ел ей к с о зд а ­
н и ю ун и тар н ой м о д ел и би о м ем бр ан ы см ен и л ось у б е ж д ен и ем в том ,
ч то п р ед ст ав л ен и е о е е м ол ек ул яр н ой ор ган и зац и и д о л ж н о строи ться
на о сн о в е п р и н ц и п а гет ер о ген н о ст и б и о л оги ч еск и х си стем .
2.1.5. Искусственные мембраны
В р у сск о м язы ке сл ов о « м о д ел ь » уп о тр ебл я ется в нескол ьки х
зн ач ен и я х. И сп ол ь зуя его в п р ед ы д у щ ем пар аграф е, мы п од р а зу м ев а ­
ли п о д эти м п он яти ем абстрактны й обр а з стр ук тур н о-ф ун к ц и он ал ь ­
н ой ор ган и зац и и би о м ем бр ан ы , со от в ет ст в ую щ и й сов р ем ен н ы м св е­
ден и я м о ней . В м ест е с т ем м одел я м и Б М в л и тер атур е н ер едк о
н азы ваю т си стем ы , и м и т и р ую щ и е ст р о ен и е и р або т у к л еточ н ы х м ем ­
бран . Т ак ое п р и м ен ен и е сл ов а « м о д ел ь » доп уск а ет ся м ет од о л о ги ей
б и о ф и зи к и , н о ч а щ е п о д о б н ы е м о д ел и и м ен ую т ся искусственными
мембранами. И х и сп ол ь зо в ан и е н е огран ичи вается задач ей м о д ел и р о ­
вания Б М в п озн авател ьн ы х ц елях. И ск усств ен н ы е м ем бран ы наш ли
ш и р ок ое п р и м ен ен и е в х и м и ч еск о й т ех н о л о ги и и д р у г и х отраслях
п р ом ы ш л ен н ости . З ам ети м , кстати , что п р едстав л ен и е о би о м ем бр ан е
как н е о т ъ ем л ем о м к о м п о н ен те би о л оги ч еск ой си стем ы стал о разви ­
ваться тол ьк о п о сл е со зд а н и я и ск усств ен н ы х м ем бр ан .
П ервы е и ск усств ен н ы е м ем бр ан ы и зготов и л в 1 8 7 0 -е годы
М . Т р а у б е и з о са д о ч н о г о ф ер р оц и ан и да м ед и . О ни обл ад ал и св ой ст ­
вом п о л у п р о н и ц а ем о е™ , п р оп уск ая ск возь себ я в о д у и препятствуя
п р о х о ж д ен и ю р аств ор ен н ы х в н ей вещ еств. П о эт о м у и х и сп ол ьзовал и
в о см о м ет р а х - п р и б о р а х дл я и зм ер ен и я осм о ти ч еск о го давления.
В 1890 г. В . О ств ал ьд, р азр аботав ш и й т ео р и ю п ол у п р он и ц аем ы х ср ед,
п р ед п о л о ж и л , ч то и кл еточ ны м м ем бр ан ам п р и сущ а селективная п р о­
н и ц аем ость. П о зд н е е бы ли со здан ы селек ти в н ы е стек лян ны е м ем бр а­
ны , н а к отор ы х м одел и р ов а л и сь н ек отор ы е св ой ств а Б М , включая
т р ан см ем бр ан н ы й п е р ен о с и он ов .
/ /шва 2. Биофизика клеточных мембран
103
2.1.5.1. Стеклянные мембраны
В стеклянных мембранах присутствуют поры, диаметр кото­
рых примерно равен кристаллическому диаметру пропускаемого ими
иона. Он составляет у лития 0,12 нм, у натрия 0,19 нм, у кальция 0.198 нм, у калия - 0,266 нм, у цезия - 0,338 нм, у хлора - 0,362 нм.
' )ги ионы окружены гидратными оболочками, толщина которых тем
больше, чем мельче ион. Так, диаметр гидратированного К+ равен
0,5-0 ,6 нм, а гидратированного Na+- более 0,65 нм. Свободная энерIия гидратации (кДж • моль-1) составляет у Li - минус 481,3, у Na+ минус 376,7, у калия - минус 309,7, у рубидия - минус 283,5, у це1ии - минус 255,4, у хлора - минус 353,6.
Ион способен пройти через более крупную пору, чем его кристллический диаметр, но более мелкую, чем диаметр его гидратной
оболочки, в том случае, если какие-то силы «сорвут» с него молекущ,1 воды, разрушив водородные связи. Источник таких сил должен
находиться в самой мембране, чтобы непосредственно контактиропмть с ионами, ибо электростатическое взаимодействие ослабевает
пропорционально квадрату расстояния между зарядами.
Работу по дегидратации ионов в стеклянных мембранах вы­
полняют так называемые лигандные группы (лиганды), вступаю­
щие с ионами в ион-ионные или ион-дипольные взаимодействия.
Мстекле роль лиганд по отношению к катионам выполняют анион­
ные группы SiO- или AlOSi-. Для перехода иона из водного раство­
ри в мембранные поры необходимо, чтобы энергия связывания его
ипгандами превосходила энергию гидратации. Надежное электро­
статическое взаимодействие гидратированного иона с лигандами
бывает тогда, когда он входит в мембранную пору, размеры и кон­
фигурация которой ему соответствуют. На этом основана избиран-льная проницаемость той или иной стеклянной мембраны по от­
ношению к определенному иону. Вода не проходит через поры
а стекле, так как в обычных условиях ее молекулы образуют тетра■дрические ассоциаты, состоящие из 5 молекул и имеющие диа­
метр около 0,5 нм.
Согласно гипотезе Муллинза, лучше всего проходят через по­
ры гс ионы, радиус которых (в окружении одного слоя молекул во­
104
Биофизика
ды ) бл и зок к р а д и у су пор . В сл уч ае н атр и евого канала в в о зб у д и м о й
м ем б р а н е п ер ен о с и он ов п р о и сх о д и т ч ер ез «гор л ов и н у» поры , в к о­
то р о й н ах оди т ся гр уп п а - СОО~. Ч ем вы ш е ср о д ст в о и он а к этой
гр уп п е, тем вы ш е б у д е т его п оток ч ер ез канал и м ем бр а н у в целом
(гипотеза Хилле). В са м о м д ел е , есл и константы ср о д ст в а канала
к д в у м и он ам равны К х и К2, то и з п р ед ы д ущ его я сн о, что
Р\ _
^2
^2
_ С \k _
тС х
С 2к
*С 2
г д е Р ] и Р2- к о эф ф и ц и ен т ы п р о н и ц а ем о ст и и он ов ч ер ез м ем б р а ­
н у, »/, и J 2 — п л о т н о ст и п от ок ов и о н о в ч ер ез м ем б р а н у , С, и С 2 - к он ­
ц ен тр ац и и и о н о в в в о д н о й с р е д е , С 1к и С 2к - к о н ц ен тр а ц и и и он ов
в к ан але.
В н астоя щ ее врем я при р ассм от р ен и и п р обл ем ы и о н н о й и зб и ­
р ател ьн ости н ер ед к о и сп о л ь зу ю т электростатическую теорию
Эйзенмана. Д л я объ я сн ен и я ф и зи к о-хи м и ч еск и х м еха н и зм ов и зби р а­
тел ь н ости стек л ян н ы х эл ек т р одов Э й зен м ан рассм атривал эн ер гет и ­
ку и о н н о го о б м ен а.
П о с л е д о в а т е л ь н о с т ь и зб и р а т е л ь н о ст и и о н о о б м е н н о й р еа к ­
ц и и с с л у ч а е б о л ь ш о г о р а д и у с а и о н а б у д е т со о т в ет ст в о в а т ь п е р в о ­
м у р я д у Э й зе н м а н а . О н а п о су т и с о о т в е т с т в у е т п о с л е д о в а т е л ь н о ­
сти п о д в и ж н о с т и г и д р а т и р о в а н н ы х и о н о в в в о д н о м р а ст в о р е. П ри
м ал ом к р и ст а л л и ч еск о м р а д и у с е п о с л ед о в а т ел ь н о с т ь и зб и р а т е л ь ­
н о ст и и о н о о б м е н н о й р еа к ц и и с о о т в е т с т в у е т X I р я д у Э й зен м а н а .
Д ля п р о м е ж у т о ч н ы х сл у ч а ев и м ее т ся 9 п о с л е д о в а т е л ь н о с т е й и з б и ­
р а т ел ь н о ст и .
Т аким о б р а зо м , теор и я Э й зен м ан а п р едск азы вает 11 п о с л ед о ­
вател ьн остей и зби р а тел ь н ости для 5 и он ов щ ел оч н ы х м еталлов.
И м ен н о таки е п о сл ед о в а т ел ь н о сти обн ар уж ен ы в п ри роде:
I.
C s > R b > К > N a > L i, V II. N a > К > R b > C s > L i,
II. R b > C s > К > N a > L i, V III. N a > К > R b > L i > C s,
III. R b > К > C s > N a > L i, IX . N a > К > L i > R b > C s,
IV . К > R b > C s > N a > L i, X .
N a > L i > K > R b > C s,
V . К > R b > N a > C s > L i, X I. L i > N a > К > R b > C s.
V I. К > N a > R b > C s > L i,
1 1шва 2. Биофизика клеточных мембран
105
Для характеристики ионной избирательности мембран нередко
используются коэффициенты проницаемости, полученные при расчеIих, основанных на теории постоянного поля Гольдмана-ХоджкинаКлтца.
В работах со стеклянными мембранами были объяснены некоюрые закономерности ионного транспорта через мембранные поры
(каналы), в частности роль лиганд в этом процессе. Знания о меха­
низмах действия стеклянных мембран использованы в формирова­
нии гипотез о природе проницаемости, свойственной клеточным
мембранам. Однако значение исследований стеклянных мембран как
моделей биологических довольно ограничено.
2.1.5.2. Искусственные липидные мембраны
Значительный прогресс в биомембранологии связан с введени­
ем в экспериментальную практику искусственных липидных мемб/иш. Они применяются в трех основных вариантах: I) монослои липи­
дов на поверхности раздела вода - воздух или вода - масло, 2 ) плос­
кие бимолекулярные фосфолипидные мембраны, 3) липосомы. Из
них наиболее интересны два последних.
Создание бимолекулярных плоских липидных мембран связано
i именем П. Мюллера и его сотрудников, разработавших в 60-е годы
методы получения их в лаборатории. Капля фосфолипида в органиче­
ском растворителе (например, гептане) наносится на тефлоновую плае i инку, в которой сделано отверстие диаметром около I мм. Пластин­
ки встраивается в качестве перегородки между двумя сосудами
i водой. Под действием поверхностного натяжения из капли образует­
ся пленка, состоящая из двойного слоя липидных молекул (рис. 2.13).
Не толщина (6-7,5 нм) меньше длин волн видимого света, поэтому его
не отражает такая мембрана и она представляется абсолютно черным
i c j i o m . Ее нередко называют черной мембраной. Каждый из ее слоев
может быть построен как из одинаковых, так и разных липидов, сим­
метрично или асимметрично. В них удается внедрять (инкорпориро­
вать) белковые молекулы.
Липосомами называют липидные пузырьки, получаемые встрячиванием сухих липидов в водно-солевом растворе. При обработке
106
Биофизика
Рис. 2.13. Искусственная плоская липидная мембрана («черная мембрана»)
а - в процессе формирования; б - сформировавшаяся
с у сп ен зи й ул ь тр азвук ом о б р а зу ю т ся пузы рьки со стен к ам и , со ст о я ­
щ и м и и з би м о л ек ул я р н ого л и п и д н о го сл оя (рис. 2 .1 4 , а). П утем н асл о­
ен ия так и х би сл о ев д р у г н а д р у г а в озн и к аю т м н огосл ой н ы е пузы рьки
д и а м ет р о м о т 5 д о 50 м км (ри с. 2 .1 4 , б). В н и х тол щ и н а к аж дого б и м о ­
л ек ул яр н ого л и п и д н о го сл оя составл я ет 6 -7 ,5 нм , а в о д н о е п р остр ан ­
ств о м е ж д у сл оя м и - 1 ,5 -2 нм . Р азм еры и ф орм а м н огосл ой н ы х липосо м зави ся т от pH ср еды , е е со л ев о го состава и д р у г и х ф акторов.
Д и ам етр о д н о сл о й н о й л и п о сом ы р ав ен 2 5 - 3 0 нм , его треть п р и ход и т ­
ся н а в н у т р ен н ее в о д н о е п р остр ан ств о, а д в е трети - на к он ц ен тр и ч е­
ск ую л и п и д н у ю обо л о ч к у.
В м ем бр а н у л и п осом ы научились встраивать белки. П о тер м и н о­
логи и В . П. С кулачева инкрустированны е протеиновы м и м олекулам и
пузы рьки назы ваю тся протеолипосомами. О ни начинаю т применяться
в м еди ц и н е. П ри введен и и в орган изм человека п ротеол и п осом ы п о ­
гл ощ аю тся кл еточ н ы м и м ем бр ан ам и . Так, в со ст ав е п р о теол и п осом
к л еточ н ы е м ем бр ан ы п ол у ч аю т в ещ еств а, не сп о со б н ы е проникнуть
в н и х сам и п о се б е. С ливаясь с Б М , л и п о сом ы и зм ен я ю т и х состав по
у см о т р ен и ю врача. В п л а зм о л ем м у о д н о й клетки м ож н о вклю чить 300
м и л л и он ов л и п и дн ы х м ол ек ул и и зм ен и ть таким о б р а зо м основны е
107
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
а)
6)
Рис. 2.14. Липосомы
a - однослойная; б - многослойная
сиойства клеточных мембран (вязкость, проницаемость, ферментную
и иммунную способности и т. д.). Важным достоинством подобного
имсшательства является то, что протеолипосомы встраиваются не во
нее клетки организма, а именно в те, которые нуждаются в лечебном
иоздействии. Целенаправленная терапия на клеточном уровне обеспе­
чивается разными способами, в частности введением в липосомы спе­
цифических белковых компонентов клеток-мишеней. Без таких мер
нипосомы концентрируются преимущественно в печени и селезен­
ке. Протеолипосомы как лекарственное средство (точнее, официнаIII,пая форма) нетоксичны, полностью усваиваются организмом
и способны преодолевать многие «барьеры». Первые удачные резуии аты достигнуты в химиотерапии злокачественных новообразова­
нии, в компенсации некоторых форм ферментной недостаточности,
и иммунизации. Сейчас перспективы применения протеолипосом
и медицине ошеломляют. Ближайшее будущее покажет степень со1 1оятельности сегодняшних прогнозов.
В искусственных мембранах липиды пребывают в жидкокриi Iилличсском состоянии, подобном тому, какое им свойственно в БМ.
11иутри каждого из двух слоев липидные молекулы беспрестанно меняюгея местами за счет латеральной диффузии. Этот процесс, напомина­
ющий игру в чехарду, идет со скоростью 5-10 мкм • с-1. Много общего
у искусственных и биологических мембран в физических и физико-хи­
мических свойствах. Проницаемость тех и других мембран для многих
108
Биофизика
м ол ек ул оп р едел я ется бол ьш ей или м ен ьш ей легкостью разры ва в о д о ­
р одн ы х связей, образован н ы х и м и ран ее. И ны м и словам и, чем ни ж е
энергия деги дратац и и вещ еств, тем л егче он и п р еодол ев аю т липидны й
би сл ой . П о эт о м у через би ол оги ч еск и е и искусствен ны е л ипи дны е м ем ­
браны хо р о ш о проникаю т ж ирор астворим ы е вещ ества.
Н есм отр я на су щ ест в ов ан и е ан ал огии м н оги х св ой ств эти х
м ем бр а н , м е ж д у н и м и бол ь ш е разл и чи й , чем сх о д ст в а (табл. 2.3 ).
Так, и ск усств ен н ы е л и п и дн ы е м ем бран ы обл ад аю т н и зк ой и он н ой
п р о н и ц а ем ост ь ю и, сл ед ов а тел ь н о, вы соким со п р оти в л ен и ем п о с т о ­
я н н ом у и п ер ем ен н о м у (н и зк оч аст от н о м у ) эл ек тр и ч еск ом у ток у. О но
на 4 - 5 п ор ядк ов п ревы ш ает эл ек тр и ч еск ое со п р оти в л ен и е клеточны х
м ем бр ан . У Б М го р а зд о вы ш е п р он и ц а ем ость для воды .
Таблица 2.3
Сравнение свойств бислойных липидных и биологических мембран
С вой ств а
Толщина, нм
Емкость, пФ • см '2
Сопротивление, Ом • см 2
Напряжение пробоя, мВ
Поверхностное натяжение, Н • см '1
Проницаемость для воды, мкм • с '1
Энергия активации для транспорта
воды, кДж • моль'1
Б и о л о ги чески е
м ем браны
И скусств енны е
л и пи д ны е м ем браны
7-15
0,5-1,3
102—
1о5
100
10“5-3 • 10“2
ДО 400
0,38-1,0
106-109
150-200
2 • 10~5-5 • 10“1
31,7
40,3
53,3
6-7,5
П ы таясь устр ан и ть различи я м еж д у би ол оги ч еск и м и и и ск ус­
ств ен н ы м и л и п и дн ы м и м ем бр ан ам и , и ссл едов ател и ввели в л и п и д­
ны й б и сл о й р я д в ещ еств , м о д ел и р у ю щ и х п р и сутств и е в БМ и х вто­
р о го м ол ек ул я р н ого к ом п он ен та - белка.
Д о ба в л ен и е к л ипи дны м м ем бран ам белков, вы деленны х из бы ­
чьих эр итроцитов, п он и зи л о и х электрическое соп роти вл ен и е в 2 0 0 5 0 0 раз. В есь м а ин тер есн ы е результаты получились при вклю чении
в ф осф ол и п и дн ы е б и сл ои м олек ул некоторы х антибиотиков. С ними
и ск усств ен н ы е м ем браны п ри обрел и н е только х ор о ш у ю электропро­
в одн ость, н о и и зби р ател ьн ую прон и ц аем ость, н ап ом и н аю щ ую в ряде
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
109
случаев селективность клеточны х м ем бран. Л и п и дн ы е би сл ои , вклю ча­
ю щ ие антибиотики, м одел и р ую т транспорт вещ еств как ч ер ез м ем бран мые каналы, так и п оср едств ом п одви ж н ы х п ерен осчи к ов. Э ти работы
приносят бол ь ш ую пол ьзу практической м еди ц и н е. И х результаты п о ­
зволяю т находить новы е направления в си н тезе анти биотик ов с оп р ед епсиными свойствам и. В п л азм ол ем м у бактерии встраиваю тся только те
антибиотики, которы е в заи м одей ств ую т с м ем бранны м и к ом п он ен та­
ми. Зная о со б ен н о ст и клеточны х м ем бран т ех или ины х м икрооргани з­
мов, а такж е тканей человека, осущ ествл я ю т целенаправлен ны й си нтез
антибиотиков, губи тельн ы х для о д н и х и интактны х для д р у ги х м икро(>ов, но, что важ нее в сего, безв р едн ы х для человека.
И ск усств ен н ы е л и п и дн ы е м ем бр ан ы , в к л ю чаю щ и е р а зн о о б р а з­
ные ан ти би оти к и и д р у ги е п еп ти дн ы е со ед и н ен и я , п озв ол и л и м о д е ипровать м н оги е св ой ств а б и о м ем бр ан . Э к сп ер и м ен тал ь н ы е м од ел и ,
хотя он и ещ е дал ек и от п ол н ого в о сп р о и зв ед ен и я того, что п р и обр ел
организм при в озн и к н овен и и и р азви ти и клеток, н е только п озв ол я ю т
понять ф ун к ц и он и р ован и е к л еточ н ы х м ем бр а н , н о и п р ол и в аю т св ет
на м н оги е п р обл ем ы п атол оги и и терап ии.
Так, о д н и м из в аж н ей ш и х м еха н и зм ов гу б и тел ь н о го дей ств и я
антибиотиков на м и кр ооргани зм ы является в н ед р ен и е и х в пл азм ати ­
ческие м ем бран ы бак терий (гр ам и ц и ди н , ал ам ети ц и н и д р .) и гр и бов
(ам ф отериц ин, ни статин и д р .), в сл ед ст в и е ч его н ар уш ается тр ан сп ор т
иещ еств (п р еж д е в сего и о н ов ), и зм ен я ется хи м и ч еск и й со ст ав ц и т о ­
плазмы и п ад аю т эл ек тр охи м и ч еск и е гради ен ты на к л еточ н ы х м ем б ­
ранах м и к р оор ган и зм ов , стан овясь н еп о ср ед ст в ен н о й п ри ч и н ой и х
I ибели. М н о ги е яды (в ч астн ости , яды н ек отор ы х зм ей ) н ар уш аю т н о р ­
м альную п р о н и ц аем ость би о м ем б р а н для и он ов , отч его н аступ аю т
с Iрадания и д а ж е см ерть человека. П о д о б н ы й м ех а н и зм губи тел ь н ого
ц с и с т в и я на ор ган и зм чел овек а и ж и в отн ы х п р и су щ м н оги м ток си н ам .
О чень п ер сп ек ти вн о п р и м ен ен и е и ск усств ен н ы х м ем бр а н в и н ц'ресах би он и к и . О гран ичи м ся тол ько дв ум я п ри м ерам и . Б лагодаря
мисдснию в лип и дн ы й б и сл о й м ол ек ул хл ор о ф и л л а п ол у ч ен в ы сок о­
чувствительны й ф от оэл ем ен т , а зав и си м ость св ой ств л и п и дов от и о н ­
ного состава среды и сп ол ь зу ется в со зд а н и и и он -сел ек ти в н ы х вы со• очувствительны х датчиков.
110
Биофизика
У с п ех и в и зу ч ен и и и ск усств ен н ы х м ем бр ан н ы х си ст ем сл уж ат
х о р о ш е й п р едп осы л к о й вы яснения м ол ек улярн ы х м еха н и зм ов тр ан с­
п ор та вещ еств ч ер ез к л еточ н ы е м ем браны .
2.1.6. Биофизические механизмы транспорта
вещества (массоперенос) через биомембраны
П ри нято различать п асси в н ы й и активны й тр ан сп орт вещ еств
ч ер ез к л еточ н ы е м ем бран ы . К п ер в ом у и з н и х отн осят тр ан см ем бр ан ­
ны й м а сс о п ер ен о с , п р о и сх о д я щ и й в н ап равлен и и дей стви я к он ц ен тра­
ц и о н н о го , эл ек тр и ч еск ого, осм о ти ч еск ого и ф и л ьтрац и он н ого (ги д р о ­
стати ч еск ого) гр ади ен тов . Т ак как п о отн ош ен и ю к о д н о м у и т о м у ж е
в ещ еств у он и м о гу т бы ть направлены пр оти воп ол ож н о,, то при анали­
з е так ого м а ссо п ер ен о са н е о б х о д и м о учиты вать тер м оди н ам и ч еск ое
со п р я ж ен и е в сех ф и зи к о-хи м и ч еск и х гради ен тов (см . 2 .2 .2 ).
• Активным транспортом назы ваю т п ер ен о с в ещ ества в направ­
л ен и и , п р о ти в оп ол ож н ом то м у , к отор ое п р ед о п р ед ел ен о т ер м од и н а­
м и ч еск и м со п р я ж ен и ем п ер еч и сл ен н ы х вы ш е гради ен тов . Д в и ж ущ ей
си л о й акти вного тр ан сп ор та сл у ж и т хи м и ч еск и й п отен ц и ал, о б у сл о в ­
л и в аю щ и й в Б М т еч ен и е ф ерм ен тати вн ы х реакций , п оставл я ю щ и х
с в о б о д н у ю эн ер ги ю для п р еод ол ен и я гради ен тов .
К он ц ен тр ац и он н ы й , эл ек три ческ и й , осм о ти ч еск и й и ф ильтра­
ц и он н ы й гради ен ты и м ею т н ео д и н а к о в о е зн ач ен и е в п е р ен о с е в е­
щ еств ч ер ез к л еточ н ы е м ем бран ы . М а ссо п ер ен о с, п р ои сходя щ и й
в р езул ь тате су м м ар н ого дей ств и я осм о ти ч еск ого и ги др остати ч еск о­
го гр ади ен тов , при нято назы вать конвекционным (конвек ти вны м ) по­
током. И м оп р едел я ется п р еж д е в сего тран см ем бр ан н ы й ток воды
в м ест е с р аств ор ен н ы м и в н ей в ещ ествам и .
2.2. Кинетика биофизических процессов
массопереноса
2.2.1. Уравнения массопереноса
П ри и ссл ед о в а н и и кинетики б и о ф и зи ч еск и х п р о ц ессо в и зм е­
р я ю т скорости их протекания в разл ичн ы х усл ови я х. П ри опи сан ии
л ю б о г о явления п е р ен о с а об о б щ ен н ы м и коорди н атам и ск орость про-
in
/ ипва 2. Биофизика клеточных мембран
цссса выражают в виде производной соответствующей обобщенной
f <Ь:Л
координаты (х)1по времени — - . Во многих явлениях природы ско, dt )
рости процессов прямо пропорциональны соответствующим обобIценным силам (2 Q2, характеризующим причины возникновения со­
ответствующего процесса:
А, - Х „
(2 .1 )
где
Af- коэффициент пропорциональности.
Рассмотрим несколько примеров.
Диффузия состоит в молекулярном движении вещества из обипсти с большей концентрацией (С,) в область, где его концентрация
ниже (С2). При переносе молекул через слой (мембрану) толщиной /
и площадью s уравнение переноса, определяющее скорость диффуIIIи, имеет вид:
— = -£> 5 lim Cl ~ С * ,
dt
'-*«
/
(2.2)
Iдо D - коэффициент диффузии. Запишем уравнение (2.1) с учетом
ю т , что обобщенной координатой в нем является масса переноси­
мого вещества (г, = т), а обобщенной силой - градиент концентраinIи ^
v
= lim —!—;—
с - ~ с - = grad С , и обозначим произведение D на s ве1
J
1Ш чиноЙу40 :
^ - = Ad gradC.
dt
( 2 .2 *)
1 х - обобщенная координата - величина, характеризующая перемещение
ими перенос.
2 X, - обобщенная сила - величина, характеризующая причину перемещения
ими переноса.
112
Биофизика
В. Нернст установил, что для молекул сферической формы за­
висимость D от силы трения (F^) выражается следующим образом:
RT
1
( D=
где Rп - универсальная газовая постоянная (R
и -------------,
А
тр
8,32 • 103 ДжК -1 • кмоль-1), Т - абсолютная температура, NA - число
Авогадро.
По закону Стокса: F = бтгцг , где т| - вязкость среды, г - эффек­
тивный радиус диффундирующей молекулы (радиус Стокса-Эйнштей­
на), представляющий собой радиус не реальной молекулы, а эквивален­
тной сферической частицы, имеющей тождественную диффузионную
способность.
Из формул Нернста и Стокса следует формула Стокса-Эйнш­
тейна:
(yji-v-r - N А ’
где
размерность D есть [м2 • с-1].
Уравнение (2.2), к которому эмпирически пришел физиолог
А. Фик в 1855 г. (поэтому основной закон диффузии носит его имя),
лежит в основе биофизических механизмов транспорта веществ в ор­
ганизме. Уравнение Фика с успехом применяется в технике при реше­
нии многих задач, связанных с переносом газов и жидкостей. Закон
Фика является основой конструирования ряда биотехнических сис­
тем. Например, в аппаратах экстракорпорального кровообращения по
формуле Фика рассчитывают диффузию газов в оксигенаторе, а в при­
боре «искусственная почка» - диффузию веществ через мембрану
ионообменника.
При движении электрических зарядов за обобщенную коорди­
нату принимают величину заряда (jc, = q), а за обобщенную силу градиент потенциала (напряженность) электрического поля (Xt =
grad U = Е). Скорость переноса зарядов (электрический ток) выража­
ется уравнением:
I пипа 2. Биофизика клеточных мембран
i до
113
Аэ = А •s. Зная, что удельная электропроводность (Л) определя-
г Iси через сопротивление (R): А = —— , а напряженность - через раз­
R -s
U
ность потенциалов: £ = — , убеждаемся в тождественности уравне­
ния (2.3) закону Ома: I = — .
R
В процессе теплопроводности обобщенной координатой (пе­
реносимой величиной) является количество тепла (xi = Q), а обоб­
щенной силой (причиной переноса) - градиент температуры {Xi =
pi ad 7). Скорость переноса тепла определяется выражением:
(2.4)
Iдо A q = К • s , a K - коэффициент теплопроводности и s - площадь,
через которую переносится тепло. Это закон Джоуля - Ленца.
Скорость химической реакции, протекающей в системе, описыиают числом молей вещества, вступивших в реакцию за единицу вре­
мени. Обобщенной координатой является число молей, вступивших
и реакцию (х,. = v), обобщенной силой - химический потенциал (Xt =
р,), представляющий собой изменение свободной энергии системы
при изменении количества данного вещества на 1 моль. Скорость хи­
мической реакции описывается уравнением:
(2.5)
где
коэффициент Ац носит название химического сродства.
2.2.2. Кинетика сопряженных процессов массопереноса
Обычно процессы массопереноса происходят под действием
сразу нескольких обобщенных сил. Например, при переносе заря­
женных частиц через клеточную мембрану имеют место и диффузия,
и электрический ток. В этом случае происходит так называемое тер­
модинамическое сопряжение между диффузией и электрическим то­
114
Биофизика
ком, и скорость каждого из этих процессов зависит не только от
«своей» обобщенной силы, но и от всех обобщенных сил, действую­
щих в системе. С учетом термодинамического сопряжения массоперенос в таком случае описывается системой уравнений переноса:
(2.6)
at
dx
dt
Рассмотрим несколько примеров термодинамического сопря­
жения.
Если в системе (например, в газе) поддерживаются одновре­
менно градиенты температуры и концентрации, то уравнения пере­
носа следует записать так:
— =А„ gradC +А п gradТ,
dt
(2.7)
Щ -= Л 21 gradC + А п grad Т.
dt
Градиенты концентрации и температуры выполняют роль
обобщенных сил, а обобщенными координатами служат масса веще­
ства и количество тепла, переносимые в системе из одной точки про­
странства в другую. Из уравнений следует, что транспорт вещества
в такой системе определяется не только градиентом концентрации,
но и градиентом температуры.
Если в какой-то части системы как концентрация вещества, так
и температура выше, чем в другой, то grad С и grad Т имеют одинако­
вые знаки, и процессы, происходящие под действием их, усиливают
друг друга - массоперенос больше, чем в условиях существования
только одного из градиентов. Если же grad С и grad Т разнонаправлеdm
ны (имеют разные знаки) и |А п grad С ,« \Ап grad 7], то — < 0,что
dt
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
115
означает перенос вещества вопреки действию градиента концентра­
ции. В таком случае под действием разности температур в двух частях
системы вещество будет перемещаться из области, где его концентра­
ция низка, в область высокой концентрации. Данное явление называ­
ют термодиффузией. Оно, в частности, используется в атомной про­
мышленности - посредством термодиффузии разделяют изотопы,
например 235U и 238U. Это возможно потому, что коэффициенты А для
и их изотопов урана различны, причем система уравнений (2.7) позвоимст рассчитать те условия, при которых потоки легкого и тяжелого
Iпотопов направлены в противоположные стороны. Из уравнений
(2.7) видно, что термодиффузия всегда сопровождается переносом
гепла, т. е. диссипацией свободной энергии. Поэтому для осуществле­
ния термодиффузии необходимы значительные затраты свободной
энергии. В транспорте веществ через клеточные мембраны термодиф­
фузия отсутствует, поскольку grad Т на мембране равен нулю.
Другим примером может быть система, в которой существуют
как градиент концентрации, так и градиент осмотического давления.
Такой системой является живая клетка в солевом растворе. Можно
подобрать условия, при которых вода пойдет против осмотического
Iрадиента благодаря термодинамическому сопряжению. Так, иногда
кистки в культурах тканей при помещении в раствор соли не отдают
иоду, как требует теория осмоса, а набухают за счет поступления в них
йоды из окружающего раствора, осмотическое давление которого вы­
ше, чем в цитоплазме. На сильно засоленных почвах живут своеобраз­
ные растения - солянки, в корни которых вода поступает вопреки дейггиию градиента осмотического давления. Такие факты ставили
(шологов в тупик: некоторые ученые-виталисты даже рассматривали
их как доказательство существования особой «жизненной силы», не
подчиняющейся физическим законам. Использование теории термо­
динамического сопряжения позволило дать всем этим явлениям как
качественное, так и количественное объяснение; понятие «жизненной
гилы» оказалось, как и во всех прочих случаях, ненужным.
Транспорт веществ через клеточные мембраны также осущестилястся благодаря термодинамическому сопряжению разнообразных
процессов. Только в тех случаях, когда молекулы транспортируемою исщества не имеют заряда, химически и осмотически инертны,
116
Биофизика
процесс массопередачи сводится к простой диффузии и подчиняется
уравнению Фика. Практически такими свойствами обладают в орга­
низме только азот и инертные газы; очень приблизительно - кисло­
род и углекислый газ. Во всех остальных случаях (при транспорте
воды, солей, углеводов, жирных кислот, пептидов и других веществ)
вместе с градиентом концентрации действуют и другие. Например,
при транспорте многих ионов идут, по меньшей мере, два процесса:
диффузия вещества и перенос заряда, а значит, взаимодействуют гра­
диенты концентрации и электрического потенциала. В этом случае
система уравнений переноса записывается так:
1 ^ = ^ gradC +А п -gradU ,
\ dt
— = A 2l grad С +А 22 grade.
dt
(2 .8)
При активном транспорте ионов необходимо фосфорилирование переносчика за счет концевой фосфатной связи АТФ, отщепляю­
щейся при химической реакции гидролиза АТФ, активируемой фер­
ментом - транспортной АТФазой. В этом случае к вышесказанным
двум обобщенным силам добавляется третья - химический потен­
циал (цх), и система уравнений массопереноса приобретает вид:
Гdm
■Ап gradC +А п gradC/ +А п \1Х,
I~dt~
^ 1 = Л21 gradC +А 22gradC/ +А23 ц х,
dt
dv _
А3, gradC +А 32 -grade/ +А33 -|Х,.
C dt~
(2.9)
Здесь обобщенными координатами являются масса переноси­
мых ионов, их заряд, число молей вещества, вступающего в реак­
цию для энергетического обеспечения транспорта (обычно число
молей АТФ).
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
117
На самом деле число уравнений больше трех, так как однонрсменно переносятся ионы разных веществ и к тому же механизмы
их транспорта взаимодействуют между собой. Написанная система
уравнений отображает перенос через биологические мембраны
иона одного сорта (например, иона натрия). Из системы уравнений
(2.9) следует, что скорость химической реакции определяется не
только химическими свойствами реагирующих веществ (их сродстно выражается величиной химического потенциала как обобщенной
силы), но также градиентами концентрации и электрического по­
тенциала. Конкретно при отщеплении фосфатной группы от АТФ
термодинамическое сопряжение происходит при участии фермента
ЛТФазы, активность которого изменяется в зависимости от концен­
трации переносящих веществ, в частности ионов. Электрический
ток через мембрану клетки зависит не только от разности потенциа­
лов на ней, но и от диффузионных и химических процессов, проте­
кающих в клетке. Поэтому мембрана нелинейна по своим электри­
ческим свойствам.
Величины коэффициентов Aik можно определить расчетным
путем или экспериментально. Тогда решение системы уравнений
(2.9) позволяет предсказать, как повлияет на исследуемый процесс
(например, на транспорт веществ через мембрану клетки) любое из­
менение условий, в которых он протекает.
В заключение обратим внимание на то, что уравнения (2.6),
описывающие кинетику процессов, являются линейными, т. е. все
величины входят в них в первой степени. Оказывается, это справед­
ливо только для систем, не слишком далеких от равновесия. В живых
организмах такое условие далеко не всегда выполняется. Ранее уже
указывалось, что в клетках поддерживаются очень большие значения
градиентов; некоторые биохимические реакции протекают с высокой
скоростью - эти и многие другие процессы нельзя считать близкими
к равновесным. Поэтому для более успешного развития биофизики
приходится обращаться к нелинейной термодинамике, в уравнениях
которой учтены не только члены первой степени. В работах послед­
них лет показано, что нелинейная термодинамика может объяснить
ряд явлений, специфичных для живых организмов.
118
Биофизика
2.2.3. Сопряженный массоперенос заряженных частиц
(ионов) через биологическую мембрану
Как уже говорилось, при транспорте ионов через плазматиче­
скую мембрану имеет место термодинамическое сопряжение гради­
ентов grad С и grad U:
^ = A U gradC + А п -grade,
at
I^3. = А г. -gradC + Л„ -grade.
I dt
Здесь A u = A d = D
s,
A22 = А э =
s,
где D —коэффициент диффузии [м2-с-1],
An = A2I = ^ = и C z F s ,
R •T
- удельная электропровод­
ность [См • м-1], и = ——— подвижность [м2 • моль • Дж-1 • c-'l, С - моRT
лярная концентрация переносимого вещества [моль • м-3], F —число
Фарадея (заряд 1 моля одновалентного иона), F = 9,65 • 104 Кл • моль-1,
z —валентность, s - площадь поверхности массопереноса [м2].
Решая систему уравнений (2.8), приходим к следующему выра­
жению:
— = -Z)gradC-M-C-z-Fgrade.
dt
(2.10)
_
dm
В этом уравнении
поток вещества; знаки «минус» в праdt
вой части отражают то обстоятельство, что масса вещества при его
транспорте убывает там, где она больше.
Перейдем от потока вещества к плотности потока вещества:
I =^3L. I [моль • м-2 с-1]. Эту величину называют также интенсивноdt s
стью массопереноса:
/ = -D -grad С - и С ■z -F gtadU.
(2.11)
I пива 2. Биофизика клеточных мембран
119
Электродиффузионное уравнение Нернста-Планка (2.11) пошоляет рассчитать интенсивность массопереноса в однородных (гомок'нных) средах (например, в растворах). Присутствие биологических
мембран между растворами (в частности, между цитозолем и интерегнцием) искажает результаты таких расчетов, поскольку по физи­
ко-химическим свойствам мембраны отличаются от водных растворов
солей. Для учета поправок на эту неоднородность введено понятие
проницаемости биомембраны.
2.2.4. Проницаемость клеточных мембран
Проницаемостью биологической мембраны называют ее спо­
собность пропускать сквозь себя определенные вещества в той или
мной степени.
Расчет мембранной проницаемости, точнее коэффициента
проницаемости (р), проводят по формуле: р - ^
где Ъ- толщина
Ъ
(шомембраны, D - коэффициент диффузии, (3 - коэффициент распреЫУ
целения того или иного вещества между водой и липидом: |3 = е кТ ,
Iдо AW - разность энергий, которыми обладает частица (молекула)
липкого вещества в воде и липиде.
У ионов эта энергия находится в сильной зависимости от диэ­
лектрической проницаемости (е) сред, в которых они присутствуют t рсда с большей е сильнее взаимодействует с ионами: W =/[£). В поI юннном электрическом полеен о = 8 1 ,а е липндов = 2 - 3 . Следователь­
но, разность энергий ( W), которыми обладает молекула данного ве­
щества в воде и липиде, тем больше, чем больше разница
ли1электрической проницаемости (Де) воды и липида. А поскольку
IV в формуле входит в показатель степени при основании натураль­
ных логарифмов, то Ае на (3 влияет очень сильно.
Электрическую энергию, которую нужно преодолеть для пере­
носа 1 иона из интерстиция в бимолекулярный липидный каркас
Опомсмбраны, рассчитывают по формуле Борна:
120
Биофизика
AW
-(г~ '
2 г k Т ' липидов
- е "1 ^
12° '
г д е z - в ал ен тн ость и он а, е - зар я д эл ек трон а, г - р а д и у с и он а, к =
= 1,38 • 10-23 Д ж • К -1 (п остоя н н ая Б ол ьцм ана), Т - абсол ю тн ая т ем п е­
ратура.
Р асч ет св и д етел ь ств ует , что для п ер ен о са ч ер ез б и о м ем б р а н у
од н о в а л ен т н о го и он а, и м ею щ его р а д и у с 0 ,2 нм , н е о б х о д и м о затратить
эн ер ги ю (A W), р ав н ую 7 0 • кТ, ч ем у со о т в ет ст в у ет Р = Ю~20. Э то о зн а­
чает, ч то п е р е х о д и он ов и д р у г и х ги др оф и л ь н ы х в ещ еств ч ер ез л и п и д ­
ны й м ем бр ан н ы й каркас н ев о зм о ж ен . У ги д р о ф о б н ы х в ещ еств Р на
м н ого п ор ядк ов бол ь ш е, и он и раств ор я ю тся в м ем бр ан н ы х л и п и дах.
П о эт о м у м еха н и зм ы п ер ен о са ги др оф и л ь н ы х и ги д р о ф о б н ы х
в ещ еств ч ер ез би о л о ги ч еск и е м ем бран ы разл ичаю тся кор ен н ы м о б ­
р азом .
2.2.5. Транспорт липофильных веществ
через биологические мембраны
В 1895 г. Э . О вертон установил , что вещ ества тем л егче проника­
ю т в клетку, ч ем вы ш е и х раствори м ость в ли п и дах, а она вы сока у н е­
полярны х агентов. Л ип оф и льн ы е со еди н ен и я п р оходя т через Б М , рас­
творяясь в ее л и п и дах и двигаясь п о законам ди ф ф узи и в вязкой среде.
Т акой транспорт зави сит от величины и ф орм ы п р оникаю щ и х м ол е­
кул, а такж е от вязкости м ем браны . Е стеств ен н о, что ск орость транс­
м ем бр ан н ого п ер ен оса ж ирор астворим ы х вещ еств сильно зави сит от
тем пературы . О п р едел и в зави сим ость м ем бран н ой п рон и ц аем ости для
тех или ин ы х аген тов от тем п ер атур ы (рис. 2 .1 5 ), н ах одя т эн ер ги ю ак­
ти в ац и и (W J тр ан сп ор та и х ч ер ез Б М . О казалось, что величины Wa
для эти лен гл и к ол я (6 0 к Д ж • м ол ь-1), гл и ц ери н а (7 7 к Д ж • м оль-1),
эр и три та (8 7 к Д ж • м оль-1) бл и зк о со в п а даю т с эн ер ги ей д еги др ата­
ци и эт и х сп и р тов. П о -в и д и м о м у , п р е ж д е ч ем вой ти в л и п и дн ы й слой
м ем бр ан ы , м ол ек ул ы н еэл ек тр ол и тов п одвер гаю тся деги дратаци и.
Т ольк о п о сл е о с в о б о ж д ен и я от в о д н о й обол оч к и он и внедряю тся
в ж и дк ок р и ста л л и ч еск ую стр ук ту р у Б М и д и ф ф у н д и р у ю т в ней.
121
Гпава 2. Биофизика клеточных мембран
Igp А
►
1/Т
Рис. 2.15. Зависимость проницаемости биомембраны
от обратной температуры.
По оси абсцисс - величина, обратная обсолютной
температуре; по оси ординат - логарифм проницаемости
Интересно, что транспорт глицерина через плазмолемму эритро­
цитов человека и крысы отличается высокой скоростью и гораздо боiicc низкой Wa по сравнению с энергией дегидратации. По-видимому,
здесь нет нужды в предварительной дегидратации и, следовательно,
глицерин не диффундирует сквозь липидный бислой эритроцитарных
мембран человека и крысы. Вероятно, в них присутствуют специаль­
ные переносчики глицерина. Любопытно, что их, очевидно, нет даже в
с голь близких мембранных системах, как плазмолемма эритроцитов
гииньи, овцы, коровы. У этих животных экспериментальные значения
1Г, фанспорта глицерина через эритроцитарные мембраны соответстмуют энергии его дегидратации.
Вспомним, что молекулярные компоненты клеточной мембра­
ны непрерывно перемещаются в пределах своего слоя (латеральная
ниффузия), задерживаясь на одном месте около 10_7 с. Поэтому су­
ществуют мгновения, когда освободившееся место оказывается еще
не занятым соседними молекулами мембраны. Этот процесс аналоIнчен возникновению «вакансий» в кристаллической решетке. Однан) н жидких кристаллах вероятность образования вакансий на не| колько порядков выше, чем в твердых.
Молекулы неэлектролитов могут занять под действием физиы) химических градиентов возникшую на миг вакансию в липидном
• нос БМ. Разумеется, такое вторжение в ее жидкокристаллическую
122
Биофизика
стр ук ту р у в о зм о ж н о тол ьк о в т ом сл уч ае, есл и д и ф ф ун д и р ую щ ая м о ­
л ек ул а п о геом етр и ч еск и м пар ам етрам уклады вается в разм еры ва­
к ан тн ого м еста (яч ейк и). Е сл и ж е калибр п р он и к аю щ и х м ол ек ул
п р и ход и т ся н а д и а п а зо н от о д н о г о д о д в у х ди ам етр ов ячей ки, то для
п р о дв и ж ен и я н а 1 ш аг такая м ол ек ул а д о л ж н а вы ж дать м ом ен т, к ог­
да о д н о в р ем ен н о стан ут св о б о д н ы м и д в е с о сед н и е ячейки, см еж н ы е
с т ем м ест о м , г д е он а н ах оди т ся . П о д о б н о е со бы ти е сов ер ш ается зн а­
чи тел ьн о р еж е, ч ем обр а зо в а н и е о д и н о ч н о й вакансии, н о в ж и дк ом
кри стал л е о н о в ероя тн о. Е щ е м ен ь ш ую , н о р еал ь н ую вероятность
и м еет о д н о м о м ен т н о е в озн и к н о в ен и е т р ех см еж н ы х вакансий п о с о ­
се д ст в у с м ест о н а х о ж д е н и е м д и ф ф у н д и р у ю щ ей м ол ек ул ы , разм еры
к отор ой втр ое бол ь ш е ди а м ет р а о д и н о ч н о й ячейки.
С л едов а тел ьн о, ч ем к р у п н ее частицы п р он и к аю щ его через
м ем б р а н у в ещ еств а, тем м ен ь ш е в ероя тн ость его п роникн овения
ск возь н ее (п р и оди н ак ов ы х п р о ч и х усл о в и я х). Э т о отраж ается на
ск о р о ст и т р а н см ем б р а н н о го п е р ен о с а вещ еств: круп н ы е м олекулы
д о н ы н е ж д у т т о го м ом ен та , к огд а см о г у т п родви н уть ся н а о д и н ш аг,
и п о эт о м у п р о х о д я т Б М м ед л ен н ее. У н и зк ом ол ек ул я рн ы х н еэл ек т­
р ол и тов ск ор ость м ем б р а н н о го тр ан сп ор та обр а тн о п р оп ор ц и он ал ь ­
на к в адр атн ом у к ор н ю , а у вы сок ом ол ек ул яр н ы х - к уб и ч еск о м у кор­
н ю и з м ол ек ул я р н ой м ассы . П ок азател ем ск ор ости п ер ем ещ ен и я
в ещ еств ч ер ез Б М сл у ж и т к оэф ф и ц и ен т д и ф ф у зи и ( D). П о эт о м у ука­
зан н ы е зав и си м ости п р о н и ц а ем о ст и о т м ол ек ул яр н ой м ассы (М)
о бы ч н о вы раж аю т так: дл я м ел к и х м ол ек ул (о т в о д о р о д а д о трисахаI
j_
ри дов): D - М 2 = const, а дл я б о л е е к руп н ы х м ол ек ул D M 1 —const.
Ч астицы д и ф ф у н д и р у ю щ ег о в ещ еств а п ер ем ещ аю тся в Б М не
н еп р ер ы в н о, а д и ск р ет н о - скачкам и (о т о д н о г о вакантн ого м еста к
д р у г о м у , вы ж идая его обр а зо в а н и е), в си л у ч его и зл ож ен н ая схем а
т р ан сп ор т н о го п р о ц есса п ол у ч и л а н азв ан и е гипотезы скачков. Она
о сн о в а н а н а п о л о ж ен и я х стати сти ч еск ой ф изики. В за р у б еж н о й л и те­
р атур е эта сх ем а ф и гур и р у ет п о д н азв ан и ем гипотезы кинков.
Кинками н азы ваю т л аби льн ы е (в р ем ен н о су щ ест в у ю щ и е) и н е­
пр ер ы в н о п ер ем ещ а ю щ и еся стр ук тур н ы е деф ек ты в угл ев одор о дн ой
части Б М . И м и оп р едел я ет ся н ал и ч и е в м ем бр а н е св о б о д н ы х о б ъ е­
м ов (вак ан си й , в р ем ен н ы х ды р ок ). С о гл а сн о ги п о тезе кинков, в та­
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
123
кую вакансию могут встраиваться мелкие молекулы неэлектролитов
(н том числе ассоциаты воды) и мигрировать вместе с нею. Поэтому
0 кинках говорят как о «кинетических каналах» мембраны. Коэффи­
циент диффузии кинков вместе с захваченными ими молекулами
проникающего вещества довольно высок - до 10-9 м2 с-1. Следоватеiii . h o , кинки обеспечивают быструю диффузию.
Между гипотезами скачков и кинков (в их классических вариан­
тах) все же есть небольшие различия в деталях (например, относитеiii.no возможности транспорта воды), но в принципиальных положе­
ниях они сходны и объясняют механизм трансмембранного переноса
жирорастворимых соединений.
2.2.6. Транспорт гидрофильных веществ
через биологические мембраны
Гидрофильные вещества не способны перейти из водного рас­
твора (интерстиция или цитозоля) в липидный каркас клеточной
мембраны. Для трансмембранного переноса у них есть две возмож­
ности:
1 ) одеться в гидрофобный «чехол» и в таком виде раствориться
и липидной фазе мембраны (наподобие транспорта ионов калия валиномицином) - так происходит транспорт гидрофильных веществ при
помощи переносчиков;
2 ) пройти через такие места в биомембране, где е велика; заме1им, что такую же величину, как в интерстиции и в цитозоле, е имеет
н сквозных порах, заполненных водой, т. е. в мембранных каналах Iпк происходит транспорт гидрофильных веществ по каналам в биомембране.
2.2.6.1. Транспорт с участием переносчиков
Транспорт многих гидрофильных веществ (моносахаридов, ами­
нокислот, некоторых ионов и др.) обеспечивают подвижные переносчи­
ки. В 1971 г. группа американских ученых обнаружила в БМ пептид,
имеющий циклическую структуру (наподобие валиномицина) и спо­
собный селективно переносить ионы. Эта находка не подтвердилась, но
поиск подобных мембранных переносчиков продолжается. Интерес
124
Биофизика
к циклическим полипептидам подогревается тем, что макроциклические антибиотики способны встраиваться не только в искусственные,
но и в клеточные мембраны, изменяя их ионную проницаемость. Так,
при добавлении валиномицина к суспензии эритроцитов наблюдается
утечка ионов К+ из клеток. Кроме того, валиномицин вызывает приток
К+внутрь изолированных митохондрий.
Преимущества транспорта гидрофильных веществ при помо­
щи переносчиков по сравнению со свободной диффузией через ли­
пидный бислой клеточной мембраны иллюстрирует перенос глюко­
зы из плазмы крови в эритроцит. У глюкозы пять гидроксильных
групп, способных образовывать водородные связи. Теоретически Wa
переноса глюкозы из водного раствора в гидрофобную область БМ
должна составлять около 80 кДж • моль-1. В эксперименте Wa транс­
порта глюкозы через эритроцитарную мембрану составляет всего
16 кДж • моль-1. Облегчение трансмембранного переноса обусловле­
но тем, что глюкоза преодолевает плазмолемму не путем свободной
диффузии через липидный бислой, а при помощи переносчика. Поэ­
тому движение глюкозы сквозь мембрану эритроцита происходит
примерно в 10 тысяч раз быстрее, чем можно было ожидать при ее
свободной диффузии в мембранных липидах.
Из эритроцитов человека выделен специфический переносчик
глюкозы, оказавшийся интегральным белком плазмолеммы. Искусст­
венные липидные мембраны, в которые его встраивают, приобретают
селективную проницаемость, свойственную клеточным мембранам
человека и животных: через них с большой скоростью переносится
только D-глюкоза, тогда как L-глюкоза практически не проникает.
В плазматической мембране бактериальной клетки - кишечной
палочки (Е. coli) обнаружено несколько десятков транспортных бел­
ков, каждый из которых переносит определенное вещество, причем
для каждого из сахаров есть специфический переносчик.
По-видимому, переносчики в БМ могут работать, используя
разные способы перемещения (миграционный, ротационный, сдвиго­
вый и т. д.). Представляя себе миграцию переносчика в клеточной
мембране, полезно вспомнить гипотезу о механизме валиномицинового транспорта в искусственной мембране. Среди мигрирующих пе­
реносчиков можно выделить две разновидности. Одни транспортеры
I лава 2. Биофизика клеточных мембран
125
мигрируют внутри мембраны, взаимодействуя с переносимым веще­
ством только на ее поверхностях. Этот механизм транспорта называ­
ют малой каруселью. Другие мигрирующие переносчики способны
покидать биомембрану и выходить в примембранное пространство
и поисках транспортируемого агента. Поиск направляется действием
электростатических сил и химическим взаимодействием. Вместе с пе­
реносимым веществом транспортер второго типа возвращается в БМ,
проходит ее насквозь, выходит в противоположное примембранное
пространство и оставляет там свой «багаж». В этом случае говорят
0 большой карусели. Тип «карусели» зависит от поверхностноактивиых свойств и растворимости самого переносчика. По механизму ма­
лой карусели работают транспортеры, плохо растворяющиеся в воде
и являющиеся поверхностноактивными веществами.
Миграционный механизм присущ переносчикам, размеры ко­
торых меньше, чем толщина БМ (рис. 2.16, а). Вместе с тем транс­
портерами могут служить крупные белковые молекулы и их комппсксы, прободающие насквозь липидный бислой. Они переносят
иещества через БМ посредством ротации или сдвига на расстояние,
равное толщине мембраны.
Ротационный механизм (рис. 2.16, б) заключается в перевороте
крупной молекулы переносчика вокруг оси, лежащей в плоскости
мембраны, в результате чего транспортируемое вещество, посажен­
ное на один конец такой молекулы, оказывается на противополож­
ной стороне БМ. Ротационный перенос требует значительных затрат
шергии и может оказаться эффективным только в том случае, если
1 молекула переносчика транспортирует одномоментно (за один по­
порот) много молекул переносимого вещества.
Более выгодным в энергетическом отношении является механохимический процесс в молекуле переносчика, заключающийся не
и полном ее перевороте, а в сдвиге отдельных областей относительно
неподвижной части, причем вместе с участком переносчика, уходя­
щим с поверхности в глубь мембраны, в нее погружается и транспоршруемое вещество (рис. 2.16, в). Это напоминает движение ленты
Iринспортера.
По-видимому, в разных БМ и при транспорте различных ве­
ществ работают разнообразные переносчики: одни мигрируют сквозь
126
Биофизика
Рис. 2.16. Схема работ ы мембранных переносчиков разных типов
а - миграция; б - ротация; в - сдвиг. Обозначения: S - переносимое вещество
до переноса, S ' - переносимое вещество после переноса; П - переносчик;
Л -л и п и д н ы е компоненты мембраны; I - состояние до начала переноса;
I I - процесс переноса; I I I - состояние после переноса
мембрану, другие - переворачиваются, третьи - претерпевают конформационные перестройки со сдвигом активных, т. е. взаимодейст­
вующих с транспортируемым веществом групп относительно непо­
движных. Очевидно, перечислены не все механизмы работы
мембранных переносчиков. Будущие исследования откроют еще не­
известные. Перспективным направлением в изучении этой проблемы
является выяснение «машинных» свойств белковой молекулы (Блюменфельд JI. А., 1977).
Изучая молекулярные машины живой клетки, Л.А. Блюменфельд стремился учесть не только статистические, но и механические
принципы работы биологических молекул. Характерной особенно-
I tinea 2. Биофизика клеточных мембран
127
1 1 мо белков является существование кинетической неравновесности
мм уровне вторичной и третичной структур, в силу чего многие хими­
ческие реакции, в которые вступают белковые молекулы, сопровож­
даются конформационными перестройками (изменениями геометри­
ческой формы молекулы за счет свободного вращения отдельных ее
фрагментов относительно простых углерод-углеродных связей). Та­
кие изменения вторичной и третичной структур белковой молекулы
приводят к изменению ее пространственных координат, т. е. к меха­
ническому перемещению. Молекула переносчика, вступив в реакцию
г транспортируемым веществом и посадив его на себя, испытывает
кинформационные превращения, выражением чего может быть тот
или иной механизм перемещения ее в биомембране. Конкретные при­
меры работы мембранных переносчиков приведены в 2.3.
2.2.6.2. Транспорт по мембранным каналам
Гипотеза о существовании в живых тканях пор, заполненных
модой, по которым осуществляется массоперенос, была сформулиромана Брюкке в 1842 г. при исследовании транспорта воды через стен­
ку мочевого пузыря. Однако только через столетие - во второй поломмис XX века гипотеза Брюкке стала общепринятой концепцией,
чему способствовали работы Ходжкина и Хаксли (1952), Девсона
и Даниелли (1955) и исследования свойств грамицидинового канала,
ме гроенного в искусственный липидный бислой (Хладни, Хайдон,
1970, 1972).
Согласно современной концепции, мембранный канал предггавляет собой интегральный белок (белковый комплекс) или гликомротеид, встроенный в липидный бимолекулярный каркас мембраны,
пронизывающий ее насквозь и обеспечивающий перенос веществ че­
рез нее в сторону более низкого электрохимического потенциала.
Иторичная структура компонентов мембранного белкового комплек­
та имеет характер Р-складчатости с цилиндрической порой внутри, за­
полненной водой. Коэффициент проницаемости ионных каналов со­
ставляет 10-8—10-9 м • с-1, что на 5-6 порядков меньше скорости
переноса ионов при свободной диффузии в водной среде. Замедление
обусловлено тем, что движение иона по каналу представляет собой
128
Биофизики
п о сл ед о в а т ел ь н о е за м ещ ен и е м ол ек ул в оды ги др атн ой обо л о ч к и иона
на п ол я рн ы е груп п ы , вы сти л аю щ и е п ол о сть канала.
Х и л л е в 1 9 7 7 -1 9 8 4 гг. п р едл ож и л ф ун к ц и он ал ь н ую модель
и о н н о го канала, со гл а сн о к отор ой в н ем и м ею тся два осн ов н ы х ком
пон ен та: селективный фильтр и воротный механизм. П ервы й и м е с 1
ж ест к у ю стр ук тур у, т. е. в эт о й части белк овы й к ом п лек с, обр азую
щ ий канал, н е м о ж ет и зм ен я ть разм ер ы поры внутри н его и регули
ровать п р о н и ц а ем ост ь м ем бр ан ы . Ф ун кция сел ек ти в н ого фильтра
п роп уск ать ч ер ез канал о п р ед ел ен н о е в ещ еств о или гр уп п у сходны х
с ни м в ещ еств , т. е. отби р ать и х и з д р уги х.
Р егул и р о в ан и е м ем бр а н н ой п р о н и ц а ем ости обеспечивается
так назы ваем ы м и в ор отн ы м и п р о ц ессам и . О ни осущ еств л я ю тся «во
р отам и канала», котор ы е п р едстав л яю т с о б о й части бел к ов о го коми
л ек са, сп о со б н ы е «р аск руч и ваться» и «скручи ваться» в х о д е и х меха
н о -х и м и ч еск и х реак ц и й и бл агодар я эт о м у создавать п р о св ет внутри
бел к ов о го к ом п л ек са или перекры вать его (сж и м ать или восстанан
ливать п о р у).
П р оф и л ь п р о св ета и м еет р азм ер , сои зм ер и м ы й с р азм ер ом про
п уск аем о го в ещ еств а (деся ты е д о л и н ан ом етра). П о эт о м у движ ениг
вещ еств п о каналу о д н о р я д н о е и, сл ед ов а тел ьн о, канал м о ж ет пребы
вать тол ько в о д н о м из д в у х п р о ти в оп ол ож н ы х состоя н и й : закрытом
или п ол н ост ь ю откры том , при к отор ом д ости гается максимальная
ск ор ость тран сп орта. Н ап р и м ер , ск ор ость дв и ж ен и я натрия и каль
ция ч ер ез со о т в ет ст в у ю щ и е п отен ц и ал зав и си м ы е каналы составляв i
107 и он ов в се к у н д у и н е м о ж ет бы ть м ен ь ш ей или бол ь ш ей . Канал
л и б о со в сем н е п р о п уск ает в ещ еств а (в закры том со стоя н и и ворот),
л и б о п р о п уск ает и х с о п р ед ел ен н о й ск ор ость ю . П р и веден н ая выпи*
ск ор ость и о н н о го тр ан сп ор та о б есп еч и в а ет эл ек тр оп р ов одн ость оди
н оч н о го канала, р ав н ую п р и м ер н о 4 0 пС м .
И з ск аза н н ого сл ед у ет , что п р он и ц аем ость м ем бран ы для дан
н ого в ещ еств а оп р едел я ет ся н е ст еп ен ь ю раскры тия о д н о й поры (oiu
л и б о сж ата, л и б о п ол н ость раскры та), а ч и сл ом откры ты х каналов и
дан ы й м ом ен т. П о эт о м у м ем б р а н н у ю п р он и ц аем ость (р) при перено
,
k 2D
се вещ еств п о каналам рассч и ты в аю т п о ф орм ул е: р = п — — , гд е п
ч и сл о откры ты х каналов н а ед и н и ц е п о в ер х н о ст и м ем бран ы , г - ри
i пппш 2. Биофизика клеточных мембран
129
т у е канала, D - к оэф ф и ц и ен т д и ф ф у зи и в ещ еств а в в о д е, / - дл и н а
►пиала (п р и м ер н о равна тол щ и н е м ем бр ан ы ).
П ер еход канала из закры того состояния в откры тое и обр атн о
*м ущ сствляется п о д дей ств и ем оп р едел ен н ы х стим улов. Е сли таким
• | и м улом сл уж и т сдвиг м ем бр ан н ого потенциала, то канал отн оси тся к
• pvinic потенциалзависимых ионных каналов. В н и х важ ны м к ом п он ен |пм воротного м ехан и зм а является сен со р напряж ения, образован ны й
тм инны м и зарядам и, которы м и обл ад аю т ам ин окислотны е остатки
кового ком плекса, составл яю щ его канал. Н ап рим ер, в п отенциалзаиж им ом натриевом канале сен сор напряж ения, как полагаю т, обр а зо мнн катионны ми ам инокислотны м и остаткам и (ги сти ди л ом , л и зи л ом ,
npi инилом).
В торую гр уп п у каналов составляю т потенциалнезависимые кач,1 п,1 . О ни управляю тся н е сдвигам и м ем бр ан н ого потенциала, а сти м у• (ми др уги х м одальностей: хи м и ческ и м и , м ехан и ческ и м и , световы м и
и чр. П отенциалнезависим ы е каналы обы ч н о ф ун к ц и он и р ую т во взаи­
модействии с м ем бранны м и рец еп торам и , восп ри н и м аю щ и м и соотв етш ую щ ие стим улы . П осредн и к ам и м еж д у рец еп тор ам и и каналам и
• ну жат, как правило, внутриклеточны е сигнальны е си стем ы .
П од р азд ел ен и е в сех каналов на эти д в е групп ы - н е ед и н ст в ен нпи их классиф икация. С у щ ест в ую т класси ф и к ац и и и п о д р уги м п ри иыкам, н о п ри веден н ая классиф икация оч ен ь актуальна, п оск ол ь к у
ф ун к ц и он и рован и ем п отен ц и ал зав и си м ы х и он н ы х каналов св я зан о
и Iж иейш ее св ой ств о ж ивы х ткан ей - возбудимость.
К инетика и эн ер гет и ч еск ое о б е сп е ч ен и е т р ан см ем бр ан н ого
"• |ччю са ги др оф и л ь н ы х вещ еств ч ер ез каналы и п о ср ед ст в о м п ер е1ИНЧИКОВ су щ ест в ен н о различны . Так, ск ор ость тр ан сп ор та и он ов
ми каналам, как у ж е гов ор и л ось, состав л я ет 107 и он ов в сек у н д у ,
» п оср едств ом п ер ен осч и к ов - 104 и он ов • с-1, т. е. в ты сяч у раз
•* мыпе. П отенциальны й барьер кан ал ьного м а сс о п ер ен о с а м ен ее
I \ кДж • м оль-1, а тр ан сп ор та с у ч аст и ем п ер ен осч и к а - б о л е е
' кДж • м оль-1. К оэф ф и ц и ен т В ан т -Г о ф ф а ( б 10), равны й со о т н о ш е ­
нию ск ор остей п р о ц есса при т ем п ер атур ах, отл и ч аю щ и хся на 10 °С
T„+\о Л
( / - v~т
при дв и ж ен и и в ещ еств п о каналам состав л я ет чуть
v/|o
vr
»h| I
130
Биофизика
больше единицы, тогда как переносчик обеспечивает транспорт
с Qw более 2.
По каналам мембрану преодолевают главным образом ионы,
а переносчики транспортируют как ионы, так и моносахариды,
и аминокислоты. Нередко переносчики образуют тройные комплек­
сы: с моносахаридом и ионом натрия или с аминокислотой и ионом
натрия.
Подытоживая сложившиеся взгляды на механизмы транс­
порта веществ через клеточные мембраны, нельзя не отметить еди­
нодушного мнения о разнообразии транспортных процессов: диф­
фузия сквозь липидный бислой, движение по мембранным кана­
лам, перемещение в комплексе с переносчиком. Очевидно, перечис­
ленные механизмы не исчерпывают гетерогенности мембранного
транспорта, тем более что в пределах каждого из них существует
большое разнообразие конкретных способов реализации общего
принципа. Многие вещества могут транспортироваться разными
способами (например, для ионов натрия есть и переносчики, и кана­
лы, работающие одновременно и согласованно). Многообразие ва­
риантов переноса является основой селективной (избирательной)
проницаемости разных БМ по отношению к тем или иным вещест­
вам. Она зависит от того, какие механизмы и в какой степени сфор
мированы в данной мембране. Так, в одних БМ нет переносчиком
моносахаридов, а в других они есть, причем в разных мембранах
в неодинаковых количествах; в одних БМ присутствуют только потенциалнезависимые ионные каналы, а в других - как потенциалнс*
зависимые, так и потенциалзависимые. Подобным примерам h c j
конца. С некоторыми из них читатель встретится на последующих
страницах пособия.
В целом при пассивном транспорте селективность БМ опреде­
ляется коэффициентом распределения вещества между липидом
и водой, а в еще большей степени - избирательностью каналов и пс
реносчиков по отношению к определенным агентам. Вместе с тем из
бирательная проницаемость клеточных мембран тесно связана с ра
ботой так называемых биологических насосов, которым посвящен
следующий раздел.
I imttn 2. Биофизика клеточных мембран
131
2.3. Биологические насосы
Термин «биологические насосы» живет в биологической лите­
ра Iуре с прошлого века. Он появился еще до возникновения взгляда
ми биомембрану как на важнейший функциональный компонент
кистки. Смысл этого термина неоднократно изменялся. Вначале под
Геологическими насосами понимали какие-то неизвестные механиз­
мы, которые обеспечивают массоперенос в организме вопреки эле­
ментарным законам физики и химии.
В середине прошлого века после блистательных успехов физи­
ки химического изучения жизнедеятельности появились факты, свице гсльствующие о том, что всасывание веществ в пищеварительном
факте, мочеобразование и лимфоотделение только отчасти сводятся
к процессам фильтрации и диффузии. Это установил Р. Гейденгайн,
подвергший критике механистические представления своих предше• Iпенников. «Такая критика Гейденгайна как выдающегося предстаии геля науки, - писал И.П. Павлов, гордившийся тем, что был его
учеником, - дала повод некоторым людям с метафизическими намюнностями утверждать неприложимость физико-химической точки
«рения к анализу жизненных явлений и необходимость обратиться
мри изучении жизни к особенному, жизненному духовному началу».
11редставления Р. Гейденгайна о физико-химической природе жизне­
деятельности в силу их диалектического характера были глубже, чем
большинства его современников.
Позднее ученые разобрались во многих недоразумениях при­
митивного приложения законов физики и химии к объяснению явле­
ний жизни. Однако термин «биологические насосы» продолжает
ф и гь в биологии. В последние годы с ними зачастую отождествляют
ионные насосы - системы активного транспорта Na+, К+, Са2+, Н+
(пл грий-калиевую, кальциевую, протонную помпы).
2.3.1. Активный транспорт [общие положения)
Активным транспортом называют трансмембранный пере­
нос веществ в направлении, противоположном транспорту, кото­
рый должен был бы происходить под действием физико-химических
i радиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Он
132
Биофизика
направлен в сторону более высокого электрохимического потенциа­
ла и необходим как для накопления в клетках (или определенных ор­
ганоидах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их
низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органоидов)
тех агентов, содержание которых там должно поддерживаться на
низком уровне, даже при повышении его в окружающей среде.
Свойства систем активного транспорта. Из определения ак­
тивного транспорта следует, что его важнейшим свойством является
перенос веществ вопреки действию физико-химических градиентов
(вопреки электродиффузионному уравнению Нернста-Планка), т. е,
в сторону более высокого электрохимического потенциала благодаря
термодинамическому сопряжению концентрационного и электриче­
ского градиентов с расходованием свободной энергии организма.
Поэтому система уравнений переноса выглядит так:
^ = A U gradC +Ап gradU +А и -цх,
at
•
gradC +А 22 gradU +А 23 -цх,
at
dv
— = A3l -gradC +A 32 -gradt/ +A33 -цх.
I at
Химический потенциал (\ix) количественно характеризует
вклад ферментативных реакций в свободную энергию биомембраны,
необходимую для преодоления сопряженного действия концентра'
ционного и электрического градиентов. Если изменения свободной
энергии клетки, обеспечивающие активный транспорт через мембра­
ну, обусловлены макроэргами (АТФ), то в этих уравнениях: v - число молей АТФ, затраченных на массоперенос, а \ix равен приросту
свободной энергии клетки при гидролизе 1 моля АТФ (в стандарт­
ных условиях это составляет 31,4 кДж • моль-1).
Сказанное позволяет сформулировать второе характерное
свойство систем активного транспорта - необходимость энергетиче­
ского обеспечения за счет свободной энергии, выделяющейся либо не­
посредственно в ходе окислительно-восстановительных реакций
i iman 2. Биофизика клеточных мембран
133
фгчь идет о так называемой редокс-помпе), либо при гидролизе мак|мпргов, синтезированных впрок при тех же реакциях. Необходимо
подчеркнуть, что свободная энергия, обеспечивающая активный
фииспорт, черпается биомембранами в ходе химических процессов,
• низанных непосредственно с переносом веществ через них, т. е. из
химических реакций, в которых участвуют сами мембранные компонпггы систем активного транспорта. В этом состоит коренное отличие
ммивного транспорта от других способов транспорта веществ через
1»М, также нуждающихся в затратах свободной энергии. Оно станет
понятнее после рассмотрения облегченной диффузии (см. 2.3.4).
Свободная энергия (AG), затрачиваемая на трансмембранный
перенос одного моля вещества в направлении более высокого элект­
рохимического потенциала, рассчитывается по формуле:
С
AG = R T In—-,г д е Сх > С2.
С2
У человека в покое примерно 30-40% всей энергии, образую­
щейся в ходе метаболических процессов, расходуется на активный
финспорт. В некоторых случаях на его обеспечение может затрачиммться почти вся свободная энергия, вырабатываемая клеткой. Тка­
ни, в которых активный транспорт особенно интенсивен, потребляют
много кислорода даже в покое. Например, масса мозга человека со»пшляет только 1/50 массы тела, но в условиях мышечного покоя
Iкипи мозга поглощают около 1/5 всего кислорода, усвоенного орга­
низмом. Общая мощность всех ионных насосов человеческого мозга
примерно 1 Вт. Почки при угнетении в них активного транспорта
ноиов снижают свою потребность в кислороде на 70-80%.
Третье свойство систем активного транспорта заключается
и их специфичности: каждая из них обеспечивает перенос через БМ
шлько данного вещества (или группы их) и не переносит другие.
11равда, активный транспорт ионов натрия бывает сопряжен с пассив­
ным переносом в том же направлении других веществ (например
Iшокозы, некоторых аминокислот и т. д.). Это явление называют симпортом. Некоторые системы активного транспорта переносят одно
нсщсство в данном направлении, а другое - в противоположном. Так,
134
Биофизика
калий-натриевая помпа закачивает калий из межклеточной среды в
цитоплазму и откачивает натрий из клетки. Такой вид транспорта на­
зывают антипортом.
Когда эти ионы начинают перемещаться через БМ в направле­
нии более низкого электрохимического потенциала, то натрий-калиевая помпа становится генератором АТФ. Это явление получило на­
звание эффекта обращения систем активного транспорта: на
перекачивание ионов в сторону более высокого электрохимического
потенциала насосы затрачивают свободную энергию, гидролизуя
АТФ, тогда как при движении ионов в противоположном направлении
они преобразуют энергию градиентов в энергию макроэргической свя­
зи АТФ, синтезируя его из АДФ. Специфичность систем активного
транспорта служит одним из самых действенных механизмов селек­
тивной проницаемости клеточных мембран и придания им векторных
свойств.
Компоненты систем активного транспорта. В составе лю­
бой системы активного транспорта веществ через БМ можно выде­
лить три основных компонента: источник свободной энергии, пере­
носчик данного вещества, сопрягающий (регуляторный) фактор.
Последний сопрягает работу переносчика с источником энергии. Вес
компоненты систем активного транспорта образуют сложный моле­
кулярный комплекс в клеточной мембране.
В большинстве известных систем активного транспорта непо­
средственным источником свободной энергии служит АТФ. За счел
присоединения его концевой фосфатной группы, предварительно ото­
рванной при гидролизе, к мембранному переносчику последний фосфорилируется и приобретает дополнительную энергию, достаточную для
преодоления физико-химических градиентов, препятствующих движеию переносимого вещества. Следовательно, фосфорилированный
комплекс переносчика с транспортируемым веществом способен пре­
одолеть потенциальный барьер, неприступный для него до фосфорилирования. Отдавая перенесенное вещество на противоположной стороне
БМ, молекулы переносчика дефосфорилируются и теряют энергию.
Реже свободная энергия черпается системами активного транс­
порта непосредственно из окислительно-восстановительных реакций,
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
135
I е. из цепи переноса электронов. Систему активного транспорта с та­
ким источником энергии называют редокс-помпой. Примером может
тужить перенос Н+-ионов через внутреннюю мембрану митохонд­
рии, обеспечивающий создание протондвижущей силы, при клеточ­
ном дыхании.
О переносчиках, обеспечивающих активный транспорт, известно
пока немногое. По-видимому, в разных системах активного транспорта
работа переносчиков осуществляется посредством различных механиз­
мов. Во-первых, переносчиками могут быть сравнительно мелкие бел­
ковые молекулы, присутствующие в БМ. В этом случае молекула пере­
носчика, приняв транспортируемое вещество, проходит всю толщу
(шомембраны, работая по типу малой или большой карусели. Во-вто­
рых, переносчиками могут служить крупные молекулы мембранных
Оелков, насквозь пронизывающие фосфолипидный бислой. Им, вероят­
но, свойственны такие механизмы, как ротация или сдвиг.
Третий компонент системы активного транспорта обеспечивает
сопряжение работы переносчика с источником энергии. Такое сопря­
жение может заключаться в переносе фосфатной группы с АТФ на
переносчик. Чтобы фосфорилировать переносчик, нужно прежде
Iидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только
и присутствии специальных ферментов, называемых АТФазами.
()ни-то и служат фактором, сопрягающим работу переносчика с источ­
ником энергии в основных системах активного транспорта (натрий-каиисвой и кальциевой помпах). Название этой ферментной системы
употреблено во множественном числе не случайно. Для активного
фпнепорта каждого вещества в тех случаях, когда источником энерIпи является АТФ, обнаружена специфическая АТФаза. Каждая из
Iраиспортных АТФаз активируется именно тем веществом, чей актив­
ный транспорт она обеспечивает. Например, Са-активируемая АТФаIII переходит в активное состояние только тогда, когда концентрация
( 'и2*'в примембранном пространстве достигает определенного уровня,
при котором необходим активный транспорт этого иона.
Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами
и проявляют высокую специфичность, катализируя реакции, течение
которых строго зависит от направления подхода к БМ транспортиру­
емых веществ. Так, Na-K-активируемая АТФаза приобретает актив­
136
Биофизика
н ость п р и в заи м од ей ст в и и с н ею натрия вн утр и клетки, а калия - сн а­
р уж и . О н а н е ак ти ви руется при сам ы х зн ачи тел ьн ы х кон цен трациях
натрия в м еж к л ет о ч н ой ср е д е и калия - в ц и тозол е.
З ав и си м ость п оток а (Ф ) п ер ен о си м о г о вещ еств а ч ер ез кл еточ­
н у ю м ем б р а н у от его к он ц ен тр ац и й п о о б е е е сторон ы (С, и Се) при
уч асти и
т р ан сп ор тн о й
А Т Ф азы
оп и сы вается уравнением :
С
_ Сл р
ф— d _
г д е СА- кон цен трация А Т Ф азы в б и о ­
k.I + С /. к е -\-С е J
м ем бр а н е, р - п р о н и ц а ем ост ь м ем бран ы дл я к ом п лек са « п ер ен о си ­
м о е в ещ еств о - ф ер м ен т », kt и ке- константы д и ссоц и ац и и эт ого ком ­
п л ек са на в н ут р ен н ей и н ар уж н ой п ов ер х н о ст я х БМ .
В к л еточ н ой м ем бр ан е п остоян н о п ри сутств ую т и переносчик и,
и транспортны е А Т Ф азы , в п р и м ем бр ан н ом пространстве клетки н ах о­
ди тся А Т Ф , вы ходящ ий и з м и тохон др и и , - и все они подтягиваю тся
к м естам -активного транспорта. О дн ако вся си стем а не работает д о п о ­
явления о п р ед ел ен н ого стим ула, которы м обы чн о сл уж и т нарастание
кон цен трации вещ ества, п од л еж ащ его акти вном у транспорту. Э то ве­
щ ество активирует сп ец и ф и ч еск у ю А Т Ф азу, которая, в св ою очередь,
катализирует ги др ол и з А Т Ф с отщ еп л ен и ем кон цевой ф осф атн ой груп ­
пы. П ри соеди н я ясь к п ер ен осч и к у, он а ф осф ор и л и р ует его. П ри ф осф орилировании п ер ен осч и к п р и обр етает доп ол н и тел ь н ую св обод н ую
эн ер ги ю , н ео б х о д и м у ю и доста то ч н ую для тран см ем бран н ого перен оса
в ещ ества вопреки д ей ств и ю ф и зи к о-хи м и ч еск и х градиентов.
Так, вн утри клетки п ов ы ш ен и е со дер ж ан и я N a + вы ш е о п р ед е­
л ен н ого ур ов н я акти ви рует N a -K -ак ти в и р уем ую А Т Ф азу, а он а - р е­
акцию ги д р о л и за А Т Ф :
N a'
I
N a - К - акт ивируемая А ТФаза
а т ф + н 2о —
■
х
-
^ - > а д ф + н 3р о 4.
2.3.2. Системы активного транспорта
С и стем ы активного транспорта ион ов (и он н ы е насосы , ионны е
пом п ы ) о бесп еч и в аю т н ер ав н ов есн ое р асп р едел ен и е эти х агентов м еж ­
д у клеткой и м еж к л еточ н ой ср ед о й , а такж е ср еди различны х орган ои-
137
I ntum 2. Биофизика клеточных мембран
пои. Постоянство ионного состава {изоиония) цитозоля и содержимого
органоидов является необходимым условием поддержания жизни.
Моны входят в состав всех биологически важных молекул, регулируют
•ффективность обмена веществ. Все превращения энергии, включая об­
разование и использование макроэргов, контролируются ионами. В орIимнзме они составляют сложные тонко сбалансированные внутриклетчиую и внеклеточную ионные системы. Малейшее их нарушение
неизбежно приводит к нарушению жизнедеятельности. Например, весь
кнеточный метаболизм чрезвычайно чувствителен к изменению содер­
жания Na+ в цитозоле. При его повышении угнетается синтез белка
н усиливается образование липидов. При сохранении высокой концент­
рации Na+ в цитозоле в течение длительного времени синтез белка так­
же усиливается. Следовательно, ионы натрия выступают в роли регулятра метаболической активности клетки. Подобная функция присуща и
крутим ионам (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Содержание ионов в интерстиции и цитозоле.
Кардиомиоциты
млекопитающих
Аксон кальмара
Ионы
Ко н ц ен тр ац и и и о нов , м м ол ь л*1
В и нтерстиц ии
В ц итозол е
N a+
145
15
К+
4
150
О
0)го
+
Клеточны е
структуры
2
1 0 " * - в покое
10"2 -
сг
120
6
N a+
45 0
50
К+
20
400
ю~1-
при сокращении
Изменения содержания в цитозоле водорода, калия, кальция,
магния и других катионов сигнализируют ее метаболическим систе­
мам о малейших нарушениях клеточной целостности, которая дости­
гается относительной обособленностью химического состава клетки
мри наличии многообразных связей со средой ее обитания.
В организме человека 50% ионов натрия содержится в межкле­
точной среде (интерстиции), 40% - в костях и только 10% - внутри
клеток. В интерстиции натрию сопутствуют анионы хлора и бикарбо­
138
Биофизика
ната, к он ц ен тр ац и и к отор ы х там зн ач и тел ьн о вы ш е, ч ем в ц и то зол е.
В отл и ч и е от и он ов натрия, а так ж е кальция, катионы калия и м агния
со ср ед о т о ч ен ы п р еи м у щ ест в ен н о внутри клеток. И з 160 г и о н и зи р о ­
в ан н ого калия, в х о д я щ его в со став тел а ч ел овек а ср ед н ег о р оста и
м ассы , тол ьк о 3 г п р и ход и т ся н а м еж к л ето ч н ую ср ед у . В ц и то зол е
С а2+ п р и су т ст в у ет в н и ч т ож н ой к он ц ен тр ац и и (ок ол о 10~8 м оль • л-1)
д а ж е в м ы ш еч н ы х в ол ок н ах, г д е его со д ер ж а н и е д ов ол ь н о в ел и к о, но
там о н со ср ед о т о ч ен н е в ц и то зо л е, а в ц и стер н а х сарк оп л азм ати ч еск ой сети , м ем бр а н а к отор ой в н есок р ащ аю щ и хся м ы ш ц ах сл уж и т
н еп р ео д о л и м ы м п р еп я тств и ем дл я п ер ем ещ ен и я эт ого ион а.
С таб и л ь н ое п о д д ер ж а н и е и о н н о го н ер авн овеси я , а такж е п ер е­
м ещ ен и е и он ов ч ер ез к л еточ н ы е м ем бр ан ы в ст о р о н у б о л е е вы сок ого
эл ек т р охи м и ч еск ого п отен ц и а л а дл я осущ еств л ен и я м н оги х ф и зи о ­
л о ги ч еск и х п р о ц ессо в о б есп еч и в а ет ся р або т ой и он н ы х н асосов .
2.3.2.1. Калий-натриевый насос
Т ольк о бл агодар я си ст ем е акти вного тр ан сп ор та N a + и К + п о д ­
дер ж и в аю т ся стаби л ьн ы е и в есь м а в ы сок и е гради енты к он цен траций
эт и х и он ов на п л азм ол ем м е л ю б о й клетки Р азн и ц а в и х м олярны х
к он ц ен тр ац и я х м е ж д у ц и т о зо л ем и и н тер сти ц и ем д о ст и га ет Ю -2 0 ,
п р и ч ем калия бол ь ш е в ц и то зо л е, а натрия - в м еж к л еточ н ой ср еде.
П о д д ей ст в и ем к он ц ен тр а ц и он н ы х гр ади ен тов К + в ы ходи т и з клетки,
a N a + в х о д и т в н ее. П асси в н ы й тр ан сп ор т привел бы к ликвидации
и о н н о го н ер авн овеси я , н о эт о м у м еш ает р абота кал и й -н атри евого на­
со са. О н б е сп р ест а н н о откач ивает натрий и з ц и тозол я в и н тер сти ц и й
и закач ивает К + в клетку. У ста н ов л ен о, н ап ри м ер, что ч ер ез каж ды й
I см 2 п л азм ол ем м ы н ер в н о го вол ок н а кальм ара еж есек у н д н о п р о х о ­
д и т 1 0 10 и он ов натрия, на что р а с х о д у е т с я пятая часть в сей с в о б о д ­
н ой эн ер ги и , о б р а зу ю щ ей ся у кальм ара за сч ет к л еточ н ого ды хания.
С л едов а тел ьн о, к ал и й-натр иевы й н а со с - весьм а эн ергоем к ая си ст е­
ма. Э н ер ги я затрачи вается на ан ти п ор т натрия и калия.
К о м п о н ет а м и к ал и й -н атр и евой пом п ы являю тся А Т Ф (и ст оч ­
ник эн ер ги и ) и н атри й -к ал и й -ак ти ви руем ая А Т Ф аза (сок р ащ ен н о N a -K -А Т Ф аза), которая, п о -в и д и м о м у , сл уж и т о д н о в р ем ен н о и с о ­
п ря гаю щ и м ф ак тором , и п ер ен осч и к ом . Э тот ф ер м ен т бы л откры т
в 1957 г. при и с сл ед о в а н и и акти вного тр ан сп ор та натрия ч ер ез м ем б-
1 1шва 2. Биофизика клеточных мембран
139
рапы нерва краба, и с тех пор о Na-K-АТФазе получено сведений
(юлыне, чем обо всех мембранных транспортных системах вместе
шитых. Созданы антитела к ней.
В состав наиболее высокоочищенных препаратов Na-K-АТФаи,|, выделенной из почки собаки, входят 2 главных полипептида. Пер­
цый из них - интегральный протеин с неполярными боковыми цепя­
ми - имеет молекулярную массу около 135 кДа и, по-видимому, наi кнозь пронизывает биомембрану. Второй полипептид является сиацогликопротеидом с молекулярной массой 40 кДа. Им образованы
активные центры, с которыми вступают во взаимодействие перено­
симые ионы. Na-K-АТФаза не активна в отсутствие ионов магния,
не работает без липидов. Ее активность зависит также от pH вблизи
активного центра, на котором адсорбируются ионы натрия. С АТФ
взаимодействует высокомолекулярный полипептид, при фосфорииировании которого вся молекула фермента претерпевает механо-химические превращения. По приблизительным оценкам они могут
обеспечить как сдвиг подвижных групп молекулы АТФазы относитеIII.но ее неподвижной структуры, так и ротацию всей молекулы в биомембране.
Молекулярный механизм использования энергии АТФ для ра­
боты калий-натриевого насоса еще не вскрыт. В самом общем виде его
('формулировал Д. Скоу в 1957 г. Он предполагал, что на внутренней
с Iороне БМ находятся молекулярные комплексы, способные фосфорииироваться за счет присоединения концевой фосфатной группы АТФ,
отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорилированный транспорт­
ный комплекс переносит связанный с ним Na+ на наружную сторону
клеточной мембраны, где обменивает его на К+. Приняв ионы калия, он
Iранспортирует их внутрь клетки, после чего дефосфорилируется. Для
глсдующего транспортного цикла ему необходимо новое фосфорилирование за счет гидролиза АТФ. С тех пор как были высказаны общие
положения о работе калий-натриевого насоса, появилось много гипо­
тез, конкретизирующих участие в ней Na-K-АТФазы. Ни одна из них
не является общепринятой, но все модели активного транспорта на­
трия и калия предусматривают конформационные превращения
Iранспортной АТФазы, сопровождающиеся ее перемещениями в про­
странстве биомембраны. Некоторые исследователи полагают, будто
140
Биофизика
Рис. 2.17. Схема работы натрий-калиевого насоса
а - состояние до транслокации ионов; б - состояние после транслокации ионов
калий-натриевая помпа действует по принципу перистальтического
насоса, который попеременно открывает и закрывает натриевые и ка­
лиевые каналы, расположенные в БМ по соседству с Na-K-АТФазой.
Ее конформационные перестройки, обусловленные чередованием
фосфорилирования и дефосфорилирования, вызывают изменение
проницаемости ионных каналов, работающих в противофазе: когда
натриевый канал открыт, калиевый - закрыт, и наоборот. Согласно
этой гипотезе, Na-K-АТФаза служит не переносчиком ионов, а своеоб­
разным клапаном в ионных каналах.
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
141
Другая гипотетическая схема действия калий-натриевой помпы
изображена на рис. 2.17. Предполагается, что транспортная АТФаза ра­
ботает как переносчик. Молекула фермента пронизывает плазмолемму,
контактируя одним полюсом с цитоплазмой, а другим - с межклеточной
средой. В примембранных участках цитоплазмы скапливаются мито­
хондрии, из которых выходят молекулы АТФ, вступая в непосредствен­
ный контакт с мембраной и, следовательно, с Na-K-АТФазой. Содержа­
ние ионов натрия в цитоплазме поддерживается на строго постоянном
уровне. Так, в аксоплазме нервного волокна кальмара концентрация Na+
(оставляет 50 ммоль • л-1, а в интерстиции - 450 ммоль*л-1. Концентра­
ционный градиент на мембране волокна достигает 4 • 1013моль-л-1 • м-1.
()и заставляет ионы натрия диффундировать внутрь волокна. Этому же
способствует и электрический градиент, обусловленный существова­
нием трансмембранной разности потенциалов, причем цитоплазма не­
сет отрицательный потенциал относительно интерстиция.
Если вследствие пассивного транспорта ионы натрия войдут
и цитоплазму и их содержание там превысит 50 ммоль • л-1, то они
адсорбируются на Na-K-АТФазе и переводят ее в активное состоя­
ние. Активированная АТФаза катализирует гидролиз АТФ, в резуль­
тате чего от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, которая
снизывается с (3-карбоксильной группой L-аспарагиновой кислоты,
иходящей в состав Na-K-АТФазы, и переносит на нее свободную
шергию. Фосфорилированная и энергизованная молекула фермента
претерпевает конформационную перестройку, следствием чего булут ротация или сдвиг ее в плазмолемме. Перемещения в мембране
АТФазы вместе с адсорбированными на ней ионами натрия обеспе•IIIмают перенос их из цитоплазмы наружу - в сторону более высокоIо электрохимического потенциала. Оказавшись на внешней стороне
ммазмолеммы, Na+ покидает транспортную АТФазу, которая после
информационной перестройки дефосфорилируется. Из межклеточ­
ной среды на нее адсорбируются ионы калия, а дефосфорилированмпн АТФаза приобретает исходную конформацию, вследствие чего
ге мнешние участки с находящимся там К+ поворачиваются к цито­
плазме. Таким образом ионы калия переносятся из интерстиция
ину грь клетки тоже вопреки действию концентрационного градиен-
142
Биофизика
Рис. 2.18. Зависимость активации Na-K-активируемой АТФазы
от концентрации N a+ в цитоплазме u lC во внеклеточной среде
активность АТФазы выражена фосфатом (в мкмоль),
освободившимся за 1 ч. (на 1 м г белка)
та. Отдав К+ цитоплазме, транспортная АТФаза готова к новому цик­
лу работы, но для этого она должна быть снова фосфорилирована.
Na-K-АТФаза активируется и натрием, и калием, но проявляет
при этом ярко выраженную векторность: натрий действует на нее
только со стороны цитоплазмы, а калий - из межклеточной среды
(рис. 2.18). Вместе с тем ее специфичность по отношению к натрию
выше, чем к калию. Для включения в действие Na-K-АТФазы натрий
незаменим, тогда как вместо калия можно использовать любой одно­
валентный катион, причем с рубидием транспортная система функ­
ционирует даже лучше, чем с калием. По-видимому, для фермента
характерны разные механизмы распознавания натрия на цитоплазма­
тической стороне плазмолеммы и других катионов на ее наружной
поверхности.
Установлено, что за счет гидролиза одной молекулы АТФ осуще­
ствляется активный транспорт 3 ионов натрия и 2 ионов калия, т. е. их
сопряженному трансмембранному переносу (антипорту) свойственна
стехиометрия. Она сохраняется независимо от величины и направле­
ния концентрационного и электрического градиентов. Стехиометрией
обусловлены электрогенные свойства калий-натриевого насоса. Пере­
нося 2 К+ внутрь клетки и выводя из нее 3 Na+, он создает небольшую
143
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
разность потенциалов на плазмолемме, причем цитоплазма приобретает
о фицательный потенциал относительно интерстиция. Электрогенность
ионного насоса подтверждена в эксперименте на искусственных мемб­
ранах. Очищенный препарат Na-K-АТФазы, встроенный в липидный
(шслой, вызывает появление электрического тока через искусственную
мембрану. Ток прекращается при добавлении в раствор, омывающий
мембрану, специфического ингибитора этого фермента.
В опытах на липидных мембранах, инкрустированных Na-K-ATФазой, установлен также эффект обращения действия ионного насоса.
Он состоит в том, что при трансмембранном переносе Na+ и К + в на­
правлении низких электрохимических потенциалов каждого из этих
ионов АТФаза начинает работать в качестве АТФсинтетазы, т. е. катанизировать не гидролиз АТФ, а его синтез из АДФ и ортофосфата.
И этом случае калий-натриевый насос служит генератором свободной
шергии (в форме АТФ). Об эффекте обращения протонной помпы речь
пойдет при рассмотрении ионного транспорта у галобактерии, фото­
синтеза и клеточного дыхания.
Калий-натриевый насос присутствует в плазматических мемб­
ранах почти всех клеток животных организмов, но в разных клетках
его активность неодинакова (табл. 2.5).
Таблица 2.5
Активность Na-K-АТФазы и интенсивность активного транспорта ионов
натрия в разных биообъектах
Клетки, ткани и органы,
из которых выделен
фермент
Активность
фермента
Интенсивность
активного транспорта
Na+
Эритроциты
+
+
Скелетные мышцы
++
++
Головной мозг
++++
++++
Корковое вещество почки
+++++
+++++
Электрический орган рыб
++++++
++++++
В плазмолемме человеческого эритроцита выявлено от 100 до 300
таких молекулярных «насосиков», а в мембранах почечных эпителиоцитов их примерно на три порядка больше. Содержание Na-K-АТФазы
144
Биофизика
в эритроцитарной мембране не достигает и одного процента общего
белка, тогда как в мембранах почечных клеток - более 10%, а в электри­
ческом органе рыб - еще выше. Очень высока концентрация этого фер­
мента в клетках солевой железы альбатроса. Пожалуй, ни одна птица не
может улетать от берега так далеко, как альбатрос, и столь дальние
полеты над морем доступны ему только благодаря способности пить
морскую воду. В клетках специального органа происходит ее опресне­
ние за счет работы мощного калий-натриевого насоса, локализованного
в плазматических мембранах. Лишняя соль выбрасывается из солевой
железы в море. Значительна роль калий-натриевой помпы кожи лягуш­
ки в жизни этого животного, вышедшего из водной среды на сушу. Она
перекачивает ионы натрия из окружающей среды в межклеточную жид­
кость лягушки даже тогда, когда концентрация натрия в пресном водо­
еме на четыре порядка ниже, чем в интерстиции животного.
. Учитывая многообразие физиологических процессов, обеспе­
чиваемых работой калий-натриевого насоса, можно думать, что суще­
ствуют разные формы этой транспортной системы в различных орга­
нах и у разных представителей животного мира. Полагают, к примеру,
что в почках млекопитающих наряду с системой активного антипорта
натрия и калия присутствует другой натриевый насос, обеспечиваю­
щий симпорт натрия и хлора.
Калий-натриевый насос угнетается различными агентами, из
которых наиболее активны сердечные гликозиды, избыток Са+ внут­
ри клетки, а также дыхательные яды. Последние блокируют окисли­
тельное фосфорилирование в митохондриях и, нарушая синтез АТФ,
лишают ионный насос источника энергии. Понятно, что дыхатель­
ные яды останавливают работу любых систем активного транспорта,
т. е. в их действии нет специфичности.
Специфическим блокатором калий-натриевого насоса служит
строфантин Г (уабаин), который является ингибитором Na-K-АТФазы. Даже в концентрации 10-7 моль • л-1 уабаин подавляет ее актив­
ность на 50%. Заметим, что лечебный эффект сердечных гликозидов
(строфантина и дигитонина), применяемых при сердечной недоста­
точности, обусловлен их действием на калий-натриевый насос плазмолеммы миокардиальных волокон.
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
145
Из года в год медицина узнает все больше о вкладе нарушений
функции калий-натриевого насоса в патогенез различных заболеваний.
Например, эритроцитоз (наследственная болезнь системы крови) разииается в результате резкого усиления активности Na-K-АТФазы
и эритроцитарной мембране, а в патогенезе маниакально-депрессивно­
го психоза важную роль играет ослабление работы калий-натриевого
насоса, из-за чего в цитозоле нервных клеток повышается содержание
натрия. Применение солей лития, под действием которых возрастает ак­
тивность Na-K-АТФазы в клеточных мембранах, оказывает лечебный
эффект как в маниакальную, так и в депрессивную стадам болезни.
Во многих клеточных мембранах функционируют и другие
системы активного транспорта. Долгое время думали, что сущест­
вуют насосы, переносящие моносахариды и аминокислоты в сто­
рону более высокого электрохимического потенциала. Это предпопожение не подтвердилось. Напротив, гипотеза о существовании
ряда ионных насосов находит все большее подтверждение. Однако
и в этих представлениях нет полного единодушия. Одни исследо­
ватели допускают присутствие в БМ систем активного транспорта
чуть ли не для каждого иона. Так, в литературе по биофизике и фи­
тологии почек фигурируют хлорные, бикарбонатные, магниевые
и другие насосы. По мнению других мембранологов, организм
имеет только четыре системы активного транспорта: калий-натрисвый и кальциевый насосы, а также две протонные помпы (в одной
из них Н+-ионы переносятся через внутреннюю мембрану мито­
хондрий и создают протондвижущую силу за счет электронного
транспорта при окислительно-восстановительных реакциях, во
второй - перенос Н+-ионов осуществляют Независимые АТФазы
клеточных мембран).
2.3.2.2. Кальциевый насос
Кальциевый насос обеспечивает стабильно низкий уровень
( 'а2* в цитозоле. В отличие от калий-натриевого насоса, он выводит
из цитозоля избыток ионов не в межклеточную среду, а в органоиды
(главным образом, в эндоплазмагическую сеть). Поэтому основная
вокализация кальциевого насоса в большинстве типов клеток - внутII»
9843
146
Биофизика
риклеточные мембраны, а не плазмолемма. Детальные исследования
кальциевой помпы проведены в мембране саркоплазматической сети
миоцитов, где ее активность особенно высока.
Источником энергии для системы активного транспорта каль­
ция служит АТФ. Вторым компонентом насоса является Са2+-акти­
вируемая АТФаза (сокращенно - Са-АТФаза). Она состоит из одной
полипептидной цепи с молекулярной массой около 100 кДа. В ней
преобладают аминокислотные остатки с неполярными боковыми це­
пями. Это липидзависимый фермент, причем вокруг каждой его мо­
лекулы находится примерно 35 молекул фосфолипидов, содержащих
ненасыщенные жирнокислотные остатки. Особенно сильным акти­
вирующим действием обладают жирные кислоты с одной ненасы­
щенной связью. Кроме того, для работы Са-АТФазы необходимы
ионы магния.
В саркоплазматической сети на долю Са-АТФазы приходится
60% общего мембранного белка. По-видимому, в мембране сарко­
плазматической сети нет другого интегрального белка, кроме Са-АТ­
Фазы. Остальные 40% мембранных протеинов составляют перифери­
ческие белки. На активный транспорт двух молей Са2+ затрачивается
один моль АТФ, но при преодолении очень высоких физико-химиче­
ских градиентов соотношение Са2+ и АТФ снижается с 2 : 1 до 1 : 1.
Механизм действия кальциевой помпы установлен благодаря
изучению кинетики ее работы. В этом процессе выделяют три ступе­
ни (этапа). Сигналом к активному транспорту служит превышение
допустимого уровня Са2+ в цитозоле. Показано, что константа связы­
вания ионов кальция Са-АТФазой имеет порядок 107 л • моль-1, т. е.
адсорбция кальция на транспортном ферменте происходит уже при
концентрации Са2+ в цитозоле около 10-7 моль • л-1 Заметим, что
в покоящемся мышечном волокне содержание кальция в цитозоле
примерно на порядок ниже.
Са-АТФаза связывает не только Са2+, но и АТФ в комплексе
с ионами магния. Центры связывания Са2+ и АТФ локализованы на
той поверхности фермента, которая обращена к цитозолю, но это раз­
ные центры. Активированная кальцием транспортная АТФаза ката­
лизирует гидролиз АТФ, что и составляет основное событие второго
этапа в работе кальциевой помпы. При гидролизе от АТФ отщепляет-
147
11 шва 2. Биофизика клеточных мембран
i’mконцевая фосфатная группа,
присоединяясь затем к Са-АТФазе, котрая приобретает при этом дополнительную свободную энергию,
равную энергии гидролиза АТФ (примерно 31,4 кДж • моль-1). За счет
ной энергии образуется фермент-фосфатный комплекс (Ф~Р). Тре­
тий этап работы кальциевого насоса включает переход Са2+ на проти­
воположную сторону мембраны, что обеспечивается изменением кон­
формации Са-АТФазы, приводящим к перемещению молекулы
фермента в пространстве БМ. Полагают, что происходит сдвиг по­
движных групп Са-АТФазы, на которых адсорбирован Са2+, относитеIII,но неподвижной части молекулы. На внешней стороне БМ транс­
портная АТФаза освобождается от Са2+, поскольку комплекс Ф~Р
Iидролизуется после того как затрачивает полученную ранее энергию
на активный транспорт ионов. Вслед за гидролизом фермент-фосфатиого комплекса происходит дефосфорилирование фермента. Возвра­
щение Са-связывающих центров в исходное состояние является следi гвием восстановления той конформации молекулы Са-АТФазы,
которая свойственна ей в нефосфорилированном состоянии.
В сокращенном виде схема активного транспорта кальция
выглядит следующим образом:
Iэтап:
2Са2Ц
+ + АТФ+ Ф,
II этап: Са2Ф, ~ Р
Mg2* ___
-> III этап: Ф02
<-
Са2 - Ф, ~ Р + АДФ,
2Са2^с + Р +Ф 2,
Ф1..
Обозначения в схеме: Са 2* - кальций в цитоплазме, Са спс - капьций в саркоплазматической сети, Р - ортофосфат, Ф, - неэнергизонаиная конформация Са-АТФазы, Ф2 - энергизованная конформация
< в-АТФазы.
Кальциевый насос, в отличие от калий-натриевого, не проявляет
шсктрогенных свойств - активный транспорт Са2+не сопровождается
образованием разности потенциалов на мембране саркоплазматиче|И‘
148
Биофизика
ской сети. Неэлектрогенность кальциевой помпы обусловлена высо­
кой проницаемостью этой мембраны для многих ионов. Поэтому мем­
бранный потенциал, создаваемый переносом Са2+, сразу падает из-за
утечки других ионов.
К работе кальциевого насоса необходимо обратиться повторно
при изучении механизма мышечного сокращения. Что же касается
протонных помп, то некоторые их особенности можно понять при
рассмотрении таких вопросов, как ионный транспорт у галобактерии, фотосинтез, клеточное дыхание.
2.3.3. Ионный транспорт у галобактерии
Галофильная (солелюбивая) бактерия (Halobacterium halobium)
является обитателем неглубоких тропических водоемов, содержа­
щих насыщенный раствор поваренной соли при высокой температу­
ре (до 57 °С) и низком напряжении кислорода. Жизнь в гипоксическом рассоле привела к выработке у галобактерии мощной системы
активного транспорта, благодаря которой концентрация ионов на­
трия в цитоплазме поддерживается на низком уровне несмотря на ко­
лоссальный концентрационный градиент Na+на клеточной мембране.
Гипоксическая среда не позволяет галобактерии использовать биоло­
гическое окисление в качестве поставщика свободной энергии для
ионного транспорта и других процессов жизнедеятельности. В ходе
эволюции этого микроорганизма вырабатывались своеобразные ме­
ханизмы преобразования солнечной энергии во все формы полезной
работы организма.
Посредником синтеза АТФ под действием солнечной энергии
служит концентрационный градиент Н+-ионов на плазмолемме гало­
бактерии. Он создается и поддерживается системой активного транс­
порта Н+-ионов (протонной помпой), переносящей их из окружающей
среды в цитоплазму. За счет работы протонной помпы уровень pH
в цитозоле стабилен, очень низок (около 3,0) и мало зависит от кис­
лотности водоема, где pH может достигать 12,0.
Солнечный свет служит не только источником энергии для га­
лобактерии, но и регулятором чередования активного и пассивного
транспорта протонов через ее клеточную мембрану. В ней различают
I лава 2. Биофизика клеточных мембран
149
участки пурпурного и красно-оранжевого цветов. Совокупность перных называют пурпурной мембраной, вторые объединены под назва­
нием красная мембрана. Структурную основу мембран обоих типов
составляет бимолекулярный фосфолипидный слой. Однако в пурпур­
ной мембране содержание липидов невелико - около 25% всех ее
компонентов. Почти отсутствуют там и углеводы. 75% массы пур­
пурной мембраны приходится на одно-единственное вещество бел­
ковой природы - бактериородопсин (БР). По структуре и свойствам
он сходен с родопсином (зрительным пигментом животных) и пред­
ставляет собой комплекс ретиналя (альдегида витамина А) с мемб­
ранным липопротеидом (опсином). Благодаря светопоглощающим
свойствам бактериородопсина пурпурная мембрана улавливает сол­
нечный свет, чтобы использовать его энергию для преобразования
и различные формы полезной работы галобактерии.
БР чрезвычайно устойчив к высокой температуре, кислотам,
щелочам, фотоокислению, годами не утрачивает биологическую ак­
тивность при хранении в холодильнике. Его молекулярная масса
около 27 кДа. Ю. А. Овчинников и его сотрудники установили пол­
ную последовательность всех 348 аминокислотных остатков, обра­
зующих опсин. Ретиналь присоединен к аминогруппе лизила, стоя­
щего сорок первым в этой последовательности1. Ковалентная связь
между углеродом (С) ретиналя и азотом (N) лизила называется гииффовым основанием. Все молекулы БР ориентированы в плазмолеммс галобактерии одинаково. По дифракции электронов на элементах
пурпурной мембраны реконструировали трехмерную структуру БР.
Pro полипептидная цепь 7 раз пересекает пурпурную мембрану. Сле­
довательно, в молекуле БР можно выделить 7 спиральных участков
(см. рис. 2.8). Длина каждого из них примерно совпадает с толщиной
мембраны. Молекулы БР объединены в триады, которые, в свою
очередь, образуют правильные шестиугольники, что придает пур­
пурной мембране структуру правильной гексагональной кристалли­
ческой решетки. Это жесткая мембрана, плохо проницаемая для мно­
гих веществ.
1 Отсчет порядкового номера аминокислотного остатка ведется от N -конца
молипептидной цепи.
150
Биофизика
Рис. 2.19. Спектр поглощения бактериородопсина
по оси абсцисс - длины волн (К); по оси ординат - коэффициент
поглощения (а%). Выше спектра поглощения приведен спектр
солнечного излучения (интенсивность излучения в относительных единицах)
М ол ек ул ы БР о б р а зу ю т в н ей каналы для Н +-и он о в , к отор ы е со ­
ср едот оч ен ы в н утр и тр и ад, см ы к аю щ и хся в тем н от е и расходящ и хся
п о д д ей ст в и ем света. П ер в о е со ст оя н и е со отв етств ует закры тию п ро­
тон н ы х каналов, а в то р ое - и х откры тию . К аналы откры ваю тся за
сч ет т о го , что при о св ещ ен и и сп иральны е уч астк и оп си н а, обр ам л я ю ­
щ ие канал в н утр и триады , испы ты ваю т и зм ен ен и е конф орм ации
и удал я ю тся д р у г от д р у га на р асстоя н и е д о 1 нм . К анал зап ол н ен во­
дой . Р азн ы е уч астк и со л н еч н о го сп ектра н е в оди н ак о в ой степ ени
влияю т на м ем бр ан н ы е п р о ц ессы у гал обак тер и и , что обу сл ов л ен о
осо б ен н о ст я м и сп ектральны х характеристик бак тер и ор одоп си н а.
М ак си м ум в в и д и м ой обл асти сп ектра п огл ощ ен и я БР п р и ходи тся на
568 нм (рис. 2 .1 9 ). П о д дей ст в и ем св ета п и гм ен т обесц в еч и вается ,
т о ч н ее, тер я ет п ур п ур н ы й ц вет (А,тах сдв и гается к 4 1 2 нм ). О днако
в т еч ен и е н еск ол ь к и х м и л л и сек ун д п о сл е обесц в еч и ван и я пурпурная
м ем бр а н а са м о п р ои зв ол ь н о п р и обр ет ает п р еж н ю ю окраску. Э ти бы ­
стры е обр ати м ы е п ер ех о д ы (р и с. 2 .2 0 ) вы званы п ер естр ой к ам и кон­
ф ор м ац и и б ак тер и ор о д оп си н а, п р о и схо дя щ и м и , как вы ясни л ось, за
сч ет отдач и или п р и ем а им п р отон ов .
i imea 2. Биофизика клеточных мембран
151
Рис. 2.20. Цикл превращений бактериородопсина
Под действием света шиффово основание разрывается, и ретиIIIUILотходит от опсина. Происходит депротонирование шиффова осноиания - от аминогруппы лизила, участвовавшего в образовании этого
основания, отделяется протон (Н+). Отделившись, он поступает в канал,
образованный в плазмолемме галобактерии триадой (3 молекулами
М*), растворяется там в воде и выходит в окружающий раствор пассив­
но (в сторону более низкого электрохимического потенциала). Вакант­
ное место в шиффовом основании (в аминогруппе лизила) занимается
ионом ГГ, поступающим к бактериородопсину из цитоплазмы бакте­
рии. Он перемещается вдоль цепи Н-связей структурированной воды,
находящейся в канале (внутри триады). Предполагают, что Н* переме­
щается в составе гидроксония Н30 +, но возможно замещение вакансии
а шиффовом основании ионами Н+ из ближайших диссоциированных
молекул воды, находящихся в канале. Таким образом, протоны выхо­
дит из цитоплазмы галобактерии в окружающий раствор по эстафете
а два такта: один ГГ выходит из шиффова основания (из мембранного
Ы*) в раствор, окружающий бактерию, а другой ГГ поступает из цигопназмы бактерии в мембрану, заполняя вакансию в шиффовом основа­
нии - при его восстановлении. В целом создается впечатление о сквоз­
ном прохождении одного протона (Н+) из цитоплазмы бактерии
и окружающую среду с отставанием от него аниона гидроксила (ОН-),
который задерживается в цитоплазме. Происходит пространственное
152
Биофизика
разобщение разноименных электрических зарядов (ионов Н+ и ОН-) на
мембране с образованием разности потенциалов между цитоплазмой
и раствором, окружающим бактерию. Ее принято называть протонным
потенциалом. Он достигает 60 мВ в ответ на 1 квант солнечного света.
Так галобактерия преобразует солнечную энергию в электрическую,
которая, в свою очередь, обеспечивает синтез АТФ, т. е. преобразуется
в химическую энергию.
Установлено, что галобактерия синтезирует АТФ на свету, при­
чем только в том случае, если не нарушен протонный транспорт и су­
ществует разность электрических потенциалов на ее плазматической
мембране. По-видимому, в плазмолемме наряду с протонными канала­
ми есть протонная помпа, осуществляющая активный транспорт
Н+-ионов. Ее важнейшим компонентом является транспортная Незави­
симая АТФаза (сокращенно Н-АТФаза). Как и другие ионные насосы,
протонная помпа обладает эффектом обращения: при активном транс­
порте Н+ транспортная Н-АТФаза гидролизует АТФ, извлекая из него
свободную энергию для обеспечения этого процесса, тогда как при пас­
сивном транспорте Н+ она катализирует синтез АТФ, являясь АТФсинтетазой. Поэтому солнечный свет, затрачивая свою энергию на из­
менение конформации молекулы БР, открывает протонные каналы
в молекулах Н-АТФазы для пассивного транспорта Н+-ионов, что при­
водит к обращению действия Н-АТФазы и синтезу АТФ. Так световая
энергия аккумулируется концевой фосфатной группой АТФ. Промежу­
точной формой энергетических преобразований (между солнечной
и химической) служит энергия протонного градиента на плазмолемме
галобактерии, поскольку пассивный транспорт Н+невозможен в его от­
сутствие. Энергию протонного потенциала можно рассматривать в ка­
честве осмотической энергии протонного градиента на плазмолемме.
В определенном смысле это эквивалентные понятия.
В темноте система активного транспорта протонов восстанав­
ливает нормальный протонный градиент на плазматической мембра­
не галобактерии. Энергетическое обеспечение протонного насоса
осуществляет АТФ, синтезированный на свету. Кроме того, АТФ по­
ставляет свободную энергию для активного транспорта натрия и ка­
лия, а также для других процессов жизнедеятельности галофильной
бактерии.
I /шва 2. Биофизика клеточных мембран
153
Б ел к ов о-л и п и дн ы е ком п лексы , в ходя щ и е в си стем ы акти вного
ф ан сп ор та Н +, К +, N a +, со ср ед о т о ч ен ы н е в п ур п ур н о й , а в к расн ой
м ем бране. Т ам ж е, п о -в и д и м о м у , си н т ези р ует ся А Т Ф . К р ом е того,
и красной м ем бр а н е со д ер ж ат ся к ар оти н ои ды - п и гм ен ты , о б у сл о в ниваю щ ие ее цвет. Ф ункция к ар оти н ои дов , в отл и ч и е от бак тер и ор о допсина, со ст о и т н е в у св о ен и и со л н еч н о й эн ер ги и дл я о б есп еч ен и я
жизни гал оф и л ь н ой бак терии, а в защ и те о т со л н ц а ф ер м ен тов и д р у I их м ем бр ан н ы х к ом п он ен тов.
С л едовател ьн о, гал обак тер и и п р и сущ а сп ец и ал и зац и я р азл и ч ­
ных уч астков пл азм ол ем м ы . Э ти м , о ч ев и д н о , к ом п ен си р ует ся п оч ти
полное от су тств и е вн утр и к л еточн ы х м ем бр ан . П ур п ур н ая и красная
мембраны св о ео б р а зн о соп р я ж ен ы в ф ун к ц и он и рован и и : первая у св а ­
ивает со л н еч н у ю эн ер ги ю , вторая нак апливает и р еа л и зу ет ее в п р о ­
цессах ж и зн едея т ел ь н о ст и гал обак тери и .
В п о сл ед н и е годы н ауч и л и сь вклю чать си ст ем у б ак тер и ор о д оп | миа в и ск усств ен н ы е л и п и дн ы е м ем бр ан ы , что сп о со б с т в у е т п р о н и к ­
новению в тайны и он н ого тр ан сп ор та ч ер ез б и о л о ги ч еск и е м ем бр ан ы .
Имеете с тем работы с б а к тер и о р о д о п си н о м п р е сл ед у ю т цель со зд ан и я
необы чайно эф ф ек ти в н ы х ф от оэл ем ен т ов в н а д еж д е н а п р и н ц и п и ал ь ­
но новы е реш ен и я п р о бл ем п р ом ы ш л ен н ой эн ер гети к и и п р е д у п р е ж ­
дение эн ер гети ч еск ого кри зи са.
И звестн ы й б и о эн ер гети к Э . Р экер и о д и н и з первы х и с сл ед о в а ­
н и й м ем бр ан н ы х п р о ц ессо в у гал обак тер и и В . Ш т ок ен и ус в со в м е• ш ой р а б о т е со зд а л и л и п о со м у , в состав к отор ой вош л и в ещ еств а,
к ины е у п р едстав и тел ей т р ех царств ж и в ой п р и р оды (бак тери и , р асIения, ж и в отн ого). Л ип и дн ы й б и сл ой бы л обр а зо в ан ф о сф о л и п и д а м и
иобов. В н его в строи л и бак тер и о р о д о п си н гал обак тер и и и А Т Ф си н т еIи »у из м и т охо н д р и й бы чьего сер дц а. Такая п р о тео л и п о со м а си н т ези ­
рует А Т Ф при осв ещ ен и и . О на п ол уч и л а н азв ан и е химеры (монстра)
1'т ра
2.3.4. Облегченная диффузия
Облегченной диффузией (О Д ) назы ваю т т р ан сп ор т в ещ еств ч е|нч клеточны е м ем бр ан ы , котор ы й п р о и сх о д и т в том ж е н ап р ав л е­
нии, что и св обод н ая д и ф ф узи я , н о го р а зд о бы стр ее. С л едов ател ьн о,
154
Биофизика
Рис. 2.21. Зависимость концентрации 14С-глюкозы в цитоплазме
эритроцита человека (С ) от ее содержания во внеклеточной среде (CJ
при транспорте по механизму облегченной диффузии.
Значения, установленные в эксперименте, показаны кружками.
Непрерывная кривая получена расчетным путем
из уравнения Михаэлиса-Ментен (X. Мост, 1975)
ОД относится к механизмам пассивного транспорта. Ее движущей
силой служит электрохимический потенциал на биомембране.
Скорость свободной диффузии вещества в водном растворе за*
висит прежде всего от числа водородных связей, образованных его мо
лекулами с водой. Когда происходит облегченная диффузия, такой
расчет дает заниженные результаты. Так, скорость транспорта глюко
зы через эритроцитарную мембрану на два порядка выше расчетной
Другим важным отличительным признаком ОД является эффект на
сыщения (рис. 2.21), не свойственный свободной диффузии. По дости
жении определенной концентрации вещества в примембранном про
странстве скорость его переноса через мембрану устанавливается на
постоянном уровне и не нарастает при дальнейшем повышении кон
центрации. Этот признак служит надежным критерием ОД, так как эф
фект насыщения довольно легко выявляется при проведении опытов.
Облегченная диффузия характеризуется рядом свойств, кото
рые типичны для ферментативных процессов. Ее температурный ко
эффициент Q iq такой же, как у ферментативных реакций. Ей свойст
венны различия в скорости транспорта оптических изомеров, а также
конкурентное и неконкурентное ингибирование (конкурентные инги-
I пшш 2. Биофизика клеточных мембран
155
Пигоры снижают скорость трансмембранного переноса только струкtурно близких соединений, тогда как неконкурентные - самых раз­
ных веществ).
Системами ОД обладают почти все растительные и животные
ьистки. Между тем, далеко не все вещества транспортируются таким
образом. ОД установлена для моносахаридов, аминокислот и некото­
рых ионов. Все они хорошо растворяются в воде. Очевидно, клетка
использует ОД для трансмембранного переноса тех ингредиентов,
которые она черпает из окружающей ее среды. Механизм ОД при­
сущ многим клеткам млекопитающих по отношению к тем вещестммм, которые поступают к ним из плазмы крови. Промежуточные
продукты обмена (фосфорилированные сахара, макроэрги, продукты
метаболизма аминокислот и др.) не способны к ОД в организме.
IIo-видимому, это продиктовано потребностью задерживать их внут­
ри клеток (или определенных органоидов) до завершения метаболи­
ческих процессов.
Кинетика облегченной диффузии отображается следующим
С
уравнением: I - I м
-— , где / - плотность потока вещества чеСе +К
реч биомембрану, 1и - максимальное значение этой величины, Се концентрация диффундирующего вещества вне клетки (или органои­
да), К - константа, характеризующая способность данного вещества
проникать через биомембрану (равна концентрации вещества вне
клетки или органоида, при которой величина I равна половине мак­
симально возможной плотности потока, т. е. К = Се, при которой / =
-0 ,5 •/„). Эта формула тождественна традиционной форме записи
уравнения Михаэлиса-Ментен для ферментативных реакций, чем
подтверждается представление о глубокой связи ОД с кинетикой
ферментативных процессов. Экспериментальные данные (рис. 2.21)
шкже подтверждают правоту такой интерпретации облегченной
диффузии.
Если значение К намного превосходит величину Се, то функци­
ональная зависимость плотности потока (!) от концентрации вещества
((',) имеет линейный характер. При малых концентрациях переноси­
мого вещества изучение кинетики транспорта не позволяет отличить
156
Биофизика
облегченную диффузию от свободной. При высоких Се величина 1
определяется в основном значеним 1Ш так как знаменатель дроби
(Се + К) мало отличается от Се. Этому соответствует участок насыще­
ния (рис. 1.21), отображающий отсутствие зависимости / от Се.
ОД обеспечивается нередко переносчиками, которые связыва­
ются с молекулами транспортируемого вещества, образуя соединение,
подобное фермент-субстратному комплексу. В этом случае величина
К характеризует сродство транспортируемого вещества к переносчи­
ку, в чем отображается степень специфичности их взаимодействия.
При транспорте с участием переносчика эффект насыщения обуслов­
лен, как правило, вовлечением в транспортный процесс всех молекул
переносчика, присутствующих в биомембране.
Для осуществления ОД необходимо беспрестанно снижать
концентрацию переносимого вещества внутри клетки (или органои­
да), поддерживая ее фактически на нулевом уровне. Тогда при от­
носительно постоянном и даже понижающемся значении Се уста­
навливается так называемый благоприятный концентрационный
градиент транспортируемого вещества на биомембране. Это дости­
гается включением перенесенного агента в разнообразные метаболи­
ческие процессы. Примерами могут служить полимеризация мономе­
ров (глюкоза —> гликоген, аминокислоты —> пептиды), превращение
одного мономера в другой (преобразование одной аминокислоты
в другую аминокислоту или в кетокислоту), образование комплексом
(например, аминокислота-тРНК). Перечислены далеко не все подоб­
ные процессы, но даже из приведенных примеров можно понять, что
благоприятный градиент поддерживается благодаря ферментативной
активности внутриклеточных систем обмена веществ.
Все перечисленные реакции нуждаются в затратах свободной
энергии. Она необходима для синтеза полимеров, для образования
комплексов, для взаимных превращений мономеров. Поэтому ОД
всегда требует энергоснабжения, осуществляемого макроэргическими соединениями. Этим она отличается от свободной диффузии
и проявляет определенное сходство с активным транспортом. Однако
при активном транспорте свободная энергия выделяется в ходе хими­
ческих реакций, в которых непосредственно участвуют компоненты
I /шва 2. Биофизика клеточных мембран
157
I|>анспортной системы, тогда как при ОД затраты свободной энергии
не связаны непосредственно с транспортом веществ. Она тратится на
Iиздание и поддержание благоприятных градиентов, а не на фосфо|шлирование переносчика, который при ОД не преодолевает потен­
циальный барьер, так как транспортирует вещество в соответствии
г действием физико-химических градиентов, а не вопреки им.
Зачастую благоприятные градиенты существуют за счет рабоIi.i систем активного транспорта. Например, в кишечном эпителиоциic калий-натриевый насос сосредоточен только в той части плазмати­
ческой мембраны, которая покрывает базальный полюс клетки, тогда
ник апикальный участок плазмолеммы лишен Na-K-АТФазы. Поэтому
ноны натрия активно откачиваются из цитоплазмы через базальный
участок плазматической мембраны в межклеточное пространство, от­
куда они поступают в кровь. Транспорт Na+ из полости кишки в эпик’лиоцит происходит пассивно, но это не свободная, а облегченная
диффузия. Благоприятный градиент концентрации ионов натрия на
апикальном участке плазмолеммы кишечного эпителиоцита поддер­
живается благодаря удалению их из клетки системой активного
фанспорта, работающей в мембране, покрывающей базальный поMIOCэпителиоцита. В подобных случаях особенно трудно разобраться
и различиях между облегченной диффузией и активным транспорIим. Облегченную диффузию, для которой благоприятные градиенIм создаются за счет работы систем активного транспорта, принято
называть вторично-активным транспортом. Однако следует по­
мнить, что сама по себе ОД, включая и ее вариант под названием
шорично активного транспорта, относится к механизмам пассивною фанспорта.
2.3.5. Специальные механизмы
трансмембранного массопереноса
Кроме свободной и облегченной диффузии, а также активного
фанспорта веществ, в клетках существуют особые механизмы, обес­
печивающие как поглощение, так и удаление различных химических
i оединений, имеющих не только малую, но и большую молекуляр­
ную массу.
158
Биофизика
2.3.5.1. Поглощение клетками нуклеиновых кислот
и специфических белков
Установлено, что перенос генетической информации, заклю­
ченной в ДНК, на способные к рецепции бактериальные клетки про­
исходит путем непосредственного проникновения этой нуклеиновой
кислоты через их плазматическую мембрану. Такой трансмембран­
ный перенос свободных молекул ДНК через плазмолемму бактериа­
льной клетки бывает при трансформации и трансфекции. В первом
случае проникающая молекула ДНК была прежде выделена другой
бактерией, а во втором - фагом. Достигнув плазматической мембра­
ны реципиента, молекула ДНК адсорбируется на ее поверхности.
Процесс адсорбции осуществляется без затрат энергии и необратим.
Затем адсорбированная молекула ДНК втягивается внутрь плазмолеммы бактерии, на что расходуется свободная энергия бактериаль­
ной клетки. Если ДНК гомологична бактерии, то по проникновении
в цитоплазму она встраивается в хромосому. Весь процесс протекав!
за несколько секунд, максимум - за минуты. Его молекулярные ме­
ханизмы пока не раскрыты. Полагают, что аналогичный транспорт
ДНК присущ и некоторым животным клеткам.
Кроме нуклеиновых кислот, бактерии поглощают подобным
же образом ряд белков (например, колицин, интерферон), но только
при наличии в плазматической мембране специфических рецепторов,
взаимодействующих с этими белками. В результате такого взаимо­
действия происходит локальная перестройка клеточной мембраны,
благодаря чему сквозь нее проникают макромолекулы. По-видимому, вирусы попадают внутрь клеток, используя подобный механизм
преодоления клеточных мембран.
Поскольку макромолекулы и вирусы связываются с подвиж­
ными мембранными рецепторами, процессы переориентации и вра­
щения всего комплекса протекают очень быстро. Для веществ с мо­
лекулярной массой 50 кДа характеристическое время релаксации
молекул в фосфолипидном бислое составляет Ю"5-Ю^ с. Примерно
такое же время свойственно и повороту на I радиан рецепторного
комплекса в биомембране.
Проникновение макромолекул через клеточные мембраны по
механизму рецепторного поглощения свидетельствует лишний раз
1nnoa 2. Биофизика клеточных мембран
159
0 необычайной динамичности мембранных структур. В данном слу­
чае она регулируется сигналами, возникающими при взаимодействии
высокомолекулярных агентов с мембранными рецепторами. Природа
1шналов, изменяющих за доли секунды и на доли секунды (или ми­
нуты) проницаемость биомембраны, пока неизвестна.
2.3.5.2. Фагоцитоз и пиноцитоз
Существует и другой способ проникновения через клеточные
мембраны макромолекул. Для него характерно образование мембра­
ны вокруг проникающих веществ. Эта мембрана, покрывающая капли
жидкости или скопления плотных веществ, создается за счет мемб­
ранных структур той клетки, через плазмолемму которой осуществля­
ется такой транспорт. Его называют фагоцитозом, когда в клетку
проникают твердые частицы, и пиноцитозом - при прохождении
еквозь клеточную мембрану пузырьков с жидким содержимым. Пузы­
рек (везикула) имеет липидную оболочку, организованную по типу
(>нмолекулярного слоя. Под оболочкой находится капля жидкости,
имеющая микроскопические размеры. В ней растворены различные
вещества, в том числе макромолекулы. Обнаружено движение вези­
кул как в клетку, так и из нее. В первом случае говорят об эндоцитозе,
а но втором - об экзоцитозе (его иногда называют обратным пиноцишзом).
Примером экзоцитоза может служить выделение веществ из
клеток желез внешней (рис. 2.22) и внутренней секреции, синаптиче­
ская передача и т. п. Сигналом к началу экзоцитоза медиатора, посред­
ством которого осуществляется синаптическая передача, служит из­
менение разности электрических потенциалов на пресинаптической
мембране, вслед за чем повышается содержание Са2+ в пресинапсе,
вызывая мембранную перестройку. Именно при изучении синаптиче­
ской передачи обнаружено, что пиноцитоз протекает с высокой скоро­
стью, сравнимой со скоростями более простых механизмов трансмемОранного переноса веществ, вплоть до свободной диффузии.
Эндоцитоз особенно развит у простейших, но существует
и в клетках высших животных. Так происходит, например, реабсорб­
ция белков в почках из первичной мочи в кровь. Посредством эндоцитоза в клетки поступают пептидные гормоны (в их числе инсулин),
160
Биофизика
200 нм
Рис. 2,22. Выход гранулы фермента (Ф) из клетки поджелудочной железы
в проток по механизму пиноцитоза (экзоцитоза): виден контакт плазмолеммы
(ПМ) с мембраной гранулы
л и п о п р отеи ды крови, н ек отор ы е и м м ун огл обул и н ы и д р у ги е в ещ ест­
ва. С х ем а м ем б р а н н о го тр ан сп ор та п о м ех а н и зм у эн д о ц и т о за и зобр а­
ж ен а на рис. 2 .2 3 . С начала п огл ощ аем ы е частицы ад со р б и р у ю т ся на
о п р ед ел ен н о м уч астк е к л еточ н ой м ем бр ан ы (а), которы й затем впя­
чи вается (и н в аги н и р уется ) в ц и то п л азм у (б), при чем края инвагинир ов ан н ого уч астк а см ы каю тся, обр азуя эн д о ц и т о зн у ю в ези к ул у (в).
О на отры вается от п л азм ол ем м ы и угл убл я ется в ц и топ л азм у (г), где
в х о д и т в контакт с л и зосом а м и . П о д д ей ст в и ем л и зосом а л ь н ы х ф ер­
м ен тов везикулярная м ем бр а н а расп адается , вы пуская со дер ж и м ое
везикул ы в ц и то п л азм у ( д).
А д со р б ц и я на б и о м ем б р а н е п огл ощ аем ы х части ц п р ои сходи т
б е з затрат св о б о д н о й эн ер ги и , н о он и н ео б х о д и м ы дл я образования
везикул ы и отры ва ее от п л азм ол ем м ы . Э н ер г о о б есп еч ен и е п и н оц и ­
т о за осу щ ест в л я ю т м акроэрги. П о эт о м у в в ед ен и е А Т Ф сп особст в ует
об р а зо в ан и ю и и н ваги н ац и и в ези к ул , а при н ар уш ен и и к леточного
ды хан и я эн д о ц и т о з прекращ ается.
В клетках с вы раж енны м эн д о ц и т о зо м значительная часть п л аз­
м ол ем м ы п ер ем ещ ается в ц и топ л азм у. О н и стан овятся округлы м и
I им и 2. Биофизика клеточных мембран
161
Рис. 2.23. Схема эндоцитоза
и ирсменно утрачивают способность к пиноцитозу. В течение после­
дующих нескольких часов происходит существенная перестройка как
мп.пмолеммы, так и инвагинированных везикулярных мембран. В них
• ущсственно изменяется состав фосфолипидов, хотя соотношение их
н холестерина сохраняется прежним. Среди липидов обнаруживается
hi юлецитин, формирующий монослойные участки мембран, отлича­
ющиеся большей подвижностью и лабильностью по сравнению с бис•тими. В них выше вероятность слияния биомембран. Через 4-10 ч
после эндоцитоза плазмолемма восстанавливается. В клетках, лишен­
ных холестерина, восстановительный процесс невозможен. Поэтому
микрофаги, выращенные в среде, лишенной холестерина, не способны
фагоцитировать.
Эндоцитоз и экзоцитоз занимают в мембранном транспорте не
мгиьшее место, чем другие механизмы. Для одноклеточных организ­
мом это очевидный факт. Например, амеба благодаря пиноцитозу еже­
часно поглощает такое количество белка, которое достигает 25% ее
• обе гвенной массы. Хорошо известна роль фагоцитоза, осуществляе­
мого лейкоцитами, в защите организма человека от возбудителей
многих болезней (И. И. Мечников, 1892). Велико значение экзоцитоза
исекреторных актах. Вместе с тем открываются все новые факты уча• ши ииноцитоза в обеспечении многих обменных процессов, напри­
мер, обмена веществ между нейронами и глией.
I
'J N - M
162
Биофизика
•
•
А
Б
Рис. 2.24. Опосредованный рецепторами эндоцитоз
А - лиганды связываются с рецепторами; Б - загруженные лигандами
рецепторы собираются в области «окаймленных» углублений;
В - «окаймленное» углубление превращается в глубокую инвагинацию;
Г - инвагинация отделилась, превратившись в «окаймленную» везикулу,
которая находится в процессе сбрасывания своего окаймления
Принято различать неспецифический (или объемный, или жид
кофазный) и специфический (опосредованный мембранными рецепто
рами) эндоцитоз. Различие между ними состоит в том, что специфиче­
скому эндоцитозу свойственно присутствие в клеточных мембранах
рецепторов, с которыми взаимодействуют вещества, проникающие
в клетку. При специфическом эндоцитозе цепь процессов, изображен
ная на рис. 2.23, развивается только после взаимодействия проникающе­
го вещества с соответствующим мембранным рецептором (рис. 2.24)
Такие рецепторы обнаружены для инсулина, эпидермального фактора
роста, трийодтиронина, о^-макроглобулина, ряда токсинов и некоторых
других агентов. Для многих веществ, пиноцитируемых клетками, мемО
ранные рецепторы не найдены. В этих случаях происходит, по-види
мому, неспецифический эндоцитоз, при котором сигналом к перс
11шва 2. Биофизика клеточных мембран
163
< 1 ройке
м ем браны сл уж ит, оч еви дн о, и зм ен ен и е ее ф и зи к о-хи м и ч еск и х
• иойств. В аж ней ш ая роль в н есп ец и ф и ч еск ом эн д о ц и то зе при надл еж и т
• чнигам п ов ер хн остн ого заряда плазм олем м ы .
2.3.5.3. Щелевые межклеточные контакты
В о м н оги х тканях обм ен вещ еств м еж д у клеткам и осущ ествл я ггся через так назы ваем ы е щелевые контакты. Т ам , гд е они возн ика­
ют, п рои сходи т перестрой ка м олек улярн ой структуры плазм атически х
мембран в заи м одей ствую щ и х клеток, что вы раж ается в появлении
I лобулярны х белк овы х ком плексов (кониексонов), которы е р аспол ага­
ли ся в м ем бр ан е уп ор я доч ен н о, образуя гексагональны е структуры
шпа пчелины х сот. О ни пронизы ваю т к л еточ ную м ем бр ан у насквозь,
••опадают латеральной д и ф ф узи ей , в к отор ой уч аствует и ги дроф и л ь­
ная пора, находящ аяся внутри каж дого кон нек сона. П ор а является
мембранны м каналом , заполненны м в одой .
П ри сб л и ж ен и и п л азм ол ем м с о с е д н и х клеток на р асст оя н и е 2 I нм м еж д у стен кам и таких каналов п р о и сх о д и т в заи м од ей ст в и е, при иодящ ее к о б ъ ед и н ен и ю к он н ек сон ов , п р и н адл еж ащ и х м ем бр ан ам
разных клеток с обр а зо в ан и ем ск в озн ого ги др о ф и л ь н о го канала м еж UV их ци топ л азм ам и (рис. 2 .2 5 ), п ри чем ги д р о ф о б н ы е стен к и к аж до го
Iа кого канала и зол и р у ю т его от ок р уж аю щ ей ср еды . С ов ок уп н ость
каналов, обр азов ан н ы х к он н ек сон ам и д в у х с о с е д н и х клеток в м ест е
пк тесн ого соп р и к осн ов ен и я , п р едстав л яет со б о й н а и б о л ее важ ны й
ф ункциональны й эл ем ен т щ ел ев ого контакта (Щ К ). В обл асти о д н о г о
ЩК м ож ет бы ть д о 50 к он н ек сон о в и, сл ед ов а тел ь н о, стол ьк о ж е
• кпозных м еж к л еточ н ы х каналов. В есь п р о ц есс ф орм и ров ан и я Щ К
т п и м а ет от 5 д о 4 0 м ин. П р о сущ еств ов а в н ек о т о р о е врем я, Щ К и сч ешет, а п отом м о ж ет возн и к н уть вновь. Э то в есьм а ди н ам и ч н ая струк Iура, возн икаю щ ая в зав и си м ости от п о т р еб н о ст и клеток во в заи м н ом
обм ене.
О бщ ая тол щ и н а кон такта, в к л ю ч аю щ его д в е с о с е д н и е п л а зм о м ммы, д о с т и г а ет 15 нм , а ди а м ет р о д н о г о к он н ек со н а - 6 нм . Д и а icrp п р о св ета в кан ал е, н а х о д я щ ем ся в н утр и к о н н ек со н а , со став л я | 1,4 - 1 ,6 нм . П о н ем у м о гут п ер ем ещ ать ся из клетки в клетку, н е
попадая в м еж к л ето ч н ую ср ед у , н е тол ько ионы , н о и ор ган и ч еск и е
и*
164
Биофизика
Рис. 2.25. Модель соединения плазматических мембран
соседних клеток при помощи щелевых контактов (gap junction)
Обозначения: 1 и 2 - плазмолеммы двух соседних клеток,
вступающих в контакт, 3 - коннексоны
(сквозные межклеточные каналы)
в ещ еств а с м ол ек ул я р н ой м а ссо й д о 1,8 кД а (ам и н ок и сл оты , низко
м ол ек ул яр н ы е п еп ти ды , сахара, н ук л еоти ды и т. п .). В то ж е время
для Д Н К , Р Н К , бел к ов, гл и к о п р отеи д ов , ф осф ол и п и дов и д р у г и х мак
р ом о л ек у л каналы , со ср ед о т о ч ен н ы е в Щ К , являю тся н еп реодол и
м ы м п р еп я тстви ем .
К аналы , п р и н адл еж ащ и е Щ К в т еч ен и е его сущ ествов ан и я, мо
гут пребы вать как в откры том , так и в закры том со стоя н и я х, что ре
гул и р у ет ся п ер естр ой к ам и к он ф ор м ац и и к он н ек сон ов, приводящ им и
к и х сдв и гам от н оси т ел ь н о о с и канала и и зм ен ен и я м п р освета свое
о б р а зн о й щ ел ев ой ди аф рагм ы (рис. 2 .2 6 ).
I пава 2. Биофизика клеточных мембран
165
Рис, 2,26. Схема функционирования щелевых контактов в мембранах
взаимодействующих клеток при переходах м еж ду открытым (а)
и закрытым (б) состояниями за счет конформационных перестроек
Щелевые контакты обеспечивают эффективный обмен веществ
между соседними клетками. Кроме того, им принадлежит важная роль
имежклеточном электрическом взаимодействии. Оно будет охаракте­
ризовано на примере проведения возбуждения по волокнам сердечной
мышцы, образующим так называемую непрерывную возбудимую сре­
зу функциональный синцитий. В нем отдельные кардиомиоциты со­
единяются друг с другом электрическими синапсами - нексусами,
икаждом из которых находится до 50 коннексонов.
Глава 3. КВАНТОВОМ ЕХАНИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ
И зу ч ен и е гл уби н н ы х м еха н и зм ов б и о эн ер гети к и св язан о преж
д е в сего с п р и м ен ен и ем к би о л оги ч еск и м си стем ам зак он ов и м етодо
л оги и к ван товой м ехан и к и . К вантовая би о ф и зи к а в се гл у б ж е п о зн а а
н е тол ько эл ек т р он н ую стр ук ту р у би о л оги ч еск и важ ны х молекул
и м ехан и зм ы м еж м ол ек ул я р н ого п ер ен о са эл ек трон ов , н о и п ути про
вращ ения эн ер ги и в о зб у ж д ен н ы х м ол ек ул в эн ер ги ю и х продуктом
Н астоящ ая глава п осв я щ ен а и зл о ж ен и ю со в р ем ен н ы х представлении
о к в ан тов ом еха н и ч еск о й п р и р о д е п ер ен о са эн ер ги и и заряда в биом о
л ек ул ярн ы х си ст ем ах. Э т о м у п р ед п о сл а н о р ассм от р ен и е основных
п он яти й кв ан тов ой м ехан и к и и к в ан тов ом ехан и ч еск и х особен н остей
стр оен и я би о л оги ч еск и важ н ы х м ол ек ул .
3 .1. Основные понятия квантовой механики
Квантовая механика п р едстав л яет со б о й р аздел ф изики, со
д ер ж а н и ем к от ор ого являю тся о б щ и е зак он ом ер н о ст и движ ения
и в заи м одей ств и я м и к р очасти ц . В о зн и к н о в ен и е сп ец и ал ь н ой теории,
у стан ав л и ваю щ ей закон ы дв и ж ен и я в м и к р ом и ре, о б у сл о в л ен о тем,
что законы к л асси ч еск ой м еха н и к и и к л асси ч еск ой электродинам ики
оказали сь н еп р и годн ы м и дл я оп и сан и я п ов еден и я отдел ь н ы х атомои,
м ол ек ул , атом н ы х я дер и эл ем ен тар н ы х частиц.
В классической механике четк о разграни чиваю тся дв а ви да дви
ж ения: корпускулярное и волновое. Д ля к ор п уск ул яр н ого движ ения
харак терн о, что объ ек т дв и ж ет ся п о вп ол н е о п р ед ел ен н о й траектории
и в каж ды й м о м ен т в р ем ен и и м еет ч етк ую л окали зацию в простран
стве. Д л я в ол н ов ого дв и ж ен и я , н а о бор от , характерна делокализация
в п р остр ан ств е. П р и м ен и тел ь н о к в ол н е нельзя сказать, что он а нахо
д и тся в д а н н о й точ к е п р остр ан ств а, н е и м еет такж е см ы сл а говорить
i пппп 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
167
и фасктории волны. В рамках классических представлений корпу• *ула и волна представляют собой исключающие друг друга противониипжности. Однако применительно к микрообъектам это четкое
противопоставление не имеет смысла. Один и тот же микрообъект
модних условиях проявляет волновые свойства, а в других - корпу• нулярные. Применительно к микрообъектам на смену противопосIпилению приходит диалектическое единство частицы и волны, т. е.
и м е е т место корпускулярно-волновой дуализм.
Первоначально идея дуализма была развита применительно
• жсктромагнитному излучению и связана, главным образом, с рабоIими М. Планка и А. Эйнштейна. По мнению Эйнштейна, введенные
IIпанком кванты излучения энергии можно рассматривать как своего
рода частицы, позднее названные фотонами. Как всякая частица,
фотон помимо энергии обладает импульсом. Если энергия фотона:
W = hv = h —,
X
(3.1)
ю импульс определяется формулой:
Следующий шаг в развитии идеи корпускулярно-волнового дуашпма заключался в распространении этой идеи на частицы вещества.
И 1924 г. JI. де Бройль высказал мысль, что с каждым микрообъектом
i подует связывать как корпускулярные характеристики (энергия, им­
пульс), так и волновые (частота, фаза, длина волны). J1. де Бройль до­
пустил, что соотношения (3.1) и (3.2) справедливы не только для фотонон, но и для любых микрообъектов, даже для тех, которые ранее
фнктовались только как частицы (электроны, протоны, нейтроны
и др.). Тогда для свободно движущихся частиц формулу (3.2) можно
шписать следующим образом:
(3.3)
168
Биофизики
Следовательно, любой частице массой т, движущейся со ско­
ростью \), соответствует некоторый волновой процесс, длина волны
которого может быть найдена по формуле де Бройля (3.3).
Экспериментальное подтверждение применимости идеи кор­
пускулярно-волнового дуализма к частицам было дано в 1927 г
К.Д. Дэвиссоном и Л. Джермером, а несколько позже П.С. Тартаковским. Их опытами было убедительно доказано наличие волновых
свойств у пучка свободно движущихся электронов.
Таким образом, волновые свойства присущи любым движу­
щимся частицам, а формула де Бройля для вычисления длины волны
имеет универсальный характер. В принципе можно приписать неко­
торую длину волны любому движущемуся телу, но в случае макро­
объектов она будет чрезвычайно мала. Например, для летящей пули
длина волны оказывается порядка 10-32 м и, следовательно, волновые
свойства пули дифракционными методами обнаружены быть не мо­
гут. Поэтому можно считать, что у макроскопических тел волновые
свойства практически отсутствуют.
Волне де Бройля, наряду с длиной волны, можно приписать
и амплитуду. Каков же ее физический смысл? Ответить на этот во­
прос можно, рассматривая явление дифракции частиц, например,
электронов. В результате дифракции на экране образуется картина,
представляющая собой чередование дифракционных максимумом
и минимумов. С волновой точки зрения, наличие максимумов озна­
чает наибольшую интенсивность волн де Бройля на определенных
участках, а интенсивность волны пропорциональна квадрату ампли­
туды. С другой стороны, интенсивность волны де Бройля в данной
точке пространства, очевидно, связана с числом электронов, попада­
ющих в эту точку в единицу времени. Попадание же электронов в ту
или иную точку пространства характеризуется определенной вероят­
ностью. Следовательно, квадрат амплитуды волны де Бройля в дан­
ной точке пространства является мерой вероятности того, что части­
ца находится в данной точке.
Для описания распределения вероятности нахождения частицы
в данный момент времени в некоторой области пространства в кван­
товой механике вводится специальная функция, называемая волно-
11man 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
169
нпй функцией. Эта функция обозначается греческой буквой «пси»
н швисит от координат пространства и времени: \|/ (х, у, z, t). Смысл
инIIновой функции заключается в следующем: вероятность (w) того,
•но микрообъект в данный момент времени (t) находится внутри не­
которого объема (AF), равна произведению квадрата модуля волноnoli функции на этот объем:
(3.4)
Величину
l^ 2
называют
плотностью
вероятности:
Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функ­
ции подчеркивает статистический характер квантовой механики. Это
пшачает, что применительно к микрообъектам не имеет смысла гоиорить об их координатах или траекториях движения, а можно лишь
i помощью 1|/-функции оценить вероятность их нахождения в той
ими иной области пространства.
Волновая функция, являющаяся основным носителем ин­
формации обо всех свойствах микрочастицы, не может быть непо­
средственно измерена. Поэтому должен существовать специальный
математический аппарат для ее определения. Создание такого мате­
матического аппарата связано с именем Э. Шрёдингера, который
и 1926 г. предложил уравнение, позволяющее определять волновую
функцию микрообъекта в конкретных условиях. В квантовой механи­
ке уравнение Шрёдингера играет такую же важную роль, как второй
iaкон Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла
и электродинамике. Подобно закону Ньютона, оно не выводится,
а постулируется. Уравнение Шрёдингера в квантовой механике явля­
йся исходным, основополагающим, и поэтому не может быть вывецено из других соотношений. Справедливость этого уравнения доканинается тем, что выводы, полученные с его помощью, находятся
и хорошем соответствии с экспериментальными данными.
Для стационарных состояний, когда отсутствует зависимость
ог времени, уравнение Шрёдингера имеет вид:
170
Биофизики
Э 2хУ |Э2хР |Э2хР |8тс2т
Эх2
д у 2Эz 2
( W - U ) ' ¥ = 0.
(3.5)
гд е W - полная эн ергия м икрочастицы , U - ее потенциальная энер
гия, т - м асса частицы , h - п остоян ная П ланка. В сл уч ае нестационар
ны х состоя н и й \|/ является ф ун к ц и ей и п ространственн ы х координат,
и врем ени . В в и д у значи тельн ой сл ож н о сти уравнения Ш реди нгера, за­
п и сан н ого с уч етом зави си м ости \\f от t, в дал ьнейш ем б у д ет рассм ат
риваться только ур ав н ен и е (3 .5 ), н е со д ер ж ащ ее врем ени.
Р еш ен и е эт о го ур ав н ен и я в у сл о в и я х к он кретны х ф изических
задач п р и в оди т к в есь м а в аж н о м у в ы в оду - о дискретности величин,
ха р а к т ер и зую щ и х м и к р ообъ ек ты . В ур ав н ен и е Ш р еди н гер а входш
полн ая эн ер ги я м и к р очасти ц ы W. Р еш ен и е уравнения п ок азал о, что
тол ьк о св о б о д н о д в и ж у щ и еся частицы м о гу т им еть л ю б у ю эн ергию
Ч то ж е касается св я зан н ы х ч асти ц , т. е. частиц, д в и ж ущ и хся в огра
н и ч ен н ом п р о стр ан ств е (н ап р и м ер , в п р ед ел ах атом а ил и м олекулы ),
то р еш ен и е ур ав н ен и я Ш р еди н гер а для эт о г о случая в о зм о ж н о толь
ко при н ек отор ы х о п р ед ел ен н ы х зн ач ен и я х эн ерги и . Э т о означаем,
что связан ная ч асти ц а м о ж ет им еть только дискретные значения
эн ер ги и , н азы ваем ы е собственными зн ачен и ям и . Р еш ен и я уравнения
Ш р еди н гер а , со о т в ет ст в у ю щ и е со бст в ен н ы м знач ен и я м эн ер ги и , на­
зы ваю тся собственными функциями. Т аким обр а зо м , дискретность
эн ер ги и , а так ж е и д р у г и х хар а к т ер и зую щ и х ч асти ц у в еличи н непос р ед ст в ен н о вы тек ает и з р еш ен и я урав н ен и я Ш реди н гера.
Р еш ен и е эт о г о ур ав н ен и я п р едп ол агает н а х о ж д ен и е собствен
н ы х зн ач ен и й эн ер ги и и со б ст в ен н ы х в ол н ов ы х ф ун к ц и й м икрочас­
тицы , есл и и зв естн а ее потен ц и альн ая эн ергия. К ак правило, эта за
д ач а со п р я ж ен а с оч ен ь бол ь ш и м и м атем ати ч еск и м и трудностям и,
и т о ч н о е р еш ен и е м о ж ет бы ть п о л у ч ен о только в н ек отор ы х, наибо
л ее п р о ст ы х сл уч аях.
Частица в одномерной потенциальной яме с бесконечна
высокими стенками. Т ер м и н « од н ом ер н ая потенциальная яма»
озн ач ает, что части ц а, нап р и м ер эл ек тр он , м о ж ет перем ещ аться
тол ько вдол ь о с и х в и н тервал е 0 < х < I (рис. 3 .1 ). П оск ол ь к у в ука
зан н о м и н тервал е на ч а сти ц у н е д ей ст в у ю т си ловы е поля, ее потен
wi 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
171
ос
t
и
о
х
Рис. 3.1. Одномерная прямоугольная потенциальная яма
с бесконечно высокими стенками
шьная энергия равна нулю. За пределами интервала частицы нет,
и ому ее потенциальная энергия вне интервала бесконечно велика
in с бесконечно высокими стенками). Частица заключена в некотоI области пространства, ограниченной идеально отражающими
мками. Модель потенциальной ямы используется применительно
>мду систем, например, для описания электронов в металле или
слонов в ядре.
Так как яма одномерная, а потенциальная энергия частицы равпулю, уравнение Шредингера принимает вид:
Введем обозначения:
(3.7)
Тогда уравнение (3.6) примет вид:
Эх2
(3.8)
Решение этого уравнения можно записать следующим образом:
'F = .4 sin (w x + Ф 0).
(3.9)
172
Биофизика
Значения со и можно найти, учтя граничные условия:
1) при х = 0 —> \|/ = 0. Так как А не может быть равно нулю,
можно написать, что sin (со 0 + ср0) = 0, откуда следует, что ф0 = 0;
2) при х = /
\j/ также равна нулю и, следовательно, sin со/ = 0
Из этого равенства видно, что со/ может принимать значения только
кратные п: со/ = п%, где п - 1, 2, 3,..., а
Подставив это значение со в формулу (3.7), получим:
8л:2т
п 2и 2
(3.11)
откуда
(3.12)
По этой формуле можно найти собственные значения энергии
частицы. Наличие в формуле (3.12) целого числа п означает, что
энергия частицы, находящейся в потенциальной яме, может прини
мать только дискретные (квантованные) значения. Число п называа
ся главным квантовым числом.
Набор собственных значений энергии образует энергетический
спектр частицы, который может быть представлен в виде системы
энергетических уровней (рис. 3.2). Состояние частицы с наименьшей
возможной энергией (п = 1) называются основным. Все остальные со
стояния называются возбужденными. Разность энергий двух соседних
уровней зависит от ширины потенциальной ямы / и от массы частицы
Так, для электронов при / порядка 10~10м (размер атома) Д 1Гоказыва
ется около 100 эВ. Но при / = 0,1 м Д^Гдля электрона оказывается по
рядка 10-16 эВ, т. е. при данной ширине потенциальной ямы энергии
изменяется практически непрерывно, и такой электрон можно счи
тать свободным (например, электрон в электронно-лучевой трубке).
173
i imea 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
AW
п=4
п=3
W,
п=2
W,
п=1
Wi
Рис. 3.2.Энергетические уровни частицы, находящейся в потенциальной яме
Подставив значения со в уравнение (3.9), найдем собственные
функции:
хт/
'F„
=
А
s>in •
кп х
.
I
(3.13)
Константа А не зависит от квантового числа п и определяется
шириной потенциальной ямы. Не приводя соответствующего расчеlii, отметим, что A = J j . С учетом этого соотношения получаем окон­
чательное выражение для собственных функций частицы, находя­
щейся в потенциальной яме*
>т/
12 . кпх
х¥ п = - -sin
.
"
V/
/
(3.14)
Плотность вероятности нахождения частицы в разных точках
потенциальной ямы можно найти, рассчитав |\[/|2 при разных значе­
ниях х. Зависимость |\|/|2 от х при разных квантовых числах п пред• гавлена на рис. 3.3. Из рисунка видно, что вероятность нахождения
»||сктрона в разных местах потенциальной ямы существенно различ-
174
Биофизика
Рис. 3.3. Плотность вероятности нахождения частицы
в разных точках потенциальной ямы
на, в частности вероятность нахождения частицы в некоторых точках
вообще равна нулю. Такое распределение вероятности нахождения
частицы в различных точках лишний раз подчеркивает, что поведе
ние микрочастицы несовместимо с представлением о траектории
движения.
Прохождение частиц через потенциальный барьер (тунне­
льный эффект). Существует целый ряд процессов, осуществление
которых связано с преодолением частицами некоторого потенциал!»
ного барьера. Если высота барьера U больше, чем энергия частицы И
(рис. 3.4), то, с точки зрения классической механики, прохождение
этой частицы через барьер абсолютно невозможно, что не соответс'1
вует эксперименту. Объяснение этого несоответствия дает квантовая
теория. Движению микрочастицы соответствует волновой процесс,
называемый волной де Бройля. На границе с потенциальным барьс
ром волна де Бройля должна вести себя подобно электромагнитной
волне на границе двух сред с различными показателями преломле
ния. Электромагнитная волна в этом случае частично отражается,
а частично проходит через границу. Волна де Бройля на границе с по
тенциальным барьером также испытывает не только отражение, но
и частично проходит в область за пределами барьера. Это означай,
что имеется определенная вероятность обнаружить частицу по дру*
гую сторону барьера. Этот специфический квантовый эффект называ
I папе 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
175
1'Ц'и туннельным эффектом. Вероятность прохождения частицы
*мюзь потенциальный барьер характеризуется величиной Д которая
называется коэффициентом прозрачности барьера. Решение уравне­
нии Шредингера для случая прямоугольного потенциального барьера
• иысотой U и шириной L приводит к следующему выражению:
- — L j 2m(U - I V )
D=e h
Iце
(3.15)
m - масса частицы, W - энергия частицы.
Туннельный эффект играет важную роль в целом ряде физиче• них явлений, таких, как холодная эмиссия электронов из металлов,
•ин.фа-распад и др. Очевидно, что вероятность прохождения частицы
через барьер достаточно велика только в том случае, если размеры
Пирьсра соизмеримы с атомными размерами. При L порядка 10~10 м
(размер атома) и (U - W) = 10 эВ, D » е~] ~ 0,37. При переходе
н мдерным масштабам (L порядка 10-15 м) вероятность прохождения
♦метицы через барьер достигает значения е~1 при разности энергий
III W) = 10 МэВ, что делает возможным альфа-распад. В макроско­
пической области (L порядка 10~2 м) вероятность прохождения части­
цы через потенциальный барьер ничтожно мала (D ~ е~10 ), т. е.
и ном случае туннельный эффект практически невозможен.
Атом водорода. Решение уравнения Шредингера применитеИ.1Юк атомам и молекулам является достаточно сложным. Наиболее
176
Биофизика
простыми системами являются атом водорода и водородоподобные
атомы, например, ионизированный атом Не и другие.
Атом водорода представляет собой систему, состоящую из про
тона и электрона, между которыми существует электрическое притя­
жение. Из-за большой разности масс этих частиц протон можно счи­
тать неподвижным. Потенциальная энергия электрона в поле ядра по
закону Кулона равна:
и=-
4п е0г
(3.16)
Уравнение Шредингера для атома водорода имеет вид:
(3.17)
Как и для электрона, находящегося в потенциальной яме, рс
шение уравнения Шредингера для электрона в атоме из-за наличия
граничных условий возможно только при некоторых определенных
значениях энергии W. Но, в отличие от одномерной потенциальной
ямы, состояние электрона в атоме характеризуется не одним, а не
сколькими квантовыми числами.
Потенциальное поле, действующее на электрон в атоме водо
рода, центрально-симметрично, поэтому удобнее вместо прямоуго
льной системы координат использовать сферическую (полярную)
В этой системе положение точки задается радиусом-вектором (г)
и двумя углами: 0 и ф (рис. 3.5).
Связь между прямоугольной и сферической системами коор
динат дается формулами:
х - г sin 0 co s9 ,
у = r - s in 0 ‘sin 9,
Z
(3.18)
= г •cos 0.
При использовании сферических координат переменные в урав
нении Шредингера разделяются, и \|/-функция может быть представлс
11шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
177
Рис. 3.5. Сферическая система координат
ни как произведение трех функций, каждая из которых зависит только
or одной координаты:
'1'(г,ф,0)=/1 (г)/2 (ф )/ з (0 ).
(3-19)
Каждая из этих функций может принимать только дискретные
шачения и связана с определенным квантовым числом. Функция f x(r)
гнизана с главным квантовым числом п, которое определяет уровни
•иергии электрона:
W =-
me4z 2
(3.20)
8e 20h 2n2
Функция f 2(ф) связана с орбитальным квантовым числом I.
>лектрон, двигаясь в поле ядра, обладает моментом импульса, кото­
рый обычно называют орбитальным моментом. В классической ме­
ханике момент импульса частицы, двигающейся по орбите радиусом
г, определяется по формуле М = т -г и представляет собой вектор,
направленный перпендикулярно плоскости орбиты. Согласно зако­
нам квантовой механики, точное направление орбитального момента
микрочастицы не может быть задано. Можно только определить ве-
178
Биофизика
личину орбитального момента М и значение его проекции на ка­
кое-то направление, например, на ось z (М.).
Из решения уравнения Шредингера следует, что орбитальный
момент электрона в атоме может принимать только дискретные зна­
чения, определяемые орбитальным квантовым числом I:
Л / = /ц //(/ + 1),
(3.21)
где
/ = 0, 1,2 ... (п - 1), h = — .
2%
При заданном главном квантовом числе п орбитальное кванто­
вое число может принимать значения от 0 до (я - 1).
Проекция орбитального момента на направление z также кван­
тована и может принимать лишь значения, кратные h:
M z =m, -h.
(3.22)
Целое число т, называется магнитным квантовым числом.
Термин «магнитное» определяется тем, что механический момент
импульса электрона всегда связан с его орбитальным магнитным мо­
ментом р т, поскольку электрон заряжен. Поэтому в качестве направ­
ления z обычно выбирают направление внешнего магнитного поля, н
котором находится атом. При заданном п число т, принимает (2/ + 1)
значений.
Таким образом, каждому значению главного квантового числа
п соответствует несколько волновых функций, описывающих состоя­
ние электрона в атоме. Волновые функции, описывающие состояние
атома при определенных значениях квантовых чисел,
, щ называ­
ются орбиталями. В зависимости от значений квантового числа I
различают орбитали разных типов. При / = 0 имеем 5-орбиталь, при
/ = 1 это р-орбиталь, при 1 = 2 это ^-орбиталь.
Квантовая теория отрицает существование электронных орбит
в атоме. Решая уравнение Шредингера и находя волновые функции,
получаем лишь суждение о вероятности нахождения электрона в том
или ином месте. Вспомним, что квадрат модуля волновой функции
]\|/|- определяет вероятность нахождения электрона в объеме AV.
Произведение заряда электрона е на |у |2, т. е. е |\у|2, представляет со-
/ 1
шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
179
1юй среднюю плотность заряда в этом элементарном объеме. Зная
h|/|‘ в разных точках атома, можно представить статистическое рас­
пределение заряда в атоме для данного квантового состояния. При
и ом получается, что заряд электрона «размазан» с различной плот­
ностью по всему атому, образуя электронное облако. Размер, форма
и расположение этого облака в пространстве определяются видом
иолновой функции и значениями квантовых чисел.
Многоэлектронные атомы. Точное решение уравнения Шрезингера для атома, содержащего несколько электронов, не получено.
Мри распределении электронов по орбиталям необходимо учиты«н1гь, что электроны, как и другие микрочастицы, обладают спином.
( иин представляет собой собственный момент импульса частицы, не
• низанный с ее перемещением в пространстве. Со спином связано на­
низме у электрона собственного магнитного момента |15 . Проекция
шипового момента импульса на выбранное направление z может
принимать только дискретные значения, определяемые спиновым
ьпинтовым числом т5 . Для электрона число ms принимает два значе­
нии: ms =±1/2.
Четверка квантовых чисел (л, /, ть ms) характеризует квантовое
• пстояние отдельного электрона. Принцип Паули гласит, что в атоме
иг может быть двух электронов, находящихся в одном и том же кванмшом состоянии, характеризуемом определенным набором квантоШ.1Х чисел п, I т{ и т5. Электроны с одинаковым п образуют слой (К,
I, M,Nt ...), а электроны с одинаковыми л и / образуют оболочки (Is,
Ч, 2 р ...).
3.2. Испускание и поглощение энергии
атомами и молекулами
Уровни энергии в атомах. Любой комбинации квантовых чи| гII л, I, mt соответствует определенный энергетический уровень. На
рис. 3.6 представлена в качестве примера система энергетических
уровней атома водорода. Поглощение и испускание энергии атомом
• мизано с переходом электрона между энергетическими уровнями.
Гмкис переходы называются чисто электронными переходами.
II случае многоэлектронных атомов и молекул следует говорить об
180
Биофизика
эн ер гет и ч еск и х у р ов н я х атом а и л и м ол ек ул ы , а н е о б ур ов н я х о т д е­
л ь н ы х эл ек тр он ов , так как эн ер ги ю п огл ощ аю т ил и и сп уск аю т атом
или м ол ек ул а в ц ел о м . Е сл и в се эл ектроны в атом е н аходя тся на св о­
и х о сн о в н ы х ур ов н я х, т о атом н ах оди т ся в основном состоянии. Е с­
л и о д и н и з эл ек тр он ов н а х о д и т ся на б о л е е в ы сок ом эн ергети ч еск ом
у р ов н е, то атом н а х о д и т ся в возбужденном состоянии.
В м н о г о эл ек т р о н н ы х ат о м а х и сп у ск а н и е света св я зан о с пе­
реходами валентных электронов. П е р ех о д ы б о л е е близких к ядру
эл ек т р он ов п р и в одя т к в о зн и к н о в ен и ю рентгеновского и зл учения.
Д л и н а вол н ы и зл уч ен и я м о ж ет бы ть оп р ед ел ен а п о ф орм уле:
с
h \ = h — =Wk - W . , г д е WKи Wt - эн ер ги и со от в ет ст в ую щ и х уровней.
А,
Т ак как си ст ем а эн ер гет и ч еск и х ур ов н ей у атом ов к аж дого элем ента
своя, сп ек тр атом ов и м еет линейчатый характер и является характер­
ны м для д а н н о го эл ем ен та.
О дн ак о д ет ал ь н о е и зу ч ен и е л и н ей ч аты х сп ектров различны х
эл ем ен т ов п ок азал о, что в р я де сл уч аев линия н е является еди н и ч н ой ,
а со ст о и т из н еск ол ь к и х бл и зк о р асп ол ож ен н ы х к ом п он ен т. Н ап ри­
м ер, характерная для натрия ж елтая линия на са м о м д ел е со ст о и т из
д в у х бл и зк и х л и н и й с дл и н ам и вол н 5 8 9 нм и 5 8 9 .6 нм . С л ож н ы е линии
назы ваю тся мулыпиплетами. Ч и сл о ком п онен тов в м ультиплете м ож ет
бы ть равно д в ум (дубл еты как у натрия), трем (триплеты ), четы рем
(квартеты ) и т. д. Р асщ еп л ен и е спектральны х линий на мультиплеты
о бу сл ов л ен о, оч еви дн о, расщ еп л ен и ем эн ергети ч еск и х уровней. С и сте­
м а эн ер гет и ч еск и х у р о в н ей , п р едстав л ен н ая на ри с. 3 .6 , получена
п ут ем р еш ен и я ур ав н ен и я Ш р ёди н гер а б е з уч ета сп и н а эл ектрона. Са­
м о п он я ти е сп и н а и бы л о в в ед ен о для объ я сн ен и я расщ еп л ен и я эн ер ге­
т и ч еск и х у р ов н ей .
Д л я м н огоэл ек т р он н ы х атом ов эн ер гети ч еск и е ур ов н и м ож но
к л асси ф и ц и ровать в зав и си м ости от су м м ар н ого сп и н а атом а. В ато­
м ах с четн ы м ч и сл ом эл ек тр он ов при анти параллельной ориентации
эл ек тр он н ы х сп и н ов сум м ар н ы й сп и н s = 0. П р и м ер ом м о ж ет служ ить
о с н о в н о е со ст о я н и е атом а Н е. Т ак ом у со ст оя н и ю атом а соответств ует
в п ол н е о п р ед ел ен н о е зн ач ен и е эн ер ги и . П од обн ы й эн ергетич еск ий
ур ов ен ь н азы вается синглетнъш . Е го м ул ьти п л етн ость равна еди н и ц е.
I пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
181
W, эВ
Рис. 3.6. Энергетические уровни атома водорода
Если в атоме имеется один неспаренный электрон, то суммар­
ный спин атома может принимать одно значение s = 1/2. Проекция
спина принимает два значения - т 5= ±1/2. При них энергия атома бу­
дет немного различаться, а это означает, что соответствующий энерге­
тический уровень расщепляется на два близких подуровня. Такой уроиень называется дублетным. В спектре ему соответствуют две близкие
пинии. Дублетные уровни характерны для всех щелочных металлов.
При наличии в атоме двух неспаренных электронов суммарный
шин может принимать два значения: Sj = 0 (спины антипараллельны,
шиглетное состояние) и s2 = 1 (спины параллельны, триплетное соi тяние). В первом случае т5 = 0, во втором - ms = 0, +1, -1 , т. е. про­
екция полного спина принимает три значения. Триплетному состоя­
нию в спектре соответствуют три близкие линии. Мультиплетность
спектральных линий, связанная со спином, называется тонкой
структурой спектра.
Правила отбора, метастабильные уровни. Система энергети­
ческих уровней атома является достаточно сложной и состоит из
Гюлыного числа различных переходов. Однако далеко не все перехо­
ды возможны. Существуют специальные правила отбора, которые
182
Биофизика
определяют, какие квантовые переходы являются разрешенными (ве­
роятность перехода велика), а какие запрещены. Запрет может быть
строгим (вероятность перехода равна нулю) и приближенным (веро­
ятность перехода мала, но отлична от нуля). Правила отбора опреде­
ляют возможные изменения квантовых чисел при переходе, посколь­
ку состояния атома характеризуются с помощью этих чисел. Так, при
испускании или поглощении кванта света возможен только такой пе­
реход электрона с одного уровня на другой, при котором орбитальное
квантовое число изменяется на единицу: Д/ = ±1. Поэтому, электрон
не может перейти с уровня s (/ = 0) на уровень d (I = 2), а может перей­
ти на уровеньр (I = 1). Это правило отбора является следствием зако­
на сохранения момента импульса. Дело в том, что фотон имеет собст­
венный момент импульса (спин), равный единице. При испускании
кванта фотон уносит из атома этот момент, а при поглощении его при­
вносит.
Другое правило отбора связано с изменением мультиплетности
состояния. Разрешенными являются переходы, при которых общий
спин атома не изменяется: As = 0. В соответствии с эгим правилом
переход из синглетного состояния в триплетное (или наоборот) явля­
ется запрещенным. Однако этот запрет не является строгим, просто
вероятность такого перехода очень мала. Уровень, переход с которо­
го на более низкие уровни имеет малую вероятность (запрещен), на­
зывается метастабилъным. Вследствие малой вероятности перехода
в основное состояние атомы могут находиться в метастабильном со­
стоянии значительно дольше, чем в любом другом возбужденном со­
стоянии.
Уровни энергии в молекулах. Схема уровней энергии моле­
кул является гораздо более сложной, чем у атомов. Это связано с тем,
что в молекулах возможны помимо движения электронов также ко­
лебательное и вращательное движения При колебательном движе­
нии периодически изменяется относительное расположение ядер
в молекуле. При вращательном движении изменяется положение
в пространстве всей молекулы целиком. Полная энергия молекулы
складывается из трех частей:
w= w
УУ
УУ ЭЛ
+
w кол ^+ уг
w вр*
^ уу
( 3 .23 )
183
I /шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
iЬ
...... 1
1
W
ГГЭЛ-КОЛ
W
ггкол-вращ
W
ггкол
а)
б)
Рис. 3.7. Энергетические уровни молекул
a - электронные и колебательные уровни;
б - колебательные и вращательные уровни
Вклад каждого вида движения в полную энергию молекулы явпиется существенно различным: W3J1> WKOn > WBp. Энергия колебатепыюго движения частицы также квантуется, поэтому колебательная
шсргия молекул принимает только дискретные значения, характери|усмые квантовым числом .
В квантовой механике показано, что и энергия вращающейся
микросистемы (ротатора) квантуется. Следовательно, вращательная
шсргия молекулы тоже принимает дискретные значения, определяе­
мые квантовым числом j. При поглощении молекулой энергии могут
мменяться все виды энергии. Поэтому полное изменение энергии
молекулы равно:
Д W= AW3Jl + AWKOJl + AWBp,
(3.24)
причем AW3n> AWKon> AWtp.
Система энергетических уровней молекулы представляет собой
i онокупность далеко отстоящих друг от друга электронных уровней
шергии. Каждому электронному уровню соответствует набор более
Ппизко расположенных колебательных уровней (рис. 3.7, а), а каждо­
му колебательному уровню соответствует совокупность еще более
ICCHOрасположенных вращательных уровней (рис. 3.7, б). Такая сисюма энергетических уровней определяет значительно более сложный
чпрактер молекулярных спектров по сравнению с атомными. Измене­
ние W3n(электронный переход) связано с поглощением или испускани-
184
Биофизика
ем кванта в видимой или ультрафиолетовой области. Но наряду с W.y{
при этом процессе могут измениться WKOJl и WHp. Поэтому данному
электронному переходу в спектре соответствует не одна линия, а ряд
близко расположенных линий, образующих полосу. В случае простых
молекул при исследовании спектра при помощи приборов с большей
разрешающей способностью видны линии, составляющие полосу.
В спектре сложных молекул обычно наблюдается одна или несколько
довольно широких сплошных полос. Такие спектры называются электронно-колеботелыю-вращателъными. Они, как правило, характери­
зуют молекулу в целом и служат для идентификации веществ.
При поглощении молекулой небольшой порции энергии не из­
меняется W^, тогда как колебательная и вращательная энергии могуч
возрасти. При поглощении энергии в дальней инфракрасной области
(X = 0,1-1 мм) изменяется только вращательная энергия молекул,
и имеет место чисто вращательный спектр. Колебательным перехо­
дам соответствует поглощение в ближней и средней инфракрасной
области (Х = 1-100 мкм). При данном AWKOn в спектре получается
полоса, состоящая из близко расположенных вращательных линий колебательно-вращательный спектр. Эти спектры широко применя­
ются для изучения структуры сложных молекул. Многие группы,
входящие в сложные молекулы (гидроксильная, карбонильная и кар­
боксильная группы, водородная связь и др.), характеризуются впол­
не определенными частотами колебательных переходов. Наличие
в инфракрасном спектре поглощения полос, соответствующих этим
частотам, говорит о присутствии в молекуле определенных групп.
В молекуле, как и в атоме, различные переходы имеют разную
вероятность, и существуют определенные правила отбора. Элект­
ронные состояния молекулы, как и атома, могут быть классифициро­
ваны в зависимости от суммарного спина молекулы. Два электрона,
соответствующие одной молекулярной орбитали, имеют антипараллельные спины. При переходе одного из этих электронов с основного
энергетического уровня на более высокий антипараллельная ориен­
тация спинов обычно сохраняется. Такое возбужденное состояние на­
зывается синглетным, а переход - синглет-синглетиым переходом.
Однако возможны случаи, когда электрон при переходе изменяет пер­
воначальную ориентацию спина на противоположную. В результате
I ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
185
нмвысшем энергетическом уровне появляется электрон, не спаренный
г оставшимся на основном уровне. Такое возбужденное состояние на­
пивается триплетным. Непосредственный переход из основного сог Iояния в триплетное запрещен, но возможен процесс, изображенный
ни рис. 3.8: электрон из основного состояния переходит в первое воз­
бужденное синглетное состояние. Находясь в возбужденном состоя­
нии, молекула взаимодействует с соседними молекулами и безызлучаим1ыю теряет часть своей энергии; в результате этого взаимодействия
ысктрон оказывается на триплетном уровне Т, который является метаi Iлбильным, так как переход между триплетным и синглетным состоянними запрещен. Молекула может находиться в таком состоянии доиольио долго, но поскольку запрет является не строгим, электрон
и юсобен в конце концов перейти с уровня Т на основной уровень.
У свободных радикалов, имеющих один неспаренный элект­
рон, суммарный спин равен ±1/2 и для них характерны дублетные
гостояния. Следует отметить, что молекулы, находящиеся в триплет­
ном состоянии, имеют два неспаренных электрона и могут рассмат­
риваться как бирадикалы. Молекулы в дублетном и триплетном сопоиниях обладают повышенной химической активностью.
Время жизни возбужденного состояния. Если вещество под­
вергается воздействию определенной энергии, то часть его атомов
пип молекул перейдет в возбужденное состояние или, иначе говоря,
увеличится заселенность высших энергетических уровней. Затем
число возбужденных атомов или молекул будет постепенно самопрон шольно (спонтанно) уменьшаться. Число атомов dNki, перешедших
in время dt из состояния к в состояние г, пропорционально заселенноriи уровня к (Nj) vl может быть выражено формулой:
Рис. 3.8. Синглетные (S) и триплетные уровни (Т) в молекуле
и схема переходов меж ду нами
186
Биофизики
-d N u =A kiN kidt,
(3.25)
где Aki - коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения. Ом
определяет вероятность того, что атом в течение 1 с самопроизволь
но перейдет из состояния к в состояние i. Запишем формулу (3.25) и
следующем виде:
- ^ J L = A kidt.
Nk
(3.26)
Проинтегрировав это выражение, получим формулу:
N k = N ko- e ~^‘ ,
(3.27)
которая позволяет определить, сколько атомов или молекул осталось
в возбужденном состоянии по прошествии времени t.
Вместо коэффициента Ак/ часто пользуются величиной , кото­
рая носит название среднего времени жизни возбужденного состоя­
ния. Величины и Аы связаны соотношением:
— =т.
лА и
(3.28)
Введя величину , можно формулу (3.27) записать следующим
образом:
N k = N k' -e~*.
(3.29)
Из формулы (3.29) становится ясным физический смысл
Очевидно, это время, в течение которого количество возбужденных
атомов или молекул за счет спонтанного излучения уменьшается в с
раз. Для разрешенных переходов среднее время жизни возбужденно
го состояния составляет порядка 10~8-10~9с. В метастабильном со
стоянии атом или молекула могут находиться значительно дольше,
так как переход из метастабильного состояния в основное имеет малую вероятность. Поэтому в веществах, атомы или молекулы кото-
I папа 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
187
|н.1х имеют метастабильные уровни, электроны задерживаются на
них уровнях, и в веществе создается повышенная (инверсная) засеяшность в ы с ш и х энергетических уровней.
3.3. Квантовомеханические особенности
строения биомолекул
Живые системы на 99% состоят из атомов водорода, углерода,
июта и кислорода. Большую роль в биохимических процессах игра­
ни также атомы фосфора и серы. Для атомов С, N, О, S и Р характер­
но наличие «неподеленной пары электронов» и способность легко
образовывать кратные связи.
Состояние электронов в атоме описывается волновыми функ­
циями - атомными орбиталями (АО), которые классифицируются
н зависимости от значения орбитального квантового числа (s-, р-,
11 орбитали). АО, которые используются для образования связей, нан.шаются валентными орбиталями.
Орбитали рассчитывают по законам квантовой механики. Поэюму раздел биофизики, который посвящен изучению поведения элекIромов в биологических системах, называется квантовой биофизикой.
()н получил импульс развития в работах Альберта Сент-Дьердьи, котрый называл эту область знаний биоэлектроникой и под таким наншнием опубликовал в 1969 г. свою замечательную книгу. Она имела
подзаголовок: «Исследование в области клеточной регуляции, защит­
ных механизмов и рака».
Электроны в атоме, орбитали которых имеют форму сферы, на1мнаются ^-электронами (рис. 3.9, а). У ^-электронов (рис. 3.9, б, в, г)
орбитали гантелевидной формы (точнее, формы объемных восьме­
рок), расположенные в трех взаимно-перпендикулярных направле­
ниях. Такие электроны отсутствуют у важнейшего элемента биологи­
ческих систем водорода, но зато все другие элементы (С, N, О, Р, S),
составляющие вместе с атомом Н львиную долю биологических моле­
кул, содержат р-электроны. Углерод имеет 2 неспаренныхр-электрона
ни втором энергетическом уровне (2рх и 2ру-орбитали). У азота 3 не• паренных р-электрона на втором энергетическом уровне (2рх, 2ру,
У кислорода 2 спаренных (2рх) и два неспаренных (2ру и 2pz)
188
Биофизика
. Рис. 3.9. Атомные орбитали: s-
(а), р - (б, в, г), d- (д) электронов
^-электрона на втором энергетическом уровне. Фосфор и сера содер­
жат /5-электроны не только на втором, но и на третьем энергетических
уровнях. Так, у фосфора 6 спаренных (2рх, 2ру, 2 /5-электронов на
втором энергетическом уровне и 3 неспаренных (3рх, 3р у, 3p j р-электрона на третьем энергетическом уровне. Сера имеет 8 спаренных (2/5„,
2ру, 2p z, Зрх) и 2 неспаренных (3р у, 3pJ/5-электронов.
Более сложные орбитали у / (рис. 3.9, д) и /-электронов в ато­
ме, причем в основном состоянии ни один из перечисленных выше
элементов (Н, С, N, О, Р, S) таких электронов не имеет.
Однако при возбуждении (рис. 3.10, Р*) один из двух 5-элект­
ронов фосфора с третьего энергетического уровня (3s) переходит на
вакантную 3/орбиталь и тогда у фосфора на третьем энергетиче­
ском уровне оказывается 5 неспаренных электронов: один s-элект­
рон, три /7-электрона, один /электрон. В этом случае валентность
фосфора равна не трем (как в покое), а пяти. Для возбуждения серы
(рис. 3.10, S*, S**) также характерно заполнение вакантных 3 /ор би ­
талей, причем как одной, так и двух. В первом случае (рис. 3.10, 8*)
один из двух электронов переходит с 3/5х-орбитали на 3/орбиталь,
и сера из двухвалентной становится четырехвалентной (с четырьмя
неспаренными электронами на третьем уровне). Во втором варианте
189
I ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
Is
Р
р*
S*
S**
2рх 2ру 2pz
пи
ии
Is
s
2s
2s
3s
Зрх Зру 3pz
3d
и
щ
2pt 2ру
И П IE
И ИЕ
И ИЕ
2pz3s
3Pl 3py
3d Зрг
И
и
Рис. 3.10. Квантовые ячейки атомов фосфора (Р, Р*) и серы (S, S*, S**)
в основном состоянии (Р, S) и при возбуждении (Р , S , S )
т о м а серы (рис. 3 .1 0 , S * * ) на Зб/-орбиталь п ер ех о д я т дв а электрона:
идин - с 3р х (как и в п ер вом в ари ан те), а в тор ой с З^-орбитали, и та• ли сер а ш ести в ал ен тн а (с ш есть ю н есп ар ен н ы м и эл ек тр он ам и на
ф стьем эн ер гети ч еск ом ур о в н е). С л едов ател ьн о, за сч ет р асп ар и в а­
нии эл ек трон ов сера, в отл и ч и е от к и сл ор ода , м о ж ет бы ть н е только
т у х -, н о такж е ч еты р ех- и ш ести в ал ен тн ой .
С о ст оя н и е эл ек тр он а в м ол ек ул е так ж е м о ж ет бы ть оп и сан о
* пом ощ ью в ол н ов ой ф ун к ц и и , и м ен у ем о й в д а н н о м сл уч ае н е ат ом ­
ной, а молекулярной орбиталью (М О ). В ол н ов ы е ф ун к ц и и , оп и сы в а­
ющ ие со ст о я н и е эл ек трон ов в м ол ек ул ах, п од ч и н я ю тся ур ав н ен и ю
111|>едингера, одн ак о р еш ен и е его оказы вается чрезвы чай н о сл ож н ы м .
11ри уч ете м еж эл ек тр он н ого отталкивания н е в о зм о ж н о р аздел и ть п е ­
рем енны е в ур ав н ен и и Ш р еди н гер а н и в какой си ст ем е к оорди н ат.
11оэтом у д а ж е для д в у хэл ек т р он н ой задач и н е н ай ден а точн ая в ол н ои.1и ф ункция. Н а практике р асч ет м ол ек ул яр н ы х ор би тал ей о су щ ест в чмстся различн ы м и п р и бл и ж ен н ы м и м етода м и , ср ед и котор ы х н а и б о ­
лее р асп ростран ен н ы м является м ет о д J1KAO (л и н ей н ой к ом би н ац и и
т о м н ы х ор би тал ей ). Э тот м ет о д о сн о в а н н а п р ед п о л о ж ен и и , что на
190
Биофизика
эл ек тр он , к огда он н ах оди т ся в м ол ек ул е в бл и зи ядра какого-либо
атом а, в о сн о в н о м д ей ст в у ю т силы со стор он ы да н н о го я др а и других
эл ек тр он ов , р а сп о л о ж ен н ы х в бл и зи от эт о го ядра. П о-в и д и м ом у , эти
силы н е оч ен ь отл и ч аю тся от си л, д ей ст в у ю щ и х на эл ек тр он в со от ­
в ет ст в у ю щ ем атом е, и м о ж н о п р едп ол ож и ть , что М О эл ек трон а, нахо
дя щ егося в бл и зи ядра к ак ого-л и бо атом а в м ол ек ул е, дол ж н а напом и
нать А О эл ек тр он а в д а н н о м атом е. П о эт о м у М О эл ек тр он а м ож но
п р едстав и ть в в и д е л и н ей н о й к ом би н ац и и атом н ы х орби тал ей .
Р ассм о тр и м о б р а зо в ан и е и св ой ств а М О м ол ек ул , содерж ащ их
атом ы С , N , О. В ал ен тн ы м и орби тал ям и эт и х атом ов являю тся ор би ­
тали 2s и 2 р Т ак как разл и чн ы е 2р -ор б и тал и п о -р а зн о м у ори ентиро
ваны в п р остр ан ств е, н е о б х о д и м о вы брать си ст ем у коор ди н ат. В ка
ч еств е ед и н о й о с и для в сех м ол ек ул вы би рается ось Z В данной
си ст ем е к оо р ди н а т р азл и ч аю т 2р х-, 2р у- и 2/?2-ор би тал и , обладаю щ ие’
разн ы м и св ой ств ам и . М ол ек ул я р н ы е орби тал и б у д у т пол учаться пу
тем к ом би н ац и и атом н ы х ор би тал ей , сп о со б н ы х перекры ваться меж
д у со б о й . В зав и си м ости от т о го , какие А О об р а зу ю т д а н н у ю М О,
р азл и ч аю т м ол ек ул яр н ы е ст-орбитали и я -ор би тал и .
М ол ек ул я р н ы е ст-орбитали со зд а ю тся при перекры тии двух
5-ор би тал ей (ри с. 3 11, а), 5- и р -о р б и т а л ей , д в у х /^-орбиталей на оси
Z, в дол ь к отор ой дв а атом а в заи м од ей ст в ую т д р у г с другом
(рис. 3 .1 1 , б).
М ол ек ул я р н ы е я -о р б и т а л и в озн и к аю т при взаи м одействии
р -ор би та л ей д в у х атом ов вдоль о с ей X или Y, п ер п ен ди к ул я р н ы х оси
Z (p n c . 3 И , в)
М ол ек ул ярн ая ст-орбиталь (рис. 3 1 1 , а, б) и м еет ф ор м у эллин
со и д а , которы й обхваты вает ось Z и «п ок ои тся » на ней. А том ы , объе
д и н ен н ы е ст-связью , о б л а д а ю т с в о б о д о й вращ ения в ок руг н ее (т. с
от н оси т ел ь н о о си Z ), п оск ол ь к у обл ак у эл л и п сои д ал ьн ой формы
п р и сущ а осевая си м м етр и я . В х и м и ч еск и х ф ор м ул ах ст-связь обозн а
чается о д н о й ч ер той (оди н оч н а я или орди н арн ая связь).
М ол ек ул ярн ая я -о р би тал ь (рис. 3 .1 1 , в) представ л яет собой
д в о й н о е д в у х д о л ь н о е обл ак о (в р азр езе - ф орм а ф асол и ), к отор ое на
п о д о б и е м анж еты «п ар и т» н ад ось ю Z. Заря д к аж дого я-электрона
р а сп р ед ел ен си м м етр и ч н о вок руг оси , п ер п ен ди к ул я р н ой направле
191
11шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
z
•
б)
z
Рис. 3.11. Образование молекулярных орбиталей - а-орбиталей
(а, б) и п-орбиталей (в)
мню одиночной связи (оси Z). Поэтому я-электроны находятся всег­
да вне плоскости молекулы, образуя двойные связи между атомами
и обусловливая высокую реакционную способность при химическом
ншимодействии.
Молекуле, обладающей л-электронами, присущи нелокализоианные многоцентровые орбитали, принадлежащие не отдельным
томам, а всей молекуле в целом. Единое облако л-элекгронов потоляет им мигрировать не только в пределах своей молекулы, но
м переходить с молекулы на молекулу, если они структурно объеди­
нены в ансамбли. Явление межмолекулярного переноса было открым>Дж. Вейсом в 1942 г., а квантовомеханическая модель это процес( Иразрабатывалась Р. Малликеном в 1952-1964 гг.
Находясь в клетке, биомолекулы «живут», обмениваясь энерIпей и зарядами, а значит, информацией благодаря развитой системе
дслокализованных л-электронов. В клетках строгая упорядоченность
молекул обеспечивается прежде всего биологическими мембранами.
Вместе с тем важнейшая миссия л-электронов в биологических
процессах связана не только и не столько с их делокализацией, сколь­
ко с особенностями энергетического статуса: разность энергий
т новного и возбужденного состояний значительно меньше, чем
г а-электронов(рис. 3.12), и, что особенно важно, примерно равна
тергии фотона (hv) в видимой области электромагнитного спект-
192
Биофизико
<r
AW o
AW k
[
a
Рис. 3.12. Энергетические уровни ст-электронов (в покое а и при возбуждении с )
и п-электронов (в покое к и при возбуждении п )
p a : AWK& hv. П о эт о м у м ол ек ул ярн ы м си стем ам , обл ад аю щ и м л-элек
тр он ам и , п р и су щ е эф ф ек т и в н ое п огл ощ ен и е эн ер ги и со л н еч н о го из
л уч ен и я в в и ди м ом ди а п а зо н е.
Б л а го д а р я э т о м у и м е н н о к-электроны способны аккумулиро
вать (конвертировать) солнечную энергию , за сч ет ч ег о с ними
св я за н о в се эн ер г о о б есп еч ен и е б и о л оги ч еск и х си стем . П оэтом у
л -эл ек тр он ы пр и нято назы вать электронами жизни.
О п р ед ел ен и е эн ер ги й л -эл ек тр о н ов в и с сл ед у е м о й си ст ем е
важ н ей ш ая задач а к в ан тов ом еха н и ч еск и х расчетов молекулярны х
ор би тал ей . В эт и х р асч етах устан ав л и ваю т такж е характер р асп редс
лени я п л отн о сти зар я да п о ск ел ет у м ол ек ул ы и р асп р ед ел ен и е орби
тали в п р о стр ан ств е и во в рем ен и .
В ы ш е бы ло ск азан о, что для атом ов О , N , S, Р характерно нали
ч и е н еп о д ел ен н ы х пар эл ек тр он ов . Д ел о в том , что электроны , спа
р ен н ы е н а о д н о й ор би тал и , н е и м ею т в о зм о ж н о ст и образовы вать свя>
зи с эл ек тр он ам и д р у г и х атом ов , и валентность атом а определяется
ч и сл ом его неспаренных эл ек тр он ов . О дн ак о эл ек трон н ы е пары , ко­
тор ы е в и зол и р о в ан н ом атом е зан и м аю т орби тал и в той ж е оболочке
или п о д о б о л о ч к е, ч то и вал ентны е эл ектроны , си льн о влияю т на об
11шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
193
|>и ювание связей и свойства молекул. Такие электронные пары назы-
Miпотея неподеленными парами. Азот и фосфор имеют по одной неиодсленной паре, кислород и сера - по две.
Делокализация электронов в сопряженных системах. Все
многоатомные молекулы могут быть разделены на две большие
Iруппы: несопряженные системы и сопряженные системы.
Несопряженные системы содержат только ординарные связи
или же в них имеются изолированные кратные связи, отделенные
друг от друга или от атомов с неподеленной парой электронов, по
крайней мере, одним атомом с насыщенной валентностью. Такие момскулы можно рассматривать как составленные из примыкающих
ip y r к другу и почти не зависящих друг от друга связей, каждая из кошрых описывается локализованной двухцентровой МО, аналогичной
МО в двухатомной молекуле. Свойства образующих молекулу связей
( энергии связей, длины связей и т. д.) постоянны, и для одной и той
же связи, входящей в разные молекулы, изменяются незначительно.
Сопряженные системы представляют собой молекулы, содер­
жащие несколько кратных связей, в которых участвуют соседние
июмы или же молекулы, в состав которых входят атомы с непод• пенными электронными парами, расположенные рядом с кратной
попью. Для таких систем характерны нелокализованные многоцентрпмые МО, относящиеся к молекуле в целом или, по крайней мере,
к большей ее части. Рассмотрим более подробно сопряженную сиси’му на примере молекулы бутадиена: СН2 = СН - СН = СН2. В этой
молекуле ординарные связи С - С и С - Н расположены компланарно
(рис. 3.13, а), тогда как 2/?г орбитали атомов углерода ориентированы
параллельно друг другу и перпендикулярно к плоскости молекулы
(рис. 3.13, б).
Такая ориентация способствует максимальному перекрыванию
орбиталей и обеспечивает наибольшую устойчивость всей системы.
-7),-орбиталь атома С2 может одинаково хорошо перекрываться
' ^-орбиталью как атома С„ так и атома Сз. Вследствие этого нельзя
»чи гать, что ^-электрон атома С2 образует связь лишь с ^-электрона­
ми атома С, или атома С3, т. е. нельзя говорить о строгой локализации
/» электронов между двумя соседними атомами. Это означает, что
мгцьзя говорить о существовании изолированных двойных связей;
|*
'Ж43
194
Биоф изики
Рис. 3.13. Структурная формула молекулы бутадиена (а) и расположение
2рх-орбиталей атомов углерода в молекуле бутадиена (б)
двойные связи в данном случае делокализованы. Четыре 2рх-орбитали
образуют единое облако 71-электронов, определенным образом рас
пределенное по всей молекулярной структуре. Следовательно, во
электроны бутадиена можно разделить на 2 группы: ст-электроны, ко
торые образуют скелет локализованных связей, и л-электроны, обра
зующие единую подвижную систему, простирающуюся вдоль всем»
скелета ст-связей.
Если молекула с сопряженными связями содержит атомы, об
ладающие неподеленными электронными парами, то электроны этих
пар могут включаться в общую систему л-электронов.
Существование делокализованных л-электронов является важ
нейшим свойством молекул с сопряженными связями. Основные хи
мическис, физико-химические и биохимические свойства таких сие
тем определяются л-электронами, так как они гораздо подвижно*
ст-электронов и с большей легкостью вступают в химические реакции
Все наиболее важные биомолекулы, с которыми связаны осноп
ные функции живой материи, представляют собой полностью или
частично сопряженные системы. Так, наиболее важными составляю
щими частями нуклеиновых кислот являются сопряженные гетеро
циклы - пуриновые и пиримидиновые основания. Белки содержат изо
лированные сопряженные участки (пептидные связи), но, возможно,
что их вторичная и третичная структуры предрасполагают к общей дс
локализации электронов. Большинство ферментов проявляет катали
тическую активность только в сочетании с коферментами, которые
практически все представляют собой сопряженные системы. В бога
тых энергией фосфатах подвижные электроны концевой фосфатном
195
i мша 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
Iруппы взаимодействуют с электронами других фосфатных групп
нс электронами органического радикала.
Делокализация электронов придает молекуле дополнительную
• шбильность, например, устойчивость к действию излучений, и обес­
печивает возможность протекания таких реакций, которые не хараки'рны для молекул других типов, а именно, возможность переноса
мсктронов и энергии между молекулами, объединенными в ансамбIII (прежде всего, в биологических мембранах).
Приведем пример, иллюстрирующий значение строения моле­
кулы для ее биологической функции. Нуклеотиды, входящие в соI шв молекулы ДНК, могут существовать в различных формах, отли­
чающихся стереоструктурой - положением водорода в молекуле.
Такие формы называются таутомерами, а переход из одной формы
и другую - таутомерным переходом. Так, для гуанина переход
I > 2 (Г-Г*) связан с переносом протона от атома азота к атому кисюрода (рис. 3.14).
Обе таутомерные формы устойчивы, что отображает энергешчсская диаграмма. Уровни энергии протона в обеих формах ле•ми в соответствующих потенциальных «ямах». Для изменения
о-*
1
н
ОН
2
н
г
Г*
Рис. 3.14. Схема, иллюстрирующая таутомерный переход (1 —» 2)
с переносом протона от атома азота к атому кислорода в молекуле гуанина
Биофизинп
196
своего положения в молекуле гуанина протоны должны посредсг
вом туннельного перехода преодолеть потенциальный барьер, вы
сота и форма которого сильно зависят от состояния системы
я-электронов.
В молекуле ДНК соблюдается строгая комплементарность: гуа
нин связан с цитозином и аденин - с тимином. Если произойдет тауто
мерный переход в молекуле гуанина, то она будет комплементарно со
пленяться уже не с цитозином, а с тимином (рис. 3.15). Следовательно,
наличие у молекулы ДНК делокализованной системы я-электронон,
а также ее состояние могут играть важную роль в возникновении
мутаций. Так, действие ионизирующей радиации, которое, как извест
но, увеличивает вероятность мутаций, изменяет состояние электроном
в молекуле ДНК, что и приводит к выраженному биологическому
эффекту.
Следует отметить также, что протон, находящийся в потенциа
льной «яме», способен изменять свою энергию при действии различ
ных излучений, что тоже сказывается на частоте мутаций. Такими
1
Н
N— ^
N -H . .
/
н
Н
ц
2
N
N— \
N - H ---------
/
Н
Н
т
Рис. 3.15. Сочетание нуклеотидных оснований в молекуле ДНК
1 - до таутомерного перехода в гуанине (гуанин - цитозин, Г - Ц),
2 - после таутомерного перехода в гуанине (гуанин* - тимин, Г* -Т )
' iman 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
197
•|ц|кюрами могут являться электромагнитные поля радиочастотного
шииазона, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения.
Существование в молекуле ДНК подвижной системы я-элект|ишов играет важную роль и в механизмах передачи генетической ин­
формации - в репликации ДНК. Этот процесс начинается с того, что
иимнлементарные нуклеотидные основания одной из пар расходятся,
чю невозможно без затрат свободной энергии. Один из возможных
ни очников - энергия электростатического отталкивания облака элекIромов, поляризованного под действием электрического поля среды,
окружающей молекулу ДНК. Вероятность подобного механизма уве•шчивается при возбуждении я-электронов и при ионизации нуклеошдов. Поэтому репликация ДНК может начаться под действием тех
факторов, которые вызывают мутации.
Спектры поглощения сложных молекул. Важнейшим источ­
ником информации о структуре сложных молекул являются их спект­
ры поглощения. Изучение спектров поглощения в ультрафиолетовой
и нидимой областях позволяет получить сведения о системе электрон­
ных энергетических уровней молекулы и о вероятности переходов
между ними. В основном состоянии молекулы все ее электроны рас­
пределены по низшим молекулярным орбиталям (МО), выше которых
рисполагается ряд свободных орбиталей с более высокой энергией.
Низшее возбужденное состояние соответствует переходу электрона
• ныешей заполненной на низшую свободную орбиталь. Классифика­
ции электронных переходов в сложных молекулах связана с типами
М (), между которыми происходит переход. Система МО сложных орIаиических и биологически важных молекул состоит из локализован­
ных а-орбиталей, локализованных и делокализованных я-орбиталей,
и также «-орбиталей, на которых находятся электроны неподеленных
нар атомов О, N, S. Заполненные орбитали обозначаются символами
о, я, п, а свободные - символами о* и я*. Порядок возрастания энерIни орбиталей обычно бывает таким: а < я < и < я * < а * (рис. 3.16).
И биологически важных макромолекулах возможен целый ряд пере­
водов, обозначаемых символами а —» о*, я —>я*, п -» я* п —>а* Среам этих переходов наибольший интерес представляют я —>я*-перехоцы. Соответствующие этим переходам полосы в спектрах поглощения
198
Биофиэинч
о —> о*
п —>(Т*
1{
i
71 —>7Г
Л—>7Г
i\
i\
Рис. 3.16. Типы электронных переходов в сложной органической молекуле
обычно имеют довольно большую интенсивность и лежат в ближней
ультрафиолетовой или видимой областях спектра. Полосы, соответа
вующие а —> а*-переходам, обычно лежат в далекой ультрафиолет»
вой части спектра. При п —>к*- или п —» а "“-переходах один из элем
ронов неподеленной пары переходит соответственно на к *- или
о*-орбиталь. Полосы, соответствующие этим переходам, имеют, ка*
правило, малую интенсивность.
Для п —» гс*-переходов характерно то, что при наличии системы
сопряженных связей поглощенная энергия кванта света передается in
отдельному электрону, а всей коллективизированной я-электронной
системе. Поэтому наличие у молекул делокализованных я-электронои
может быть обнаружено по присутствию характерных полос в спек i
pax поглощения этих молекул. Рассмотрим два примера.
В состав белков входят остатки таких аминокислот: трипто
фан, тирозин, фенилаланин, которые поглощают энергию в ультра
фиолетовой части спектра. Несмотря на довольно значительные ра \
личия в структуре, спектры этих молекул сходны между собой
Наличие у всех этих молекул развитой системы делокализованных
я-электронов приводит к появлению в их спектрах широкой полосы
поглощения в области 260-280 нм, обусловленной п —> л*-перехода
ми (рис. 3.17).
Резюмируя сказанное, можно отметить, что существование d t
локализованных к-орбиталей является, по-видимому, важнейшим
свойством биологических молекул. Чрезвычайная подвижность тс-элск
тронов обусловливает большую реакционную способность таких мо
199
I imae 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
Н
NH,
I I
— с— с — со о н
J
I
н1 н1
Рис. 3.17. Структурные формулы и спектры поглощения ароматических
аминокислот:1 - триптофана, 2 - тирозина, 3 - фенилаланина
О
3
I
HN
С— СН3
I
сн
кК
н
fH2
N
СН
I
СН
ISK"
н
220
240
260
280
300
Л, нм
Рис. 3.18. Структурные формулы и спектры поглощения пуриновых
и пиримидиновых оснований: 1 - аденина, 2 - гуанина, 3 - тимина, 4 - цитозина
200
Биофизика
лекул и делает возможным перенос энергии и заряда по цепи сопри
женных связей. Поэтому можно сказать, что молекулы в клетке
«живут», обмениваясь энергией и зарядом, а сделать это им позволя
ет наличие развитой системы делокализованных я-электронов. На
существовании сопряженных связей в биологически важных молеку
лах базируется динамичность жизненных процессов.
Молекула ДНК содержит 4 нуклеотидных основания - адении,
тимин, гуанин и цитозин, которые различаются по структуре. Однако
в спектрах поглощения этих оснований много общего (рис. 3.18). Все
они имеют максимум, близкий к 260 нм, поскольку за поглощение
ультрафиолетового излучения у них ответственна в основном систс
ма я-электронов.
3 .4 . Механизмы переноса энергии и заряда
в биом олекулярны х системах
Наличие у биологически важных молекул коллективизирован
ной системы я-электронов, способных принимать и отдавать энергию
и заряд, позволяет им активно участвовать в разнообразных процес­
сах жизнедеятельности. Здесь уже на квантовом уровне сталкиваемся
с проявлением диалектического единства структуры и функции. Оно
отображается так называемой «электронной схемой жизни», иллюст
рирующей значение коллективизированной системы я-электронои
биомолекул в фотосинтезе и клеточном дыхании. При переносе по­
движного электрона по цепи структурно связанных между собой мак
ромолекул происходит преобразование солнечной энергии во вес
формы работы, совершаемой биологическими системами.
Для сложных органических молекул характерны внутримолс?•
кулярный и межмолекулярный переносы энергии и заряда. Так, каж
дая из двух или более автономных систем я-электронов молекулы
может проявлять спектральную независимость и вместе с тем взаимо­
действовать с другими. Взаимодействие я-электронных систем внут­
ри молекулы связано с миграцией энергии по ней, т. е. с переносом
энергии между разными функциональными группами этой молекулы.
Например, в молекуле, представляющей собой гибрид антрацена
/ nnaa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
201
w
Рис. 3.19. Внутримолекулярный перенос энергии возбуждения.
Направление переноса показано пунктирной стрелкой
и нафталина, метиленовые группы «разобщают» коллективированнмс части молекулы (рис. 3.19). Однако эти группы не препятствуют
переносу энергии внутри молекулы, о чем свидетельствует появление
шоминесценции антрацена при возбуждении молекулы в полосе поIнощения нафталина.
Чрезвычайно важной для жизнедеятельности является способ­
ность биомолекул передавать энергию. Под миграцией энергии пони­
мается безызлучательный обмен энергией между электронно-вознужденной молекулой - донором (D) и молекулой в основном
состоянии - акцептором (A): D* + А —>D + А *.
Миграция энергии - физический процесс, не сопровождаю­
щийся химическим изменением вещества. Она может происходить
как между одинаковыми, так и между разными молекулами в направнеиии от более высокого к более низкому или одинаковому энергети­
ческому уровню. Известно несколько механизмов миграции энергии:
индуктивно-резонансный, обменно-резонансный, полупроводникоиый и экситонный. Рассмотрим кратко эти механизмы.
Индуктивно-резонансная миграция энергии. Исходным факюм, который заставил принять концепцию индуктивно-резонансной
миграции энергии, было явление сенсибилизированной флуоресцен­
ции красителей, т. е. эффективное возбуждение флуоресценции моле­
кул акцептора светом, поглощаемым молекулами донора. При опреде­
ленных условиях к акцептору безызлучательным путем передавалась
202
Биофизики
практически вся энергия донора через большие межмолекулярныс
расстояния (порядка 2-10 нм). Такая ситуация наблюдается только и
тех случаях, когда спектр флуоресценции донора и спектр поглощения
акцептора перекрываются. Эффективность миграции прямо пропор­
циональна площади перекрытая, т. е. чем больше одинаковых для пе­
реходов D* —>D и А —>А* частот, тем выше вероятность резонанса.
Однако этот процесс представляет собой более сложное явление, чем
простая реабсорбция молекулой акцептора светового кванта, излучен­
ного молекулой донора. При классическом рассмотрении можно счи­
тать, что электронные системы молекул D* и А представляют собой
механические осцилляторы (наподобие маятников), способные коле­
баться с одинаковой частотой и взаимодействующие друг с другом.
Когда молекула А оказывается поблизости от молекулы
появляет­
ся определенная вероятность того, что молекула!)* прежде чем испу­
стить фотон, передаст акцептору свою энергию возбуждения.
Такому процессу присущи две важные особенности. Во-пер­
вых, перенос энергии происходит с очень высокой скоростью.
Во-вторых, перенос энергии может происходить на довольно значи­
тельные расстояния. Например, эффективный перенос энергии в рас­
творах наблюдается на расстояниях, превышающих 10 нм, причем
для миграции энергии не требуется высокоупорядоченной организа­
ции молекул, участвующих в нем.
Обменно-резонансная или триплет-триплетная миграция
энергии. Перенос энергии по триплетиым уровням молекул был
впервые обнаружен А.Н. Терениным и B.JI. Ермолаевым в 1952 г.
При обменно-резонансной миграции энергия переносится с триплетного уровня молекулы D на триплетный уровень молекулы
AQD
+ 'А—»D +
3А)не в результате индуктивно-резонансного взаи­
модействия молекул, а при прямом перекрывании «триплетных»
электронных орбиталей (электронных облаков) за счет электроста­
тических взаимодействий электронов донора и акцептора. Чем боль­
ше объем области перекрытия, тем вероятнее перенос, при котором
партнеры обмениваются электронами: акцептор получает богатый
энергией электрон донора, отдавая ему свой бедный энергией элект­
рон. Отсюда возник и сам термин «обменно-резонансный» перенос.
i чти! 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
203
Полупроводниковая миграция энергии (зонная проводи­
мость). Как известно, в твердых телах энергетические уровни валент­
ных электронов образуют энергетические зоны, внутри которых могут
перемещаться электроны и дырки. Таким образом, в противополож­
ность другим механизмам миграции энергии, полупроводниковый
Iишный) перенос энергии связан с переносом зарядов, что делает воз­
можным пространственное разделение окислителя (дырки) и восстанонителя (электрона), а также длительное запасание энергии в ловушMix электронов, в качестве которых могут выступать примеси.
С вопросом о миграции энергии и зарядов внутри молекул тес­
но связан вопрос о полупроводниковых свойствах биологически
ипжных макромолекул. Так, я-электронное взаимодействие между
основаниями в молекуле ДНК приводит к тому, что эту гигантскую
молекулу можно рассматривать как одномерное твердое тело и изу­
мигъ с позиций зонной теории. Проводимость кристаллов ДНК возра• Iист при облучении светом, что отвечает переходу электронов из занолненной валентной зоны в свободную зону. Не известно, правда,
* какому типу полупроводников (п или р) можно отнести ДНК. Истчником электронов, осуществляющих проведение тока, служат,
жмшдимому, примеси. Возможность движения электронов вдоль
молекулы ДНК между нуклеотидными основаниями появляется блатдаря перекрыванию я-электронных систем этих оснований.
Экситонная миграция. При образовании пары электрон нырка в кристаллах, когда электроны переходят из валентной в своОодную зону, возникают так называемые экситоны. Они образуются
и тех случаях, когда энергия возбуждения меньше, чем ширина за­
прещенной зоны. При этом электрон и дырка не могут независимо
перемещаться в кристалле, а будучи связанными друг с другом, обра|уют электрически нейтральную квазичастицу —экситон.
Перемещаясь по кристаллу, экситон переносит энергию, но не
переносит электрического заряда. Экситоны возникают обычно в монекулярных кристаллах, в которых внутримолекулярные связи значик*льно сильнее, чем связь молекул между собой. Такой тип миграции
жергии часто наблюдается, например, в препаратах ДНК и белков,
•Iго подтверждает возможность необычайно быстрого и эффективною переноса энергии в высокоорганизованных молекулярных систе­
204
Биофизики
мах. В ремя экситонного переноса энергии составляет 10_14с. Такая
высокая скорость миграции позволяет полностью избежать потерь
энергии возбуж дения молекул. Экситонны й перенос является одним
из возмож ны х механизмов переноса энергии при фотосинтезе.
Перенос заряда. Важным свойством сложных биомолекул, of)
ладаю щ их развитой системой двойны х связей и делокализованноп
л-электронной системой, является их способность к межмолекуляр
ному переносу заряда.
Рассмотрим кратко комплексы с п ер ен о со м заряда. Комплекс
это пара взаимодействую щ их молекул, одн а из которы х о тдает элек i
роны (донор), а другая - принимает их (акцептор). П ерекры вание мо
лекулярны х волновых функций, а с ним и вероятность переноса зарядл
сильно зависят от полож ения энергетических уровней донора и акцеп
тора, в соответствии с чем различаю т несколько вариантов переноса.
. Так, слабый перенос не мож ет идти без поглощ ения квантом
света. У словно здесь можно выделить два крайних случая. Первый
из них: A + D —
—> А~ ...D +.
М олекулы А и D слабо взаимодействую т в основном состоя
нии. При возбуж дении светом происходит фотоперенос электрона е
заполненной молекулярной орбитали донора на свободную орбиталь
акцептора, что проявляется в сущ ествовании у комплекса А ... D ха
рактеристической полосы поглощ ения, отсутствую щ ей в спектрах
изолированных молекул А и В (рис. 3.20, а). Такая полоса называется
полосой переноса заряда (ПЗ). Ее максимум приходится на область
более длинны х волн, чем максимум полосы поглощ ения донора. По
еле облучения комплекса в полосе ПЗ донор и акцептор представля
ю т собой своеобразную ионную пару, т. е. в возбуж денном состоя
нии комплекс практически ионизируется под действием света.
Второй случай слабого переноса заряда можно изобразить так
А + В -—^ - > (А ...В )*.
При электронном возбуж дении одного из компонентов коми
лекса образуется его связь с другим компонентом. В этом процессе
мож но выделить два этапа. В начале донор при поглощ ении света перс
ходит в возбуж денное состояние: D —
> В*. В возбуж денном состо
янии D * взаимодействует с А и образует комплекс D*
+ А —> (А ... D) *
205
I пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
А
Рис. 3.20: Схема, иллюстрирующая образование комплекса с переносом заряда
а, б - слабый перенос, в - сильный перенос
( лема уровней, между которыми происходит электронный перенос,
показана на рис. 3.20, б.
Сильный перенос электрона может происходить в темноте
(рис. 3.20, в). Здесь при переходе электрона с орбитали донора на ак­
цепторную орбиталь энергия выделяется, а не поглощается. Если она
достаточна для преодоления электростатического притяжения элект­
рона к донору, то электрон переносится на акцептор без освещения
комплекса. Комплекс, образующийся при сильном переносе, способен
диссоциировать в растворителе на два свободных радикала. Они ин­
тенсивно поглощают свет разных длин волн, в силу чего раствор при­
обретает окраску. Важно отметить, что перенос электронов по макро­
молекулам, сопровождающийся во многих случаях образованием
свободных радикалов, имеющих высокую реакционную способность,
миляется обязательным предшественником большинства биохимиче­
ских реакций.
Способность к передаче энергии и заряда - очень важное свойс Iво биомолекул, определяемое во многом особенностями их строе­
206
Биофизика
ния. Рассмотрим конкретный пример переноса энергии и заряда в би­
ологической системе.
Перенос энергии и заряда при прямом действии ионизиру­
ющей радиации на белки и нуклеиновые кислоты. В результате
одиночного взаимодействия кванта ионизирующего излучения с мо­
лекулой белка или нуклеиновой кислоты эти молекулы могут утра­
тить свои функциональные свойства, если процесс идет с поглощени­
ем энергии порядка 60-70 эВ. Между воздействием излучения на
макромолекулу и ее инактивацией происходит ряд последовательных
физико-химических процессов. Кроме того, установлено, что инакти­
вация белков и нуклеиновых кислот нередко связана с повреждением
структуры макромолекулы, которое возникает не в любом, в опреде­
ленном ее участке. Селективность действия облучения объясняют
миграцией поглощенной энергии по макромолекуле с локализацией
ее в определенном «слабом» звене, в котором и произойдут дальней­
шие химические изменения. Таким «слабым» звеном может быть
один из аминокислотных остатков, составляющих молекулу белка,
или одно из нуклеотидных оснований, входящих в молекулу ДНК.
Рассмотрим некоторые закономерности ионизации и миграции
энергии и заряда в молекулах белков. Эти молекулы имеют огромное
количество химических связей и по структуре напоминают скорее
«малые кристаллы», чем молекулы. В полипептидной цепи белка ато­
мы «соединены» ковалентными связями, обусловленными обменом
электронов между двумя соседними атомами. В образовании таких
связей участвуют как а-, так и я-электроны.
Предположим, что под действием гамма-кванта атом углерода,
показанный справа на рис. 3.21, а, теряет электрон, который обеспе­
чивал связь этого атома с соседними.
В малой молекуле подобное событие привело бы к ее распаду,
тогда как в ионизированной макромолекуле атом, потерявший элект­
рон, остается на своем месте (по крайней мере, в течение долей се­
кунды), но несет теперь положительный заряд.
Он эквивалентен дырке в полупроводнике. Поэтому электрон
соседнего атома стремится перейти к атому с дыркой. Такое движе­
ние электрона соответствует перемещению дырки в противополож­
ном направлении, например, к атому азота и далее (даже в боковую
207
/ ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
б)
Рис. 3.21. Действие ионизирующего излучения на белки (а)
и нуклеиновые кислоты (б). Направление миграции дырок в молекуле_указано
стрелками. Стрелка в кружке обозначает неспаренный электрон. Еу и Е2 локальные напряженности электрического поля
цепь - R - SH). Каждый такой «шаг» заряда занимает время, необхо­
димое для одного электронного перехода (порядка 10~15 с). Миграция
тряда по цепи равносильна переносу «избыточной» энергии возбуж­
дения. Благодаря миграции энергии и заряда дырка достигает любого
доступного места цепи в течение примерно 10~12 с. Мигрирующий за­
ряд, если на его пути встречается «слабое» звено, локализуется там,
прекращая дальнейшее перемещение. Локализация положительного
тряда у определенного атома, например, у атома серы в группе - SH,
приводит к разрыву в этом месте химической связи и образованию
иеспаренного электрона в атоме серы и атоме водорода. Возникает
сложный биологический радикал белка, включающего серу, и малый
208
Биофизика
радикал водорода. Неспаренные электроны могут образоваться
и в других атомах, например, в атомах азота и углерода. Белковая мо­
лекула в свободнорадикальном состоянии обладает повышенной рсакционной способностью. Поэтому такие белки-радикалы мгновенно
вступают в разнообразные химические реакции (например, реакции
присоединения). Это в конечном итоге приводит к изменению струк­
туры белковой молекулы и потере ею биологической функции.
Аналогичшлй механизм ионизации и миграции дырки присущ
нуклеиновым кислотам при действии на них ионизирующего излуче­
ния. Так, дырка, возникшая при поглощении энергии ионизирующей
радиации в определенном месте молекулы ДНК и создавшая там
электрическое поле напряженностью Е19 движется вдоль оси молеку
лы и локализуется у пары азотистых оснований (нуклеотидов), где
напряженность поля Е2 выше, чем Е:. Если Ег становится достаточ
ной для разрыва химических связей и разделения пары оснований!
из-за сильной поляризации тг-орбитали, то следствием локализации
дырки будет расплетение ДНК (рис. 3.21, б) и утрата биологической
функции.
Миграции заряда по молекулам белков и нуклеиновых кислот
способствует перекрывание л-орбиталей в них. Потенциальные энер
гетические барьеры, встречающиеся на пути движения зарядов, прс
одолеваются, по-видимому, с помощью туннельного эффекта.
3.5. Люминесценция биологических систем
В люминесцентном исследовании биологических систем нам
большее значение имеют фото- и химиолюминесценция. При этом
важно помнить, что флуоресценция и фосфоресценция как два вида
фотолюминесценции различаются не только длительностью свече
ния, но и механизмами происхождения. Зная о существовании синг
летных (5) и триплетных (7) возбужденных состояний, нетрудно по
нять из схемы электронных переходов в биомолекуле (рис. 3.22), что
испускание квантов флуоресценции имеет место в тех случаях, когда
молекула переходит из синглетного возбужденного состояния (S*)
в основное (S0): S* -> S Q+ /*уфл.
I ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
209
Рис. 3.22. Энергетические уровни биомолекулы
и возможные переходы м еж ду ними
С определенной вероятностью в молекуле могут иметь место
и другие процессы преобразования избыточной энергии с возбужден­
ного уровня IS*9 а именно: а) образование тепловой энергии
-> S0;
(») фотохимическая реакция; в) передача энергии возбуждения другой
молекуле; г) переход в триплетное состояние (7) с обращением спина
(без излучения): Sj* —> Т.
Переход молекулы из возбужденного триплетного состояния
( Г) в основное состояние S0 может сопровождаться испусканием
кианта фосфоресценции по схеме: Г —> S0 + Ь \фосфоресц, но длитель­
ность фосфоресценции гораздо больше длительности флуоресцен­
ции, гак как этот переход запрещен правилами отбора, и в природе
она встречается гораздо реже, чем флуоресценция. Кроме фосфорес­
ценции, существуют и другие процессы превращения избыточной
шсргии молекулы с тригшетного уровня: а) безызлучательный пере­
ход с обращением спина: Т -> S0; б) фотохимическая реакция; в) пере­
дача возбужденной молекулой избыточной энергии другой молекуле.
И
9843
210
Биофизик*
Из сказанного следует, что в люминесценции отображаются
процессы превращения энергии в молекулах, чему посвящены прс
дыдущие параграфы. Поэтому люминесцентный анализ биообъек
тов служит одним из способов экспериментального изучения биоэ
нергетики.
Одной из важнейших характеристик флуоресценции является
спектр излучения, т. е. распределение интенсивности излучаемого
света по частотам (v) или длинам волн (А,): / = f(k) или / = f(\), где 1
интенсивность флуоресценции (Вт • м~2). Обычно спектр флуорес
ценции состоит из относительно широких сплошных полос и при
этом наблюдается характерное изменение спектрального состава ис
пускаемого света по сравнению с поглощенным. В большинстве слу
чаев выполняется правило Стокса: длина волны флуоресценции
больше, чем длина волны возбужденного света, т. е. спектр фотолю
минесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра
светового излучения, возбудившего эту люминесценцию.
Другой характеристикой флуоресценции служит спектр воз­
буждения, т. е. зависимость интенсивности флуоресценции от длины
волны возбуждающего света.
Важнейшими параметрами флуоресценции являются ее квап
товый (ф) и энергетический (г|) выходы. Квантовый выход флуо­
ресценции представляет собой величину, равную отношению числи
испущенных квантов пИС11к числу поглощенных квантов л1Ю
ГЛ, а энер­
гетический выход Т) равен отношению энергии флуоресценции Wrft1
W
к поглощенной энергии возбуждения Wll0m: ф = —— ; Т|= — — .
п погл
Wпогл
Энергетический выход флуоресценции пропорционален кван­
товому выходу, но в отличие от него зависит от длины волны воз­
буждающего света.
Флуоресценция обусловлена переходами внешних валентных
электронов, за счет которых образуются химические связи между
атомами и молекулами. Поэтому возникновение новых связей в мо­
лекуле и динамика ее взаимодействия со средой приводят к измене­
ниям энергетических уровней, в силу чего существует зависимость
основных характеристик флуоресценции от физико-химического со-
»»«wi 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
211
• мишия молекул вещества. Характеристики и параметры флуорес­
ценции изменяются при сдвигах температуры, pH и ионной силы
• |к\ды, в которой находятся излучающие молекулы. С этим обстояте-и.ством связана высокая информативность флуоресцентного анализа
монокулярной структуры вещества и ее динамики.
Ткани организма содержат вещества (витамины, сложные белки
• хромофорными коферментными группировками и т. д.), способные
Флуоресцировать под действием света. Такая флуоресценция называи п 1 собственной. Наряду с исследованием собственной флуоресцен­
ции клеток и тканей широко используется метод флуоресцентных
шш)ов. Он основан на том, что существует ряд люминесцентных кра• игелей (люминофоров), которые избирательно взаимодействуют с онредсленными компонентами клетки, не нарушая их функционирова­
нии. Комплекс флуоресцентного зонда и выявляемого с его помощью
т щсства имеет более интенсивную флуоресценцию, чем сам краси­
мом,. Свечение этого комплекса под действием света называют вто­
ричной флуоресценцией. Применение вторичной флуоресценции пошолило, в частности, изучить распределение ионов кальция в клетке и
нразличных органах, а также его изменение в процессе жизнедеятель­
ности организма. Широкое распространение в качестве флуоресцент­
ною зонда на кальций нашел хлортетрациклин. Он образует сложный
комплекс с ионами кальция, связанными биомембранами, который
фцуоресцирует тем интенсивнее, чем больше кальция адсорбировано
на биомембранах. Есть красители (например, фура), которые выявляю| цитозольную фракцию Са2+. Синтезированы флуоресцентные зон­
ам на нуклеиновые кислоты, белки, липиды и многие другие вещестиа. С помощью флуоресцентных зондов оценивают поверхностные
ыряды клеточных мембран.
Собственную и вторичную флуоресценцию биологических си11 см не следует смешивать с биолюминесценцией (или биохимиолюиинесценцией). Под этим термином понимают те виды люминесцен­
ции живых тканей, которые не связаны с явным воздействием на
(кинь какой-либо внешней энергии. Биолюминесценция обусловлена
определенными химическими процессами, протекающими в живых
клетках, и, следовательно, является разновидностью химиолюминесценции.
212
Биофизин»
Собственная флуоресценция биомолекул и живых ткансИ
При облучении клеток позвоночных и беспозвоночных животных
а также растений и микроорганизмов коротковолновым ультрафио
летом (X = 250-280 нм) можно зарегистрировать флуоресценции
с максимумом в области 330-350 нм.
Собственная ультрафиолетовая флуоресценция живых тканей
обусловлена, главным образом, свечением белков, причем этот при
цесс в различных ультраструктурах клетки имеет характерные отли
чия в разных органах и тканях. Изучение флуоресценции белкои
в растворах показало, что их ультрафиолетовая флуоресценция, ках
и поглощение ими излучения в области 240-300 нм, определяете»
ароматическими аминокислотами: триптофаном, тирозином и фени
лаланином.
В клетках человека и животных содержится много белков, в со
став которых входят триптофан, тирозин и финилаланин. Это актин,
миозин, ферменты типа дегидрогеназ, фосфатаз, оксидаз, некоторые
гормоны, ферменты пищеварительной системы, альбумины и глобу
лины плазмы крови и другие вещества. Собственная ультрафиолс
товая флуоресценция этих белков зависит, главным образом, от со
держания в них триптофана. Для нейтрального водного раствора
триптофана при комнатной температуре характерна флуоресценция
с максимумом около 350 нм и квантовым выходом <р= 0,2. Спектры
флуоресценции указанных выше белков сдвинуты в коротковолно
вую область на 10-25 нм относительно спектра флуоресценции
раствора триптофана. Разные белки имеют максимум свечения при
неодинаковых длинах волн, хотя разница между ними невелика
(в пределах 10-15 нм). Есть различия и в квантовом выходе флуорес
ценции триптофансодержащих белков.
Белки, содержащие тирозин, в отсутствие триптофана флуо­
ресцируют примерно так же, как тирозин. Такие спектры флуорес­
ценции свойственны РНКазе, коллагену, инсулину и ряду других ве­
ществ. Их максимум излучения приходится на ту же длину волны,
при которой имеет место максимум флуоресценции водного раство­
ра тирозина (X = 304 нм). Квантовый выход флуоресценции таких
белков порядка 0,04-0,05.
11шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
213
Свечение фенилаланина выявляется только у некоторых униказначительных количествах при отсути нии других ароматических аминокислот. Примером таких белков
■шляются кальцийсвязывающие миогены, содержащиеся в мышцах
рыб. Молярный показатель поглощения ультрафиолета фенилалани­
ном в 30 раз меньше, чем у триптофана и почти в 7 раз меньше, чем
у тирозина.
Спектры собственной ультрафиолетовой флуоресценции раз­
личных клеток имеют сходную форму (рис. 3.23), хотя одни из них
светятся сильнее, другие - слабее. Вместе с тем неодинаково флуо­
ресцируют разные ультраструктурные компоненты одной и той же
клетки. Наиболее яркая ультрафиолетовая флуоресценция присуща
сократительному аппарату клетки, митохондриям и ядрышкам.
Для живых тканей характерна также флуоресценция в красной,
желто-зеленой и синей областях видимой части спектра. Флуоресцен­
ция в красной области присуща прежде всего порфиринам. Порфириновая структура свойственна цитохромам, пероксидазе, каталазе, геШ.НЫХ белков, содержащих его в
Рис. 3.23. Спектры ультрафиолетовой флуоресценции мышечных волокон (1),
нейронов (2), эритроцитов (3)
214
Биофизики
моглобину, миоглобину. Однако в гемопорфиринах флуоресценции
«потушена» атомами железа, что ограничивает возможности ее ие
следования в живых тканях. При обработке ткани некоторыми веще
ствами атом железа отрывается от простетической группы внутри
клеточных гемопорфиринов, и тогда выявляется характерная красним
флуоресценция порфиринов. Этим приемом пользуются судебник
медики для обнаружения отдельных эритроцитов по их порфирино
вой флуоресценции после обработки исследуемого объекта серной
кислотой.
Флуоресценция живых тканей в синей и желто-зеленой облае
тях связана с наличием в клетках восстановленной формы пиридин
нуклеотидов (НАД • Н и НАДФ • Н) и окисленной формы флавопроте
идов (ФП). Эти вещества участвуют в таких процессах, как гликоли»,
пентозный цикл, цикл Кребса, окисление жирных кислот и, что осо
бенно важно, клеточное дыхание. Поэтому практически любые сдвиги
в клеточном метаболизме отображаются в динамике флуоресценции
НАД • Н и ФП, а она, в свою очередь, может быть выявлена при люми
несцентном анализе живых тканей.
НАД • Н обладает характерным спектром поглощения, вклю
чающим две полосы в ультрафиолетовой части спектра с максиму
мом в области 260 нм и 340 нм, а также собственной синей флуорес
ценцией с максимумом в интервале 465—480 нм. Переход НАД - II
в окисленное состояние сопровождается потерей одной полосы (при
X = 340 нм) в спектре поглощения и утратой способности флуоресци
ровать (рис. 3.24).
Среди флавопротеидов (ФП) наибольший интерес представля
ют собой производные рибофлавина. В окисленном состоянии фла
вопротеиды обладают характерным спектром поглощения и собст
венной желто-зеленой флуоресценцией с максимумом в облает
530 нм, обусловленной рибофлавином (рис. 3.25). При восстановлю
нии флавопротеиды утрачивают собственную флуоресценцию
Неодинаковая флуоресценция пиридиннуклеотидов и флавои
ротеидов в восстановленной и окисленной формах лежит в основе ис
пользования флуоресцентного анализа для количественной оценки
клеточного дыхания живых тканей. Усиление клеточного дыхания со
215
' imat1 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
и|ктождается изменением соотношения восстановленных и окислен­
ных форм компонентов дыхательной цепи в сторону преобладания
ишрых над первыми. Угнетение дыхания приводит к противополож­
ному эффекту. Поэтому при усиленном дыхании клетки в ней нарасннт желто-зеленая и затухает синяя флуоресценция, тогда как для
-с-
-N H ,
-N H ,
I
О
НАД Н
(2)
А 7Л
400
а)
А, нм
500
б)
1*ис. 3.24. Структурные формулы и спектры поглощения (а) и флуоресценции (б)
никотинамидадениндинуклеотида (НАД): окисленной формы (сплошная линия)
и восстановленной формы (пунктирная и штрих-пунктирная линии)
216
Биофизик»
а)
б)
Рис. 3.25. Спектры поглощения (а) и флуоресценции (б)
флавопротеидов окисленной формы (сплошная линия)
и восстановленной формы (пунктирная линия)
ослабления дыхания характерно усиление синего свечения НАД* II
и угасание желто-зеленой флуоресценции ФП.
Важным достоинством флуориметрического исследовании
клеточного дыхания является возможность его проведения в любом
органе, к которому можно подвести свет, возбуждающий флуорес
ценцию, и отвести на регистрирующий прибор возникающее in situ
свечение. Так удается установить пороги действия на организм рат
личных раздражителей, вникнуть в механизмы этих реакций. Это1
метод дал возможность установить не только неспецифические про
явления ответов биологических систем на стимуляцию, но также
и характерные закономерности метаболических сдвигов при некою
рых патологических состояниях.
Биолюминесценция. Живым организмам, наряду с флуорес
ценцией, присуща и биолюминесценция, которая является самопрот
вольной, т. е. не связанной с явным воздействием какой-либо энергии
от внешнего источника. Самопроизвольное свечение живых органт
мов в видимой области спектра наблюдали невооруженным еще гла
зом Аристотель и Плиний Старший. С тех пор довольно интенсивную
биолюминесценцию обнаружили у 40 видов бактерий, грибов, бес
' Mrtfi/i 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
217
мошоночных животных, рыб. Высшим растениям, птицам, млекопипмощим такое свечение не свойственно. В силу уникальности этого
кипения его иногда называют «экзотической» биолюминесценцией.
Ирм се изучении французский ученый Р. Дюбуа (1887 г.) установил,
•нон вытяжке фотофоров светлячков содержатся два вещества, смесь
Которых дает биолюминесценцию. Одно из них, представляющее соПмЙ субстрат реакции, получило название люциферина, а второе окаtitнось ферментом реакции окисления люциферина и было названо
шщиферазой. Люциферин и люцифераза позднее были выделены и из
фугих светящихся организмов (ракушечного рачка ципридины, раз­
нимых видов светящихся рыб). Реакция окисления люциферина вос­
произведена в пробирке
В ходе ферментативного окисления люциферина выделяет| шачительная энергия (170-340 кДж • моль-1), под действием
*«порой промежуточный продукт реакции переходит в возбужи иное состояние. Возвращаясь в основное состояние, его моле►
упа излучает квант света. В целом «экзотическая» люминесцен­
ции возникает как следствие двухступенчатого процесса:
фермент
II
* + /), С *-> С + (люминесценция).
Вместе с тем биолюминесценция присуща многим предста*»иIелям животного и растительного миров, но, в отличие от «экзоIмчсской», она очень слаба по интенсивности (обнаруживается не
ни 1уально, а только при помощи высокочувствительных приборов)
и простирается за пределы видимого света в инфракрасную и ультра­
фиолетовую области. Такая биолюминесценция получила название
чс1 )хслабого свечения живых тканей. Его изучением занимался со­
ветский биолог А.Г. Гурвич, который в 1923 г. обнаружил стимули­
рующее влияние патологически измененных, в том числе раковых,
и .на ивно развивающихся тканей на расположенные поблизости поч­
вующиеся клетки дрожжей и корешков лука. Оно выражалось в у ch­
i’ иим митотической активности клеток. А.Г. Гурвич полагал, что по­
бежденные и активно развивающиеся ткани генерируют какое-то
невидимое излучение, способное усиливать митозы в окружающих
в метках. Поэтому он назвал гипотетическое излучение митогенетинрекими лучами.
218
Биофизика
Сотрудники А.Г. Гурвича Г.М. Франк и С.Ф. Родионов, а такжг
Б. Раевский зарегистрировали в начале 30-х годов XX века сверхсли
бое свечение живых тканей в тех же условиях, в которых А.Г. Гурвич
наблюдал митогенетический эффект. Регистрирующим прибором
служил видоизмененный счетчик Гейгера-Мюллера. Б.Раевский о(>
наружил очень слабое излучение на длине волны 265 нм у прорасти
ющих корешков лука. Г.М. Франк и С.Ф. Родионов зарегистрировали
подобный эффект в работающей мышце. Тогда же было показано,
что отмирающие клетки (независимо от причины их гибели) по срам
нению с клетками, возбуждаемыми при жизни, испускают фотоны
с более высокой энергией.
В 1950-е годы было обнаружено сверхслабое свечение прорас
тающих корешков злаковых растений не только в ультрафиолетовой
но и в видимой области. В конце 1960-х годов область сверхслабо! с
свечения была распространена и на инфракрасный диапазон - от О,'
до 10 мкм.
Таким образом, наряду с биолюминесценцией, видимой глазом
и известной с незапамятных времен, уже более полувека изучаете»
сверхслабое свечение биообъектов в видимой, ультрафиолетовой
и инфракрасной областях электромагнитного спектра. Оно присущ»
и бактериям, и растениям, и животным, включая человека.
В изучение биофизических механизмов сверхслабого свеченш
биообъектов большой вклад внесли работы Г.М. Франка, Ю.Б. Харп
тона, Б.Н. Тарусова, Ю.А. Владимирова, И.И. Гительзона и други»
отечественных ученых. Было показано, что такая биолюминесцсп
ция - неотъемлемое свойство живых клеток самых различных тки
ней. Она возникает при неферментативном окислении их химичс
ских ингредиентов, включая липиды биологических мембран
Сверхслабое свечение сопровождает в основном так называемые
акции цепного типа, в ходе которых образуются свободные радикалм
(соединения, обладающие неспаренными электронами). Показами
что возбуждение происходит за счет энергии, высвобождающейся при
их рекомбинации, а интенсивность свечения пропорциональна скоро
ста рекомбинации. Особенно подробно изучен механизм химиолюмн
несценции в реакциях с участием углеводородных радикалов и ради
калов липидов
R:
I imaa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
219
R +Oj —^R 02j
R +R —» углеводород (R - R) + hv (люминесценция);
R + R 0 2 —> перекись (ROOR) + hv (люминесценция);
R 0 2 + R 0 2 —> спирт + карбонильное соединение +
+ 0 2 + hv (люминесценция).
(iiiiio b
Максимальное свечение имеет место при рекомбинации радитипа1102.
Наиболее исследованным и притом универсальным механиз­
мом сверхслабой биолюминесценции в видимой области можно
| 'шгать химиолюминесценцию перекисей липидов, накопление коюрых связано с окислительным фосфорилированием в митохонд­
риях. В вакууме образование свободных радикалов прекращается,
и биолюминесценция затухает. Ингибиторы свободных радикалов
||1-ионол, а-нафтол) также гасят сверхслабое свечение.
При сопоставлении механизмов «экзотической» биолюми­
несценции и сверхслабого свечения можно сделать вывод, что они
имеют общие черты, хотя и существенно отличался друг от друга.
11одобно «экзотической» биолюминесценции сверхслабое свечение
мископитающих нуждается в кислороде, усиливается субстратами
|>неточного окисления и угнетается цианидами. Биолюминесценция
«(тих типов связана с транспортом электронов в биосистемах. Поэюму в ней отображаются квантовомеханические основы биоэнернтнки.
В заключение заметим, что исследование квантовомеханиче<ной природы переноса энергии и заряда в биомолекулярных системих (т. е. различные пути превращения энергии возбужденного со| юяния молекул в энергию их продуктов) составляет существенную
чисть предмета квантовой биофизики. К этому разделу биофизики
hi носится также изучение электронной структуры биологически
мпжных молекул, их донорно-акцепторных свойств, электронных пе­
реходов в них при поглощении и излучении света, механизмов сво­
Биофизики
220
боднорадикальных процессов и др. Многие аспекты этих вопросом
выходят за рамки проблемы биоэнергетики.
3.6. Электронная схема жизни
Схема энергообеспечения процессов жизнедеятельности жи
вотных и человека представлена на рис. 3.26. Она складывается m
двух процессов: фотосинтеза и клеточного дыхания, которые обеспс
чивают кругооборот электронов в биосфере, и поэтому называется
электронной схемой жизни.
Сгорание Н
в термоядерных
реакциях
п
и2
ФОТОСИНТЕЗ
в хлооопластах
Усвоение
пищи
КЛЕТОЧНОЕ ДЫ ХАНИЕ
(биологическое окисление и
фосфорилирование - синтез АТФ)
в митохондриях
Рис. 3.26. Электронная схема жизни
У -угл ево д ы , Ж - жиры, Б - белки М С - моносахариды,
Ж К - жирные кислоты, А К - аминокислоты
3.6.1. Биофизические механизмы фотосинтеза
Транспорт возбужденных 71-электронов, обеспечивающий ак
кумулирование (конвертирование) солнечной энергии в макроэнер
гетических связях АТФ, свойствен хлорофиллсодержащим бактери
ям и зеленым растениям.
Хлорофилл обладает уникальной способностью быть как доно
ром, так и акцептором электронов в зависимости от действия на него
i tmtie 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
221
•«пшенного света. В исходном состоянии (когда на него не действует
•йог) хлорофилл служит донором электронов. Поглотив фотон в ви­
нимой области спектра солнечного излучения, этот пигмент теряет
шектрон, окисляется и приобретает акцепторные свойства. Прини­
май электрон от сопряженных с ним веществ, он снова испытывает
нпеетановление и становится готовым отдать электроны, если на неm иновь подействует свет. Такая цикличность в работе хлорофилла
ни июляет называть его «электронным насосом», приводимым в дей• мше и регулируемым солнечной энергией. Это важнейшее свойство
жмсчательного пигмента открыто в 1948 г. академиком А.А. Красноиеким. Его открытие вошло в науку под названием реакции обрати­
мою фотохимического восстановления хлорофилла (реакции Краснонекого).
3.6.1.1. Фотосинтез у хлорофиллсодержащих бактерий
У хлорофиллсодержащих бактерий хлорофилл сосредоточен
н плазмолемме. Там же присутствуют и другие вещества, участвую­
щие в переносе электронов, которые возбуждаются энергией солнеч­
ного света в молекуле хлорофилла и покидают ее. Мембрана обеспе­
чивает тесное взаимодействие всех компонентов фотосинтетического
комплекса. Благодаря его упорядоченной мембранной организации
промежутки между соседними компонентами этого комплекса имеют
порядок I нм, что обеспечивает миграцию возбужденных 71-электронои между молекулами по резонансному механизму.
Фотон видимого света, поглощаясь молекулой хлорофилла,
побуждает в ней электрон, который переносится на феофитин,
•I г него - на убихинон и далее - на цитохром с. Убихинон сосредото­
чен на внутренней стороне плазмолеммы, а цитохром с - на наружннН. Расстояние между ними более 2,5 нм. Чтобы передать электрон
шмохрому с убихинон должен пересечь плазмолемму. Для этого он
превращается в убихинол, присоединив вместе с парой электронов
>мш протона, которые мембрана черпает из цитоплазмы. Убихинол
перемещается от внутренней стороны плазмолеммы к наружной и,
«идавая там электроны цитохрому с, окисляется с отдачей 2Н+ и вы­
делением их в окружающую среду. Поглощение одного фотона в ви-
222
Биоф изик
димой области спектра обеспечивает перенос одного Н+-иона чсре»
плазматическую мембрану хлорофиллсодержащей бактерии. Заме
тим, что содержание Н+ в цитоплазме выше, чем в окружающей срс
де. Следовательно, система электронного транспорта в фотосинтеч и
ческом комплексе плазмолеммы хлорофиллсодержащей бактерии
обеспечивает то же, что и бактериородопсин в плазматической мемо
ране галобактерии, - трансмембранный перенос Н+-ионов в соотвсч
ствии с их концентрационным градиентом.
Пассивный транспорт протонов приводит к эффекту обращг
ния протонной помпы, сосредоточенной также в плазмолеммг
В результате Независимая АТФаза (Н-АТФаза), являющаяся глам
ным компонентом протонного насоса, катализирует не гидролш
АТФ, а его синтез из АДФ и ортофосфата, т. е. выполняет роль АТФ
синтетазы. За счет АТФ осуществляются все процессы жизнедеяк
льности хлорофиллсодержащей бактерии, включая поддержани<
ионных градиентов на ее плазматической мембране.
Такие микроорганизмы не способны синтезировать углево;ц.
за счет работы фотосинтетического комплекса, поскольку возбу*
денные электроны, отдав феофитину, убихинону и цитохрому \\\
быточную энергию, возвращаются с цитохрома с на молекулу хло
рофилла:
hv
i
Хлорофил — — ■
>Феофитин — —— »Убихинол —
l4
2е~
■■>Цитохром
1
Итак, фотосинтез хлорофиллсодержащих бактерий ограним»
образованием АТФ за счет реализации протонного градиента на пла \
матической мембране. Дальнейшая эволюция жизни связана с появлс
нием у зеленых растений способности использовать фотосинтез длв
созидания углеводов и других высокомолекулярных органических и*
ществ. Клетки зеленых растений (аутотрофов) обеспечивают за счс
фотосинтеза питательными веществами, а значит, и свободной энер
гией как самих себя, так и гетеротрофов. Для синтеза углеводов элсь i
223
11шоа 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
|миы, возбужденные светом в хлорофилле, должны не только регулиронать трансмембранный перенос Н+-ионов, но и переноситься на
аругие вещества, вплоть до С 02, а не возвращаться в молекулы, кото­
рым они прежде принадлежали. Для этого цепь переноса возбужден­
ных электронов, замкнутая у хлорофиллсодержащих бактерий, стамонится разомкнутой у зеленых растений.
3.6.1.2. Фотосинтез у зеленых растений
Энергия фотонов в видимой области электромагнитного спектри преобразуется в энергию химических связей синтезируемых орга­
нических веществ:
nhv
I
С 0 2 +Н 20 — ——> (СН20 ) + 0 2 +477 кДжмоль"',
Iце hv - квант света, п - число фотонов, (СН20 ) - фрагмент моле>умы углевода (рис. 3.27).
Скорость фотосинтеза измеряется количеством кислорода, выи*ценного за единицу времени. Она зависит от интенсивности погло­
щенного света. Максимальная скорость фотосинтеза при постоянном
• нньном освещении достигает одной молекулы 0 2 (на одну молекулу
U, В
-0,4
С02-
(С Н 20 )
hv
-
0,1
+0,2
+0,5
+0,8
Рис. 3.27. Схема фотосинтеза
224
Биофизик ••
хлорофилла) за 50 с. Источником всего атмосферного кислорода cjiv
жит вода, участвующая в реакциях фотосинтеза
При восстановлении углекислого газа до углевода осущестнл*
ется перенос 4 атомов водорода с Н20 на С 02. Изменение свободно!»
энергии в реакциях фотосинтеза при образовании одной молекулы <»
составляет около 500 кДж • моль-1, на что затрачивается 8 кванк»»света с суммарной энергией примерно 1470 кДж • моль-1. Следован
льно, коэффициент использования солнечной энергии при фотосии
тезе достигает 34%. Примерно к такому же КПД можно прийти пук •
другого расчета - при сопоставлении энергии, заключенной в 8 фокнах, с энергией, затрачиваемой на синтез углеводов. Так, восстаноин
тельные потенциалы редокс-пар: ^ 0 2/Н20 и С 02/СН20 составляю»
соответственно +0,81 В и -0,43 В. Последний является эквивалентом
самой высокой энергии, приобретенной электроном в хлорофили
под действием квантов видимого света. Следовательно, перенос ак»
мов водорода с Н20 на С 02 сопровождается транспортом 4 электр»»
нов против разности потенциалов, равной +0,81 - (-0,43) = 1,24 В. II
него затрачивается свободная энергия в 4,92 эВ, что эквивалентпримерно 480 кДж • моль-1.
Эта свободная энергия черпается из фотохимических процг»
сов, в которых участвует хлорофилл. Каждая молекула хлорофил л»
тесно связана с донором (Д) и акцептором (А) электронов. Поэтом\
при ее фотовозбуждении происходят следующие превращении
д
д
д+
д+
Хл —> Хл * —> Хл+ -+ Хл. Акцептор принимает электрон от возбу*
А
А
А“
А"
денного хлорофилла и превращается в А-. Место этого электрон.в хлорофилле занимает другой, принимаемый им от донора. Элен i
рон не может перейти с донора на акцептор непосредственно, так ни»
они пространственно разобщены и не взаимодействуют между со
бой. Пространственное разобщение их обеспечивается тем, что до
нор и акцептор являются компонентами биологической мембран»
и фиксированы в ее определенных точках. Не взаимодействуя мсж;н
собой, А- и Д+, образовавшиеся под действием света при учасии
хлорофилла, могут участвовать в других окислительно-восстаною»
' ими. »3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
225
сильных реакциях с теми мембранными компонентами, которые тес­
ни контактируют с ними. Вне биомембраны фотосинтез не осуществ­
ив-гся.
Местом фотосинтеза в зеленых растениях являются мембран­
ные системы хлоропластов. В этом специализированном органоиде,
• роме двойной наружной мембраны, содержится сложно организоМниая сеть внутренних мембран, образующих многослойные струкIуры, упакованные в пачки (граны). Внутренние мембраны ограничиHiiicrr замкнутые объемы в виде уплощенных пузырьков - тилакоидов.
II каждом хлоропласте примерно 1000 тилакоидов, а в одной клетке и| М) до 200 хлоропластов. В мембранах тилакоидов протекают светошиисимые фотосинтетические реакции, так как там сосредоточены
цюмофоры - молекулы, поглощающие световую энергию. К ним отmu игея хлорофилл а, хлорофилл Ъ, каротиноиды и другие пигмен||,| Их спектры поглощения изображены на рис. 3.28. Они свидетель• гиуют, что хлорофилл поглощает свет наиболее интенсивно в синей
и красной, но отражает в зеленой и желтой областях. Этим определя• и и зеленый цвет растений. На 1 хлоропласт приходится примерно
ИГ молекул хлорофилла.
Две разновидности хлорофилла (<а и Ъ), имея незначительные
|НИ111!чия в химическом строении, существенно отличаются по физивк'ким свойствам и биологической активности. О коренных отличиях
имеханизмах переноса энергии свидетельствует наличие флуоресцен­
ции у хлорофилла а (с квантовым выходом около 0,2) при ее отсутст♦IIиу хлорофилла Ь. Последний сам по себе непосредственно не участ1}г г в фотосинтетических превращениях, но он входит в состав
птособирающей пигментной матрицы, помогающей улавливать
•щечную энергию. После фотовозбуждения хлорофилл Ъбыстро пе­
редаст свою избыточную энергию хлорофиллу а, который при этом
»♦•♦Нуждается и принимает непосредственное участие в фотосинтезе.
\ морофилл а может возбуждаться светом и без посредника, но участие
шрофилла Ьповышает коэффициент использования солнечной энер•ни Он повышается также благодаря присутствию в светособираю♦ии11 матрице других пигментов (каротиноидов и фикобилинов). Сопо• шив спектры поглощения хлорофилла и каротиноидов (рис. 3.28),
• Iрудно убедиться, что хлорофилл поглощает энергию ограниченно•>н | »
226
Биоф изик
Рис. 3.28. Спектры поглощения пигментов, присутствующих в мембране
тилакоида. Обозначения: 1 - хлорофилл а, 2 - хлорофилл Ь, 3 - каратиноидЫ,
4 - спектр солнечного излучения (интенсивность излучения в относительных единицах)
го участка солнечного спектра. Однако фотосинтез идет под дейстнн
ем почти всей видимой области электромагнитного спектра. Зелены*
свет хорошо поглощают каротиноидами, входящими в светособираи»
щую матрицу. Кроме того, каротиноиды защищают хлорофилл от фо
тоокисления при избыточном освещении.
Перенос энергии от различных пигментов этой матрицы п«
хлорофилл а осуществляется по резонансному механизму. В кони»
концов энергия фотовозбуждения достигает реакционного центра
в котором сосредоточено несколько молекул хлорофилла а, ориси
тированных определенным образом в тилакоидной мембране. Здси
начинается первая стадия фотохимического процесса. Совокупное!i
реакционного центра и светособирающей матрицы называется фо
тосинтетической единицей (рис. 3.29). Каждая из них включает при
близительно 300 молекул хлорофилла.
Фотосинтетическая единица входит в состав фотосистемы
компонентами которой являются также интегральные белки тил»
коидной мембраны. Мембранные протеины фиксируют многие моле
кулы хлорофилла на одной полипептидной цепи, создавая тем самым
необходимую ориентировку пигмента. Комплекс «хлорофилл а
I im e 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
227
Свет (hv)
^
ьО
л
хлорофилла ловушек энергии
Рис. 3.29. Схема фотосинтетической единицы.
Волнистыми стрелками показан перенос энергии возбуждения
по механизму резонансного взаимодействия
(Р. Чанг, 1980)
мембранный белок» служит главным узлом фотогенератора, как ино• 1.1 называют фотосистему.
Функциональным элементом тилакоидной мембраны считает• иквантосома, в состав которой входят две фотосистемы с разными
• пойствами. В каждой Ф С есть собственная фотосинтетическая еди­
ница, причем относительное содержание хлорофилла а в Ф С I много
h i ,мне, чемв Ф С II. Обе фотосистемы поглощают свет с длинами
ипнн короче 680 нм, но только Ф С I способна возбуждаться и более
ншнноволновым светом, причем ее максимум поглощения прихом( гея на 700 нм. Поэтому хлорофилл а, входящий в разные фотосисм'мы, имеет различные наименования: в Ф С I его называют пигменн»м Р700, а в Ф С II - пигментом Р680. Различия определяются не
особенностями молекулярной структуры пигментов (она одинако­
во, а специфическим мембранным окружением хлорофилла а
иФС I и Ф С II (вероятно, составом мембранных белков, фиксирую­
щих молекулы пигмента). В целом молекулярная масса квантосомы
интигает2 • 106 дальтон.
Между молекулами хлорофилла, принадлежащими разным
К ’ и одной квантосоме, расположены молекулы других веществ,
•Ходящих в ее состав и выполняющих функцию переноса электро•IIт. Поэтому говорят, что ФС I и ФС II разобщены в пространстве
мишкоидной мембраны, но сопряжены между собой системой пере-
228
Биофизик*
носа электронов, причем они переносятся с ФС II на ФС I, и обрп i
ный переход невозможен (рис. 3.30).
В темноте молекула хлорофилла а пребывает на нижнем сиш
летном уровне. Световая энергия по резонансному механизму перею
дит его электроны на более высокий энергетический уровень. Полосы
поглощения хлорофилла (см. рис. 3.28) соответствуют переходим
Sо ->
(в красной области спектра) и S0 —> S2* (в синей области)
рис. 3.31. Раствор хлорофилла a in vitro флуоресцирует за счет обрш
ного перехода электронов с S* на S0 (заметим, что обратный персхол
с S2 на iSj* безызлучательный). С уровня S *возможен также безызлу
чательный переход на метастабильный триплетный уровень Т. Нахо
дясь на нем, электроны хлорофилла могут перейти под действием сиг
та на уровень Г* что означает возбужденное триплетное состоя!ни
хлорофилла. Именно такой переход присущ хлорофиллу in v/vо, koi
да он встроен в тилакоидную мембрану. С уровня Т электроны moi у»
U, В
-
0,6
0,4
-
0,1
0,0
+0,2
+0,4
+0,6
ФС1
Н20
ФСП
Рис. 3.30. Схема переноса электронов при фотосинтезе у высших растений
U - восстановительный потенциал
'tmea 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
229
Рис. 3.31. Схема электронных уровней хлорофилла (по Л.А. Красновскому)
•о тратиться и на уровень
что сопровождается фотолюминесцен­
цией. Поэтому хлорофилл а люминесцирует не только в пробирке, но
и и хлоропластах. Однако его квантовый выход in vivo только 0,03и,()6, тогда как in vitro - 0,2. Из сопоставления этих величин ясно, что
и,пиная доля энергии, выделяющейся при электронных переходах
и облученной молекуле хлорофилла а, находящейся в тилакоидной
мембране, идет на фотосинтез.
Фотосинтез осуществляется за счет перехода возбужденных
шектронов с Г на Г* при котором изменяется их спин. Появление же
•испаренных электронов приводит к образованию свободных радите. Возникновение свободных радикалов при фотосинтезе доказаМ
1»методом ЭПР.
Полный цикл фотосинтетических превращений начинается
<фотовозбуждения хлорофилла а в ФСII (Р680). Возбужденный элек(|ЮНпереносится с Р680 на акцептор, тесно контактирующий с хлорофцллом в тилакоидной мембране (рис. 3.30). По-видимому, акцепто­
ром служит цитохром 555 (Q). На переход затрачивается энергия
побуждения электрона, так как он преодолевает восстановительный
потенциал в 1,24 В (идет «в гору»). Приняв электрон, акцептор восстаиниливается, а в молекуле хлорофилла, отдавшей его, возникает дырпи Она заполняется электроном воды, которая расщепляется в проЦ9СССфотосинтеза с образованием кислорода, протонов и электронов.
IIn-видимому, расщепление воды (точнее, ее окисление до 0 2) произипднт не сам возбужденный хлорофилл, а некое промежуточное окис|«иное соединение, образующееся при возбуждении Р680. Окисление
230
Биофизим
воды, приводящее к выделению кислорода, катализируется фермсш
ной системой, содержащей трехвалентный ион марганца.
Присоединив электрон, хлорофилл (Р680) восстанавливается
и к нему возвращается способность возбуждаться новыми квантами
света. Кислород выделяется в атмосферу. Протоны закисляют содср
жимое тилакоидов, поддерживая там более высокую концентрации*
Н+по сравнению с цитозолем. Такова судьба всех продуктов расщеп
ления воды при фотосинтезе. А теперь снова обратимся к электро
нам, покинувшим молекулы хлорофилла (Р680) и восстановившим
вещество Q. Проследим их миграцию по цепи переноса ФС И. С не
щества Q они последовательно переходят от одного компонент
транспортной цепи к другому в направлении более высокого поло
жительного восстановительного потенциала («с горы») - к пластохи
нону и далее к пластоцианину. Свободная энергия, выделяющая *
при этом ступенчато (дискретно), запасается тилакоидной мембра
ной и обеспечивает синтез АТФ из АДФ и ортофосфата (о механизм!
преобразования энергии возбужденных электронов в химическую
энергию макроэргической связи речь пойдет ниже). Так как скорость
переноса электронов по транспортной цепи ФС II не зависит от тем
пературы, то возникло предположение о туннельном механизме мш
рации электронов между окислительно-восстановительными компо
нентами этого каскада. Последним из них в ФС II является Р700, т. с
хлорофилл а, принадлежащий другой фотосистеме (ФС I) в данной
квантосоме.
Однако Р700 приобретает способность принять электроны ш
ФС II только после того, как сам поглотит свет, возбудится и потеряем
свой электрон, который поступит в транспортную цепь ФС I. При по
тере электрона в молекуле Р700 возникает дырка, которую и занимас i
электрон, пришедший сюда из ФС II (с пластохинона). Следователь
но, возбужденный хлорофилл, входящий в состав ФС II, восстанавли
вает пластохинон (до гидрохинона), а возбужденный хлорофилл, при
надлежащий ФС I, окисляет гидрохинон до пластохинона, возврата*
ему способность принимать новые электроны от Р680. Еще раз напом
ним, что такое сопряжение в работе двух фотосистем осуществляем**
в пределах одной квантосомы. В ней между молекулами хлорофилла
принадлежащими разным фотосистемам, иными словами, между
I tmoa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
231
1*680 и Р700, расположено примерно 5 молекул пластохинона. Пиг­
мент Р700, приняв электроны от компонентов ФС II, восстанавливает| и, и к нему возвращается способность возбуждаться светом.
В ФС I пока не идентифицировано вещество с большим отрицаIильным восстановительным потенциалом, на которое переходят возПужденные электроны с Р700. На схеме (см. рис. 3.30) оно обозначено
Оуквой X Приняв электрон от возбужденного хлорофилла, X станошггся сильным восстановителем (Х~), с которого начинается второй
каскад переноса электрона в сторону более высокого положительного
ноестановительного потенциала. Последним компонентом цепи
фанспорта электронов в ФС I является НАДФ+, восстанавливаемый
до НАДФ Н (см. рис. 3.30). Донором водорода служит вода, расщепив­
шаяся под действием света при участии хлорофилла (Р680) еще на пер№>йстадии фотосинтеза.
Конечным акцептором электронов, прошедших последователь­
но ФС II и ФС I, является С 0 2. Перенос на него электронов с редокс-пары НАДФ*/НАДФ • Н (восстановительный потенциал равен 0,324 В) осуществляется сложной ферментной системой, входящей
а гак называемый цикл Кальвина - последовательность химических
реакций, протекающих в 13 стадий (рис. 3.32). Энергия, выделяемая
при транспорте электронов с названной редокс-пары на С 02, недостатчна для его восстановления до углеводов. Дополнительная энергия,
необходимая для синтеза углеводов, поступает в цикл Кальвина
и форме АТФ. Так, образование одной молекулы гексозы из 6 моле­
кул С 02 обеспечивается не только переносом электронов с НАДФ • Н
на С02, но еще и 18 молекулами АТФ. Этот макроэрг образуется так­
ие в реакциях фотосинтеза посредством преобразования солнечной
нюргии, поглощенной хлорофиллом. Синтезу АТФ служит транс­
порт в квантосоме (в ФС II и ФС I ) до этапа восстановления НАДФ*.
Механизм фотосинтеза АТФ будет рассмотрен ниже.
За счет поглощения двух квантов света двумя молекулами хло­
рофилла (Р680 и Р700), принадлежащими одной квантосоме, происчодит перенос одного электрона на С 02. Кроме того, энергия этих
жух фотонов обеспечивает перенос одного электрона с воды на Р680.
Рассматривая процессы электронного транспорта в ФС II и ФС I в со-
232
Биофизики
Н
I
Н — с — ОРО -
н
I
I
I
с—о
н
Н — с — O P O j-
|
|
I
/А \
Н — с — O P O J-
2Н — С — ОН
«А »
А ^ф
► 2Н— с — О Н
7^4“
2 А Д Ф ,2 Л А ^ Ф Н , 2 ^ А Д Ф
Ф о с ф о гл и ц е р н н о в а я
ОН
Фотохимические
системыI и II
АЦФ^
Н
С
О Р О }*-
I
I он
I— н—с—
I он
н—с—
с—
нI
С— О
Н —
О Р О !-
Р и б ул о эо д и ф осф ат
А^Ф
О
Триозоф осф ат
он—с—н
н—с—он
н—с—он
I он
н—с—
I
I
---------
|
Н
Ф р у к то за д и ф осф ат
Н
I О Н Ряд 5-, 6- и 7н—с—
I
с—о
углеродных
н—с—он промежуточных
соединений
I
н—с—он
Н — с — O PO J-
нI
Р нбул оэодиф осф ат
СНО
I
н—с—он
сн,он
Г лю коза
Рис. 3.32. Связь м еж ду фотосистемами и циклом Кальвина
вокупности, можно заключить, что поглощение двух квантов свет
двумя молекулами хлорофилла приводит к переносу одного электро
на с Н20 на С 02, из которого синтезируются углеводы.
В ходе двухтактного (в ФС II и ФС I) фотоэлектронного прео(>
разования возникают молекулярный кислород, НАДФН (восстанем
ленный НАДФ), а также АТФ. Это единственная, хотя и сложна*
(многоступенчатая) световая реакция в процессе фотосинтеза. Даль
нейшие аутотрофные биосинтетические реакции не нуждаются в свс
те. Они происходят в зеленых растениях за счет энергии, заключен
ной в электронах, принадлежащих НАДФН и АТФ.
Лучше других реакций фотосинтеза изучен процесс образова
ния шестиуглеродной молекулы глюкозы из 6 молекул С 02 и 6 моле
кул Н20 {реакция фиксации углекислого газа). 12 пар возбужденных
электронов, необходимых для осуществления этой реакции, поступа
ют от НАДФН. Дополнительным поставщиком свободной энергии
служат 18 молекул АТФ. Вклад НАДФН и АТФ в фотосинтез мол*
глюкозы составляет соответственно 660 и 252 ккал.
Аналогично углеводам происходит фотосинтез всех биологи
чески важных макромолекул. И здесь нужно еще раз подчеркнуть,
i шиш 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
233
но для созидания углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот
и других высокомолекулярных органических соединений из двуоки• н углерода, воды, нитратов, сульфатов и прочих сравнительно про• Iих веществ необходим колоссальный приток к ним возбужденных
шектронов.
Углеводы, белки, жиры служат основными питательными ве­
ществами для гетеротрофов. В ходе катаболических процессов, также
мГюспечиваемых электрон-транспортными системами, освобождаютн шектроны примерно в таком же количестве, в каком они захваты«кшись органическими веществами при их фотосинтезе. Электроны,
«н*побеждающиеся при катаболизме, переносятся на молекулярный
кислород дыхательной цепью митохондрий. Здесь окисление сопрямчю с фосфорилированием - синтезом АТФ посредством присоеди­
нения к АДФ остатка фосфорной кислоты (т. е. фосфорилирования
АДФ). Этим обеспечивается энергоснабжение всех процессов жизнепитсльности животных и человека.
Химиоосмотическая гипотеза фотофосфорилирования. Раз­
ложение воды и синтез АТФ происходят на свету. Для остальных ре|кций, в ходе которых фотосинтётические комплексы поглощают из
мпдуха С 02 и синтезируют из него углеводы, свет не требуется. Поэюму их называют темповыми реакциями. Они обеспечиваются сво­
бодной энергией, запасенной в световую фазу (стадию). Детали свеюных и темновых процессов излагаются в курсе биохимии. Здесь
уместно рассмотреть только химиоосмотическую гипотезу фотофос­
форилирования. Фотофосфорилированием называют синтез АТФ из
АДФ и ортофосфата, происходящий под действием света в мембра­
нах, содержащих хлорофилл.
Катализатором фотосинтеза АТФ служит ферментная система,
образующая протонный насос, который наряду с квантосомой сосрею точен в тилакоидной мембране. Эта ферментная система (Н-завиимая АТФаза) сопрягает электронный транспорт в квантосоме
конвертированием свободной энергии в концевой фосфатной связи
АТФ. Поэтому ее называют сопрягающим фактором (CF). В этом
сопряжении участвует также концентрационный градиент Н+-ионов
(протонный градиент) на тилакоидной мембране. Из рис. 3.33 видно,
по энергия, переносимая возбужденными электронами по квантосо-
234
Биофизик.i
Рис. 3.33. Схема механизма фотофосфорилирования
Fo - субъединицы НАТФазы, образующие канал во внутренней
митохондриальной мембране, CF)-субъединицы Н-АТФазы,
образующие ее «головку» в матриксе митохондрии
м е, отч асти р а с х о д у е т с я на со зд а н и е и п о д д ер ж а н и е п р о то н н ого гра
д и ен т а п о ср ед ст в о м р асщ еп л ен и я воды внутри тил ак ои да, г д е всегда
pH н и ж е, ч ем в ц и т о зо л е . К ак п ол а га ю т, п р о то н н ы й гр а д и ен т на ти
л а к о и д н о й м ем б р а н е п о д д ер ж и в а ет ся и п о с р ед с т в о м р аботы про
т о н н о г о н а с о са , к отор ы й в т ем н о т е о б е сп е ч и в а ет активны й транс
п о р т Н +-и о н о в ч ер ез н е е. И ст о ч н и к о м эн ер ги и дл я п е р ен о с а Н + и i
ц и то зо л я в т и л а к о и д сл у ж и т А Т Ф , ги д р о л и з к отор ого активируется
Н -А Т Ф азой . В св о ю оч ер ед ь , п р отон н ы й гр ади ен т на тилакоиднои
м ем б р а н е является д в и ж у щ ей си л о й п асси в н ого тр ан сп ор та Н + чере i
н ее. П ри таком д в и ж ен и и п р о то н ов Н -А Т Ф аза к атал и зи рует н е гид
р ол и з А Т Ф , а си н т ез его и з А Д Ф и ор тоф осф ата, т. е. сл уж и т АТФ
си н т ет азой . П р о и сх о д и т обращение п р о то н н ой пом п ы . С ледователь
н о, эн ер ги я п р о то н н о го гр ади ен та является п р о м еж ут оч н о й формой
п р еобр азов ан и я со л н еч н о й эн ер ги и в хи м и ч еск у ю эн ер ги ю макроэр
ги ч еск и х св я зей А Т Ф .
С у щ ест в ов ан и е п р о то н н о го гр ади ен та на т и л ак ои дн ой м ем бра
н е п о д т в ер ж д ен о прям ы м и и зм ер ен и я м и . П ри дл и тел ь н ом освещ ении
/ titwa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
235
плсных растений pH внутри тилакоидов становится на 3,5 единицы
Ниже, чем в цитозоле. В обычных условиях на свету эта разница
меньше, но существует всегда. Транспорт одного электрона по обеим
фотосистемам (ФС II и ФС I), принадлежащим одной квантосоме,
приводит к образованию внутри тилакоида одного протона. Следоваюльно, протонный градиент на тилакоидной мембране непосредст­
венно обеспечивается энергией, освобождающейся при переносе возОужденных электронов между ее молекулярными компонентами.
За счет протонного градиента на мембране тилакоида поддермжается разность потенциалов (Д{7) порядка 100 мВ. Именно элект­
рическая энергия, заключенная в разности потенциалов на тилакоид­
ной мембране (как в конденсаторе), видимо, является промежуточной
формой преобразования свободной энергии при фотосинтезе: солнеч­
нан энергия —> энергия возбужденных электронов —> электрическая
жергия на тилакоидной мембране —>химическая энергия макроэргических связей АТФ. Однако электрическую энергию мембраны, обу• иовленную разобщением Н+-ионов и анионов на ней, можно рас­
сматривать как эквивалент осмотической энергии, заключенной
н концентрационном градиенте протонов. Это, по существу, эквиванеитные понятия. Поэтому промежуточную форму энергетических
преобразований при фотофосфорилировании можно называть и осмо­
тической энергией протонного градиента, как было сказано выше.
11оэтому гипотеза называется химиоосмотической.
При падении ДС/ на тилакоидной мембране синтез АТФ угнеIас гея, а при увеличении - усиливается. Другим подтверждением
участия протонного градиента в образовании макроэрга является
но шожность синтеза АТФ в темноте, если на тилакоидной мембране
| оэдается и поддерживается градиент Н+-ионов путем искусственно1 о эащелачивания среды вокруг тилакоида.
Несмотря на многие аргументы, подтверждающие роль проюнного градиента (и AU) на тилакоидной мембране в энергетиче­
ском сопряжении электронного транспорта в квантосоме с синтезом
АТФ, не все согласны с химиоосмотической гипотезой. Есть мнения,
что перенос возбужденных электронов по квантосоме сопряжен
i образованием макроэнергетических связей не электрической (осмо­
236
Биофизик!
тической), а химической или механической энергией. Однако все но
вые и новые факты подтверждают химиоосмотическую гипотезу
Важные аргументы в ее пользу дает и рассмотрение эволюции био i
нергетичесикх процессов.
Эволюция биоэнергетических процессов. Большой взрыи
который привел к образованию Вселенной, произошел предположи
тельно 15 миллиардов лет назад. Более 10 миллиардов лет Земля прс
бывала в предбиотическом периоде, но уже около 4,5 миллиардов Л01
она является очагом органического синтеза, причем более 3 миллиар
дов лет на ней живут организмы с клеточной организацией. Так думи
ют те, кто не принял гипотезу направленной панспермии Сванте Ар
рениуса и Фрэнсиса Крика.
Первые клеточные системы развивались в атмосфере, обладай
шей восстанавливающими свойствами. В ней отсутствовал молеку
дярный кислород при наличии азота, окиси углерода, газообразном»
водорода, сернистых паров. Из этих веществ зарождающаяся био
сфера извлекала высокоэнергетические электроны.
В ходе биохимической эволюции давно возник и сохранил! и
до сих пор такой тип метаболизма, при котором электроны с орган и
ческих субстратов переносятся на связанный кислород, входящим
в состав нитратов, сульфатов, карбонатов и других соединений. Эи»
вещества могут окислять субстраты сами, без участия молекулярное
кислорода.
Бактерии, обладающие таким метаболизмом, имеют элек1
рон-транспортные системы, в состав которых входят, как правило,
цитохромы. Поскольку здесь окисление органических субстратом
происходит в анаэробных условиях, то его называют анаэробным
дыханием. В зависимости от того, какие вещества вместо 0 2 служа i
акцепторами электронов в таких системах, говорят о следующих вн
дах анаэробного дыхания: нитратном, сульфатном, карбонатном,
серном, фумаратном, железном.
Так, например, при восстановлении нитрата до аммиака или
сульфита до сульфида в анаэробных условиях необходимо перенес и»
на соответствующие акцепторы по 6 электронов. При карбонатном
дыхании анаэробных бактерий из органических веществ образуетем
I tmoa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
237
мотан, причем конечным акцептором электронов могут служить ли­
бо двуокись углерода, либо ацетат.
Результатом работы электрон-транспортных цепей при всех
мндах анаэробного дыхания является выведение из микробных клеиЖ протонов, что создает на клеточной мембране протонный потен­
циал, обеспечивающий сопряжение переноса электронов с синтезом
АТФ (фосфорилированием). Такое энергообразование гораздо эф­
фективнее брожения (анаэробного гликолиза). По-видимому, термо­
динамическая целесообразность мембранных электрон-транспортпых систем была важнейшим фактором, определившим эволюцию
процессов энергообеспечения биосферы.
Дальнейшее развитие жизни оказалось неизбежно связанным
г использованием энергии солнечного света. Однако фотоны приоб­
рели возможность возбуждать электроны биологических систем
юлько после образования в биосфере фотоэлектронных единиц.
Уникальным компонентом таких единиц стали хлорофиллы. Они-то
и обеспечили фотоэлектронным единицам возможность выполнить
основную функцию - принимать электроны от донора с низким энеритическим уровнем и за счет энергии Солнца возбуждать их наI только, чтобы они могли перейти на вещество, обладающее более
мыеоким электронным потенциалом, чем донор. Хлорофиллы служат
промежуточной ступенькой в потенциальной яме между донором
и акцептором электронов и вместе с тем, будучи пигментами, - мощ­
ным приемником солнечного света, который используется для воз­
буждения электронов.
Первыми представителями живой природы, которые приобре­
ли фотоэлектронные единицы с хлорофиллами, стали представители
прокариот - цианобактерии (так называемые синезеленые водоросш)- Предполагают, что они живут на Земле уже 2,5-3,2 миллиарда
■кт. Покрыв всю Землю, цианобактерии господствовали на ней
миллиарда лет. Их жизнедеятельность, в ходе которой выделяется
молекулярный кислород, преобразила атмосферу Земли. Примерно
I 1,5 миллиарда лет назад образовались хлоропласты в клетках зеле­
ных растений. Постепенно развилась аэробная жизнь с преобразова­
нием архаичного фотофосфорилирующего аппарата в дыхательную
цепь.
238
Биофизики
3.6.2. Электрон-транспортная цепь
внутренней мембраны митохондрии
Клеточное дыхание происходит в митохондриях (рис. 3.34). Ии
внутренней мембране этого органоида сосредоточены электрон-транс
портная (дыхательная) цепь, обеспечивающая межмолекулярный по
ренос электронов с субстратов клеточного дыхания на молекулярный
кислород (процесс биологического окисления), и система сопряжс
ния окисления с фосфорилированием (синтез АТФ из АДФ).
Типичной ошибкой является представление биологическом»
окисления следующей реакцией: 2Н2 + 0 2 -> 2Н20 . Это реакция
взрыва гремучего газа. Ошибка в том, что в живых клетках окисли
ются не молекулы, а атомы водорода, поставляемые в реакцию орги
ническими веществами. Их называют субстратами клеточного ды
хания. К ним принадлежат продукты расщепления углеводом
жиров и белков, усвоенных организмом при пищеварении. В эти»
веществах заключена солнечная энергия, аккумулированная ими
благодаря фотосинтезу. Окисление освобождает энергию, заклю
ченную в химических связях субстратов клеточного дыхания ы
а)
Рис. 3.34. Схема митохондрии
а - общий вид (трехмерное изображение);б - мембранная организация
митохондрии. 1 - наружная митохондриальная мембрана, 2 - межмембранное
пространство, 3 - внутренняя митохондриальная мембрана, 4 - кристы
(гребешки), 5 - грибовидные выросты, 6 - цитозоль, 7 - матрикс митохондрии
i imoa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
239
»чет существования у них коллективизированной системы л-электроиов. Важно, что при биологическом окислении свободная энергия
нишь частично превращается в тепло. Большая часть «раскрепо­
щенной» свободной энергии идет на синтез АТФ (конвертируется
и химических связях макроэргов). АТФ синтезируется при взаи­
модействии АДФ с ортофосфатом. Следовательно, биологическое
(нмутримитохондриальное) окисление сопряжено с фосфорилироваиием АДФ (синтезом АТФ). Реакция фосфорилирования идет с прео­
долением потенциального барьера, на что и затрачивается энергия,
жнобождающаяся при окислении продуктов расщепления питатель­
ных веществ. В дальнейшем клетки используют энергию, заключен­
ную (аккумулированную, конвертированную) в концевой фосфатной
• иизи АТФ, на совершение различных форм полезной работы.
Таким образом, клеточное дыхание состоит в сопряжении
окисления органических веществ с синтезом АТФ. Окислительное
фоефорилирование - многоступенчатый процесс, осуществляемый
посредством транспорта электронов по макромолекулам, которые
| осредоточены в биологической мембране. Благодаря мембранной
организации эти макромолекулы образуют строго упорядоченную
• истему переноса электронов и протонов, называемую дыхательной,
ими окислительной, цепью (ДЦ или ОЦ). Только у примитивно орга­
низованных бактерий клеточное дыхание происходит в плазмолеммс\ У подавляющего большинства представителей живой природы
1{\\ локализована во внутренней мембране митохондрии - клеточной
нрганеллы, специально приспособленной к окислительному фосфорилированию. Важно подчеркнуть, что существенным звеном слож­
ною процесса клеточного дыхания является активный транспорт
IГ-ионов в цитозоль из митохондрии. Заметим, что к изучению клеIочного дыхания нужно приступать после хорошего усвоения совре­
менных представлений о квантовомеханических механизмах перенои1 энергии и заряда в биомолекулярных системах, а также основ
мембранологии с учетом специфических особенностей митохондри•ни.ных мембран.
Особенности митохондриальных мембран. Каждая миточопдрия имеет две мембранные системы: наружную и внутрен­
нюю (рис. 3.34). Межмембранное пространство достигает несколь­
240
Биофизики
ких нанометров. Наружная мембрана гладкая, в ней примерно
поровну представлены липиды и белки. Ее структуре лучше дру
гих соответствует бутербродная модель. Наружная мембрана обла
дает хорошей проницаемостью для ионов, метаболитов и даже
макромолекул.
Строение внутренней митохондриальной мембраны наиболее
адекватно отображает мозаичная модель. По структуре и функции
эта мембрана принадлежит к наиболее сложным типам мембранных
систем. В ней множество складок, называемых гребешками (криста
ми), за счет которых происходит существенное увеличение мемб
ранной поверхности. В расчете на одну митохондрию гепатоциш
крысы она составляет в среднем 16 мкм2, тогда как площадь наруж
ной мембраны, имеющей больший периметр, - около 13 мкм2. Заме
чено, что с метаболической активностью клетки хорошо коррелиру
ют складчатость и, следовательно, величина площади внутренней
митохондриальной мембраны. В печени млекопитающих суммарна и
площадь внутренних митохондриальных мембран составляет 40 м
в расчете на 1 г белка, тогда как в летательных мышцах насекомых,
где обмен веществ и энергии гораздо интенсивнее, этот показатель
достигает 400 м2.
Во внутренней митохондриальной мембране сосредоточены
белковые комплексы, образующие дыхательную цепь, по котором
электроны переносятся с субстратов клеточного дыхания на молеку
лярный кислород (рис. 3.35).
Важную роль в клеточном дыхании играет транспорт протоном
через внутреннюю митохондриальную мембрану, который лишь
условно можно назвать трансмембранным переносом. Этот транс
портный процесс вместе с переносом электронов по дыхательной цс
пи митохондрии обеспечивает достижение конечной цели всего ды
хания - преобразование солнечной энергии в химическую энергии>
макроэргических соединений, которая в организме превращается нм
все виды полезной работы.
Молекула АТФ впервые была выделена Фиске и Субарроу ш
экстрактов скелетных мышц в 1929 г. Через 2 года отечественный
биохимик В.А. Энгельгардт обнаружил связь между синтезом АТС»
и клеточным дыханием. Еще через 10 лет Липман сформулирован
241
/ пива 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
Межмембранное
пространство
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
Митохондриальный
матрикс
Рис. 3.35. Схема дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий
положение о том, что АТФ является универсальной «энергетической
тойотой» в организме человека и животных, поскольку выполняет
1есию посредника между внешним источником энергии (Солнцем)
юлезной работой биологических систем.
Схема электрон-транспортной цепи и системы сопряжения
окисления с фосфорилированием, сосредоточенных в митохондрии,
мюбражена на рис. 3.36.
II
'Ж43
242
Биофизик л
протеины
углеводылипиды
/
N ! /
М А ТР И КС
МИТОХОНДРИИ
.он'Н+
II
ЗАДф» +3фг +ЗН+-ЗАТФ* *Н|0
i
H
*
iii
Ц
и
т
о
х
р
о
м
i
6
«
с
и
д
а
м
ЦХЬис, ЦХс
2е- Fe* Fe> Fe*.Cu2+VАз*
202 —►
it 2е n
it 29-J
Fe2+ Fe* Fe2*Cu+
. л ...
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
О
Можмембранное пространство
Наружная митохондриальная мембрана
W__________
н
©
Цитозоль
Рис. 3.36. Схема клеточного (митохондриального) дыхания
3.6.2.1. Биологическое окисление
Все субтраты клеточного дыхания, являющиеся продуктами
расщепления углеводов, белков и жиров, поставляют в митохондрии
протоны (Н+) и л-электроны, которые на пути к кислороду должны
передаваться по эстафете от одного вещества другому в митохондри
альной дыхательной цепи. В таком путешествии электроны отдаю i
свою энергию на синтез АТФ не одномоментно и не в одном пункте,
а порциями на ступенях каскада молекул, стоящих в мембрат
в строгом порядке, предопределенном их восстановительными по
тенциалами, т. е. сродством к электронам (чем больше величина но
ложительного восстановительного потенциала, тем выше степе» и.
сродства к электронам).
Рис. 3.37 иллюстрирует каскад переноса л-электронов по дыха
тельной цепи митохондрий. Каждый ее компонент (кофермент или
1tinea 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
Восстановительные
потенциалы
243
Свободная анергия
Рис, 3.37. Схема межмолекулярного переноса п-электронов по дыхательной цепи
митохондрий. Слева - восстановительные потенциалы редокс-пар компонентов
дыхательной цепи, справа - перепады свободной энергии на каждом
из трех этапов выброса протонов в цитозоль
ми/шктор макромолекулы), а их более 15 (на схеме показаны не все),
свойствами окислительно-восстановительной пары.
Иокисленном состоянии такая молекула является акцептором элект­
ронов, причем они поступают на нее не в одиночку, а попарно. Приняв
пиру электронов, молекула восстанавливается и приобретает свойства
шсктроиного донора. Так, окисленный иикотииамидадениндииуклещ ид (НАД+), приняв пару электронов, восстанавливается до НАД • Н
н теперь служит основным донором электронов для дыхательной це­
ни. В реакциях, в которых образуется НАД • Н, от молекулы субстрата
одновременно отнимаются 2 атома Н, которые дают 1 гидрид-ион
(том водорода с добавочным электроном - Нг) и 1 протон. Кроме
НАД • Н, поставщиками электронов в дыхательную цепь могут быть
гукцинат, глицерофосфат и другие вещества, но тогда синтезируется
меньш е молекул АТФ (рис. 3.38).
При переносе одной пары электронов с НАД • Н на кислород
образуются 3 молекулы АТФ, причем электронный транспорт по ды­
нигельной цепи начинается с того, что у НАД • Н отбирается гид­
рид-ион (Нг). При этом регенерируется НАД+, а гидрид-ион превра­
щается в Н+ и 2е~.
•нпадает
244
Биофизинш
Н+
'
>
■-■■■ ■- ■
Н+
Н+
'
I
Цитозоль
I
Наружняя
митохондриальная
Рис. 3.38. Различия в выбросе протонов в цитозоль из митохондрии
(и, следовательно, в синтезе АТФ) при использовании разных доноров п-электротн»
НАД • Н - довольно устойчивое соединение. Для отрыва от не
го электронов необходима большая сила. Такой силой служит рач
ность восстановительных потенциалов между редокс-парами: ники
тинамидадениндинуклеотида (НАД+/НАД • Ы) и первого компонент
дыхательной цепи - флавопротеида (его коферментом служит ф;ш
винмононуклеотид - ФМН). У этого вещества стандартный воссти
новительный потенциал редокс-пары составляет - 0,30 В, тогда каь
у НАД+/НАД • Н он равен - 0,32 В. Разница составляет всего 0,02 И,
но расстояние между соседними молекулами, образующими дыха к*
льную цепь во внутренней мембране митохондрии, не более 2,5 нм
Поэтому напряженность электрического поля между НАД • Н и окне
ленным ФМН очень большая (порядка 107 В • м-1), причем ФМН име­
ет более положительный потенциал, чем предыдущая редокс-парл
и «стягивает» на себя л-электроны с НАД • Н.
Отдав электроны, НАД • Н окисляется до НАД+, и теперь эта ре
докс-пара готова принять новую пару электронов, а окисленный
ФМН, отобравший электроны от НАД • Н, восстанавливается. Но по
коя ему не дает следующий компонент электрон-транспортной цепи
(на рис. 3.37 - коэнзим Q, молекула которого имеет «хвост» из 10 изок
i ntwa 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
245
реповых еди н и ц , которы й у д ер ж и в а ет ее во в н ут р ен н ей м ем б р а н е м ит х о н д р и й ; эта м ол ек ул а обл ад ает св ой ств ам и р ед ок с-п ар ы , стан дар т­
ный в осстан ови тел ьн ы й п отен ц и ал к отор ой составл я ет + 0 ,0 7 В ).
Iх Iсств ен н о, что он от би р ает пар у эл ек тр он ов от Ф М Н и в осстан авл и ине гея, а его п р едш еств ен н и к при этом оки сл яется и сн ов а стан ови тся
акцептором я -эл ек тр он ов.
З а к о эн зи м о м Q в м и т о х о н д р и а л ь н о й м ем б р а н е ст о я т н еск о н.ко ц и т о х р о м о в ( b, с]} с, a + a3). Ц и т о х р о м ы b, с^ с со д е р ж а т в ка­
честве к оф ак тор а и о н ж е л е за , с п о с о б н ы й со в ер ш а т ь п р ев р а щ ен и я
и I о к и сл ен н о й (F e 3+) в в о с с т а н о в л е н н у ю (F e 2+) ф о р м у и о б р а т н о .
К ом плекс ц и т о х р о м о в (а + а3) н азы вается цитохромоксидазой
и со д ер ж и т н е тол ьк о ж ел езо , н о и м едь . Ч ем дал ь ш е ст о и т ц и то■фом от к о эн зи м а Q , т ем в се б о л е е п о л о ж и т е л ен в осст ан ов и тел ь н ы й
Потенциал его р ед ок с-п ар ы : от ц и то хр ом а в (+ 0 ,1 2 В ) д о ц и то хр ом оксидазы (+ 0 ,5 5 В ). С ц и то хр ом ок си дазы пара л -эл ек тр о н ов п о с т у ­
пает на к и сл ор од и в осстан авл и вает его д о воды . С тан дартны й вос• м ш овительны й п отен ц и ал р едок с-п ары : 0 2/Н 20 равен + 0 ,8 2 В , т. е.
| >, обл ад ает н аи бол ьш и м ср о дст в о м к электронам .
Т аким о б р а зо м , п ри п е р е н о с е пары л -эл ек т р о и о в с Н А Д на
I), р азн ость в о сст ан ов и тел ь н ы х п о т ен ц и а л о в со ст ав л я ет 1,14 В
(ог - 0 ,3 2 В д о + 0 ,8 2 В ). М еж д у п ер еп ад ам и стан дар тн ого в осстан оШ1 тельного п отен ц и ала (Д U) и и зм ен ен и я м и с в о б о д н о й эн ер ги и си с1смы (A G ) су щ ест в у ет п рям о п роп ор ц и он ал ь н ая зави си м ость: A G =
п • F • A U9 гд е п - кол и ч еств о п ер ен оси м ы х эл ек тр он ов (п = 2),
I число Ф арадея (F = 9 6 4 8 4 Кл • м оль-1).
С огл асн о р асч ету, и зм ен ен и е с в о б о д н о й эн ер ги и л -эл ек тр о н ов
мри их м еж м ол ек ул я р н ом п е р ен о с е от Н А Д д о 0 2 составл я ет *20 кД ж -м оль-1. Знак м и н у с озн ач ает, что п ер ен оси м ы е я -эл ек тр он ы
иф яю т в ды хател ь н ой ц еп и св ою эн ер ги ю . Н о он а тратится не п он а­
прасну. Л ьвиная доля (от 43% д о 60% ) и д ет на си н тез А Т Ф , в тепл о
преобразуется сравни тельн о н ебол ьш ая ее часть (1 5 -2 5 % ), а за счет
и гальной эн ер ги и р або т аю т си стем ы акти вного тр ан сп ор та в м иточо!три ал ьн ой м ем бр ан е.
С опоставляя ш калы в осстан ови тел ьн ы х п отен ц и ал ов комгш IIгитов си ст ем ф отоси н теза и ды хател ь н ой ц еп и , н етр у д н о убеди ть ся
246
Биофизики
в том, что солнечная энергия, конвертированная я-электронами при
фотосинтезе, затрачивается преимущественно на клеточное дыхание
(на синтез АТФ). За счет поглощения двух фотонов обеими фотосисте­
мами (ФС II и ФС I) я-электроны переносятся от Р680 до ферредокси
на, увеличивая свою свободную энергию примерно на 241 кДжмоль 1
Ее небольшая часть расходуется при переносе я-электронов в зеленых
растениях с ферредоксина на НАДФ+. В результате синтезируются вс
щества, которые затем становятся пищей для гетеротрофов и превра
щаются в субстраты клеточного дыхания. В начале дыхательной цепи
запас свободной энергии я-электронов составляет 220 кДжмоль1.
Значит, до этого энергия я-электронов, аккумулировавших солнечную
энергию, понизилась всего на 21 кДж моль-1. Следовательно, болсс
90% солнечной энергии, запасенной в зеленых растениях, доносится
возбужденными я-электронами до дыхательной цепи митохондрий
животных и человека.
.Конечным продуктом окислительно-восстановительных реак
ций в дыхательной цепи митохондрий является вода. В ходе биоло­
гического окисления у человека в покое за сутки образуется около
300 мл так называемой эндогенной воды окисления. При усилении
метаболизма образование эндогенной воды окисления усиливается
Ее объем определяется массой окисленных субстратов клеточного
дыхания: при окислении 100 г жира образуется примерно 100 мл во
ды, тогда как окисление 100 г белка и 100 г углеводов дает соответст­
венно 40 и 50 мл воды.
Вода обладает наименьшей свободной энергией из всех биоло­
гически важных молекул. Говорят, будто с водой организм выделяа
электроны, лишенные энергии в процессах жизнедеятельности. Ни
самом деле запас энергии в воде отнюдь не нулевой, но вся энергия
заключена в с-связях и не может быть использована для химических
превращений при температуре тела и других физико-химических па­
раметрах организма животных и человека. В этом смысле химиче­
скую активность воды принимают за точку отсчета (нулевой уровень)
на шкале биосферной химической активности, поскольку у воды сс
считают нулевой и утверждают, что «Н20 - mater et matrix жизни на
Земле», ибо она очень комфортная и совсем не агрессивная среда (ко-
/ пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
247
пыбель) для процессов жизнедеятельности. В таких рассуждениях,
правда, не учитывается высокая степень полярности молекул воды
п ряд других свойств, которые делают ее не такой уж безобидной.
Из всех биологически важных веществ вода обладает самым
иысоким ионизационным потенциалом (сри). Эта физическая величи­
на представляет собой энергию, необходимую для преодоления сил
притяжения электрона к ядру. Она измеряется в электронвольтах
( >В). Чем больше сри электронов, входящих в состав того или иного
тома или молекулы, тем ниже их реакционная способность, причем
иод ионизационным потенциалом многоэлектронной системы подра|умевают сритого ее электрона, у которого он наименьший.
Например, фиатома водорода совпадает с <риего единственно­
го электрона и равен 13 эВ. У всех молекул биосферы диапазон
ионизационных потенциалов разнится в пределах 1 эВ (между 11,3
н 12,56 эВ). Наибольшая из этих величин (12,56 эВ) присуща воде.
Энергия орбиталей - это энергия образующих их электронов.
Поэтому если у воды <ри= 12,56 эВ, а фи электрона, принадлежащего
какому-либо другому веществу, равен, допустим, 12 эВ, то энергия
его орбитали относительно воды составляет 0,56 эВ, что является копичественной мерой более высокой реакционной способности дан­
ного вещества по сравнению с водой.
Если принять фиводы за точку отсчета реакционной способно­
сти всей биосферы, то шкале ионизационных потенциалов будет со­
ответствовать шкала так называемых биопотенциалов - БП. Обе
шкалы изображены на рис. 3.39. Биопотенциал каждого органическо­
го вещества имеет вполне определенное биологическое значение он соответствует энергии, которая освобождается при окислении
данного соединения до воды, нулевой БП которой отображает самую
низкую реакционную способность Н20 из всех биомолекул.
Размерность БП на рис. 3.39 - это размерность свободной энерIпи соответствующих веществ (в ккал). При переходе от шкалы фи
к шкале БП нужно учитывать число Фарадея (F) и разность стандарт­
ных восстановительных потенциалов (A U) между редокс-парой дан­
ного вещества и редокс-парой 0 2/Н20 (U = +0,82 В): ДG = F AU. Поп ому у ферредоксина, у которого относительно воды AU = - 1,25 В
248
Биофизин*
О г ФWэВ
1
-
2
-
3-
<ри, эВ
БП, ккал
-4 0
4 5 6
11’06- - 3 0
-
7 -
8-
20
Ферредоксин
-Н А Д
- Рибофлавин
" Желтый фермент
Е0
- Аскорбиновая кислота
^ Цитохром с
9 10
-
-10
11 12 _ } Биосфера
1 2 ,5 6 -*-0 Вода
б)
Рис. 3.39. Шкалы ионизационных потенциалов ((pti) и биопотенциалов (БП). Леван
шкалална б - <р„ (эВ), свойственные биосфере, правая шкала на б - БП (ккал) ряда
биоорганинеских соединений. 1Нг0 - потенциал воды (12,56 эВ), принятый за нуле­
вой уровень БП, Ео - восстановительный потенциал водородного электрода отно
сительного кислородного электрода при полярографии (принимается
за нулевой уровень восстановительного потенциала (вещества, расположенные
на шкале Б П выше Ео, имеют отрицательный восстановительный потенциал,
а вещества, расположенные ниже Е0, - положительный U)
(так как U = - 0,43), БП достигает 28,8 ккал • моль-1, а у никотинна
мидадениндинуклеотида (НАД), у которого относительно воды AU 1,14 В (так как U = - 0,32 В), БП составляет 26,2 ккал • моль-1.
Электроны воды «оживляются» в процессе фотосинтеза, ПО'
полняя электронный фонд хлорофилла Р680 по мере потери им сво­
их л-электронов под действием Солнца, а клеточное дыхание снова
порождает воду, электроны которой не способны придать ей хими­
ческую активность в организме животных и человека. Этот круго­
оборот электронов называют «электронным чертовым колесом био
сферы»: от воды к жизни через фотосинтез и обратно к воде черст
клеточное дыхание. Только крутит электронное колесо биосферы не
черт, а Солнце.
Для окислительного фосфорилирования важна мембранная ор­
ганизация системы клеточного дыхания, обеспечивающая строгую
I ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
249
упорядоченность взаимного расположения молекул, образующих кагкад электрон-транспортной цепи и весь молекулярный ансамбль со­
пряжения процессов окисления и фосфорилирования. Реконструкция
чихательной цепи была безуспешной до тех пор, пока Э. Рэкер не доI«дался расположить ее компоненты (переносчики я-электронов)
и митохондриальной мембране асимметрично. На рис. 3.35 видно,
чго одни переносчики сосредоточены на наружной стороне внутрен­
ней митохондриальной мембраны, другие - на внутренней, третьи
(цитохромоксидаза) - пронизывают ее насквозь, а протонная помпа
(Г) не только «прошивает» всю мембрану, но и выступает в матрикс.
Иекторные структурно-топографические особенности молекулярной
организации внутренней мембраны митохондрий являются необхо­
димым условием для превращения энергии возбужденных я-электро­
нов в свободную энергию концевой фосфатной связи АТФ.
Электронные токи между молекулами ансамбля дыхательной
цепи могут, по мнению А. Сент-Дьердьи, обусловить полупроводни­
ковые свойства биологических систем, хотя до сих пор живые ткани
рассматриваются только как диэлектрики и проводники. Электро­
проводность связывают с ионами, входящими в состав биологиче­
ских электролитов. Электронная проводимость биологических сис|см не изучена.
Можно полагать, что поведение электронов в ансамблях моле­
кул, встроенных в биологические мембраны, имеет важные особенноI ги, связанные прежде всего с ограничением числа степеней свободы
н строго упорядоченной системе переноса. В электронике это прису­
ще так называемым системам пониженной размерности. Техниче­
ская реализация систем пониженной размерности в полупроводникомых гетероструктурах привела к развитию квантовомеханической
инженерии, обеспечившей значительный прогресс в информацион­
ных технологиях. Речь идет прежде всего об изобретении быстродей­
ствующего транзистора, без которого не было бы мобильной связи и
спутникового телевидения, о разработке технологии высокоэффекнншых фотоэлементов, обеспечившей производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей, о создании
полупроводникового лазера, который стал «иголкой» в CD-проигрыинIелях, рабочей частью лазерных принтеров, источником излучения
250
Биофизик *
в волоконно-оптических линиях связи. За решающий вклад в физику
полупроводниковых гетероструктур Ж. И. Алферов и Г. Кремер были
удостоены Нобелевской премии в 2000 г. Анализ работы элск1
рон-транспортных систем организма с позиций теории гетерострун
тур может оказаться полезным для открытия пока неизвестных мехи
низмов информационных процессов в биологических системах.
Вместе с тем существует мнение, что ферментные комплексы
дыхательной цепи свободно перемещаются во внутренней митохонд
риальной мембране с помощью латеральной диффузии. В таком слу
чае передача электронов от доноров к акцепторам - результат слу
чайных столкновений взаимодействующих молекул. Эта гипотеза
была сформулирована до разработки в физике теории межмолску
лярного переноса электронов. По мере развития этой теории остается
все меньше сторонников концепции электронного транспорта в ми
тохондриях, основанной на законах статистической физики. Струн
турная упорядоченность электрон-транспортной цепи митохондрии
является, по-видимому, одним из примеров построения «порядка ихаоса» (термин И.Р. Пригожина).
3.6.2.2. Сопряжение окисления и фосфорилирования
Кроме я-электронов, транспортируемых от молекулы к моле
куле по дыхательной цепи вдоль внутренней мембраны митохонд
рий, через нее (поперек) переносятся некоторые частицы: элементар
ные (протоны) и гораздо более крупные (молекулы АТФ, например)
Транспорт протонов обеспечивает сопряжение окисления и фосфо
рилирования. Важнейшая роль в этом процессе принадлежит Н-А’1
Фазе (протонной помпе), встроенной во внутреннюю митохондрии
льную мембрану.
За счет свободной энергии, выделяемой при транспорте по ДМ
пары электронов, образуются 3 молекулы АТФ. В так называемы *
стандартных условиях, когда концентрации АТФ, АДФ и ортоф<н
форной кислоты равны 1 моль • л-1, величину изменения свободной
энергии (AG) при гидролизе АТФ называют изменением стандарт
ной свободной энергии для данной реакции (ДС/°) - оно равно
31,4 кДж • моль-1. В других условиях AG отличается от AG°. Так, при
I /шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
251
концентрациях А Т Ф , А Д Ф и Н 3Р 0 4, св ой ств ен н ы х клеткам в ф и зи опогических усл о в и я х, эн ер ги я ги д р о л и за А Т Ф (рав н о как и эн ер ги я
синтеза А Т Ф и з А Д Ф и Н 3Р 0 4) м о ж ет дости гать 4 5 к Д ж • м оль-1.
Ч и сл о м ол ек ул А Т Ф , си н тези р ов ан н ы х при ок и сл ен и и т о го или
много вещ еств а, оп р едел я ется к ол и ч еств ом пар эл ек тр он ов , п оставл я ­
емых им в Д Ц . В ц ел ом в осст ан ов л ен и е 0 2 д о Н 20 м о ж ет бы ть п р ед с гавлено в в и де реакций: 0 2 + 4 Н —» 2 Н 20 или 0 2 + 4 Н + + 4е" 2 Н 20 .
Значи т, в Д Ц с п р ед ш ест в у ю щ и х этап ов р асщ еп л ен и я ор ган и ч е­
ских вещ еств в клетке дол ж н ы п оступ ать атом ы в о д о р о д а , я вл я ю щ и е1 н н еп оср едств ен н ы м и и сточ н и к ам и эл ек тр он ов , п ер ен о си м ы х по
ней. П о ут в ер ж д ен и ю А . С ен т-Д ь ер дь и , « в о д о р о д - эт о топ л и в о ж и з­
ни, и ни о д и н эл ек трон в ж и в ы х си ст ем а х н е сп о с о б е н двигаться, есл и
гго не со п р о в о ж д а ет в о д о р о д » . В конечном счете все субстраты кле­
точного дыхания поставляют в ДЦ протоны и электроны. О ни обр а |ую тся главны м обр а зо м при р асщ еп л ен и и воды , к атал и зи р уем ом
специальны м и ф ерм ен тн ы м и си стем ам и . С р еди н и х в аж нейш ая роль
н качестве п редвар и тел ь н ой стади и ок и сл и тел ь н ого ф осф ор и л и р о в апня п ри н адл еж и т так н азы ваем ом у циклу Кребса (см . рис. 3 .3 6 ). О т н ек) начинаю тся пути м н оги х би оси н тети ч еск и х п р о ц ессов (си н тез угл еиодов, ли п и дов, белк ов и д р у г и х сл ож н ы х ор ган и ч еск и х со ед и н ен и й ).
Имеете с тем он сл уж и т осн ов н ы м п оставщ и к ом эл ек тр он ов и п р о т о ­
нов на Н А Д +. В реакциях цикла К р еб са о б р а зу ю тся С 0 2, Н + и эл ек тр о­
ны, в осстан авл и ваю щ и е Н А Д + д о Н А Д • Н .
В к ур се б и о хи м и и цикл К р еб са и зуч а ется детал ь н о. З д есь сл ецует п одч ер к н уть его о сн о в н о е н азн а ч ен и е в к л еточ н ом ды хан и и , илш острируем ое таким п р и м ер ом . О к и сл ен и е о д н о й м ол ек ул ы п и р ови иоградной ки слоты б е з уч асти я в эт о й р еак ц и и ци кла К р еб са д а ет
I протона и 4 эл ек трон а, п е р ен о с к отор ы х п о Д Ц о б есп еч и в а ет си н тез
(i м олекул А Т Ф . П ри уч асти и цикла К р еб са в р асщ еп л ен и и м ол ек ул ы
пирувата ды хател ьная ц епь п ол у ч ает 10 п р о то н ов и 10 эл ек тр он ов , за
t чет ч его си н т ези р у ет 15 м ол ек ул А Т Ф . С л едов ател ьн о, о с н о в н о е наш ачение цикла К р еб са в к л еточ н ом ды хан и и со ст о и т в п ов ы ш ен и и
иы ход а св о б о д н о й эн ер ги и и з ор ган и ч еск и х со ед и н е н и й п у т ем каташпа расщ еп л ен и я воды для обр азов ан и я бол ь ш его к ол и ч еств а п р о т о ­
нов и эл ек тр он ов , п оставл я ем ы х д а л е е в Д Ц .
252
Биофизик»
Д л я п ол у ч ен и я о б щ ег о п р едстав л ен и я о зн ач и м ости окислите
л ь н ого ф осф ор и л и р ов ан и я в эн ер гет и ч еск ом о б есп еч ен и и организма
п о л езн о к ол и ч еств ен н о оц ен и ть си н т ез А Т Ф при р асщ еп л ен и и глю
козы . В н ей зак л ю ч ен а св о б о д н а я эн ер ги я в 2 8 7 9 к Д ж • м оль-1 (при
м ер н о 6 8 5 ккал • м ол ь-1). П ер в ой ст ади ей расщ еп л ен и я глю козы слу
ж и т гл и к оли з, в х о д е к о т ор ого каж дая м ол ек ул а р асп адается на дне
м ол ек ул ы п и р ов и н огр адн ой кислоты . П ри эт ом п отр ебл яю тся дне
и си н т ези р у ю т ся четы ре м ол ек ул ы А Т Ф . С ум м ар н о в резул ь тате про
вращ ения о д н о г о м оля гл ю к озы в п и руват ор ган и зм п ол у ч ает дв а мо
ля А Т Ф . П р о ц есс и д ет в анаэробных условиях. В от су тств и е кислоро
д а п и р ови н огр адн ая к и сл ота затем восстан авл и вается д о м олочной,
которая в ы водится и з ор ган и зм а. О гром н ая эн ерги я , заклю ченнан
в эт о м в ещ еств е, н е и сп ол ь зу ет ся ор ган и зм ом . Э ф ф ек ти в н ость испо
льзован и я эн ер ги и при а н а эр о б н о м гл и к ол и зе н и ч тож н а - ок ол о 2%,
В аэробных условиях 2 м ол ек ул ы п и р ов и н огр адн ой кислоты,
обр а зо в ав ш и еся при р а сп а д е м ол ек ул ы глю козы , н е восстанавлива
ю тся , а ок и сл я ю тся д а л е е д о С 0 2 с уч аст и ем цикла К р еб са и ды хате
л ь н ой ц еп и . В ци кл е К р еб са си н т ези р ую т ся ещ е 2 м олек улы АТФ
Д а л ее в Д Ц поставл я ю тся 12 пар эл ек тр он ов , н о дв е и з н и х поступа
ю т н е на Н А Д +, а ч ер ез Ф П н а к оф ер м ен т Q , обесп еч и в ая си н т о
д в у х , а н е т р ех м ол ек ул А Т Ф в р асч ете на пару электроном
(см . р и с. 3 .3 6 ). С л едов а тел ьн о, за сч ет тр ан сп ор та п о Д Ц эти х двух
пар эл ек тр он ов , м и н овав ш и х Н А Д +, си н тези р ую тся 4 молекулы
А Т Ф . О стальны е 10 пар эл ек тр он ов п ер ен ося тся п о Д Ц от Н А Д • II
д о 0 2, и за сч ет н и х си н т ези р у ю т ся 30 м ол ек ул А Т Ф .
В ц ел о м при ок и сл ен и и 1 м оля гл ю козы п р о и сх о д и т образова
н и е 38 м ол ей А Т Ф . Э ф ф ек ти в н ость и сп ол ьзован и я св о б о д н о й энер
гии при а эр о б н о м ок и сл ен и и гл ю к озы составл я ет при таком расчете
31,4 к Д ж м ол ь"1 -38
^ л/
ок ол о 42% : К П Д - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 100% « 42% .
2 8 7 9 к Д ж м оль 1
Э т о н и ж н яя гран и ц а в о зм ож н ы х зн ач ен и й . Е сл и ж е принять но
вн и м ан и е ф и зи ол оги ч еск и е к он ц ен тр ац и и разл ичн ы х ингредиентом
ок и сл ен и я и ф осф ор и л и р ов ан и я , то эн ер ги я ги др о л и за А Т Ф в клетке,
как у ж е гов ор и л ось , д о ст и га ет н е 3 1 ,4 , а 4 5 к Д ж • м оль-1, и эффектин
н ость и сп ол ь зов ан и я св о б о д н о й эн ер ги и при си н т езе А Т Ф в ходе
I пива 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
253
и ф о б н о го ок и сл ен и я гл ю к озы оц ен и в ается в 60% . В м ест е с т ем н е
моя остальная эн ерги я (40% ) р ассеи в ается в в и де тепла. М н о го эн ер I ии затрачи вает м и тохо н др и я на активны й т р ан сп ор т вещ еств ч ер ез
ос м ем браны , т. е. п р еобр азуется так ж е в о д и н и з в и дов п о л езн о й р а­
боты орган и зм а. В су м м е си н тез А Т Ф и тр ан см ем бр ан н ы й п ер ен о с
иеществ и сп ол ь зу ю т б о л ее 75% (д о 85% ) св о б о д н о й эн ер ги и , о с в о ­
бож даю щ и йся при би о л оги ч еск ом ок и сл ен и и глю козы .
П ри ок и сл ен и и ж и р ов о б р а зу ет ся бол ь ш е А Т Ф , ч ем при ок и сиении угл ев одов . Н ап ри м ер, ок и сл ен и е 1 м оля п ал ь м и ти н овой к и с­
лоты д а ет 129 м ол ей А Т Ф , н о на эт о у х о д и т г о р а зд о бол ь ш е к и сл о р о ­
да, чем на ок и сл ен и е гл ю козы . Ч тобы си н тези р ов ать 1 м оль А Т Ф
и м иок арде п о ср ед ств о м ок и сл ен и я ж и р н о й ки слоты н у ж н о затраIить на 17% к и сл ор ода бол ь ш е, ч ем в ан ал оги ч н ом п р о ц есс е с уч асш см глю козы . К П Д ок и сл и тел ь н ого ф осф ор и л и р ов ан и я при м ет а б о пизме ж и р ов зн ач и тел ьн о н и ж е, ч ем при м ет а б о л и зм е угл ев одов .
Ключевой проблемой окислительного фосфорилирования оста­
ется механизм сопряжения транспорта электронов поДЦ и фосфо1 >нлирования, т. е. синтеза АТФ, в митохондриях. К аким о б р а зо м
ш сргия, п ер ен оси м ая эл ек тр он ам и п о Д Ц , п р ео б р а зу ется в эн ер ги ю
нимических св я зей м акроэргов? Ч то является п о ср ед н и к о м так ого
преобразования? С у щ еств ую т 3 осн ов н ы е ги п о тезы соп р я ж ен и я
пкисления и ф осф ори л и рован и я: хи м и ч еск ая , м еха н охи м и ч еск ая , mi ю осм о ти ч еск ая .
С огл асн о п ер вой из н и х, п оср едн и к ам и м е ж д у п е р ен о с о м эл ек |ронов п о Д Ц и си н т езом А Т Ф сл уж ат н еи зв естн ы е п ок а хи м и ч еск и е
иещ ества, к отор ы е п р и н и м аю т на себ я в о зб у ж д ен н ы е эл ектроны
и затем п ер ен ося т и х на А Д Ф или о р т о ф о сф а т дл я си н т еза А Т Ф при
их взаи м одей стви и . П р едп осы л к ой химической ги п отезы яви лось о б ­
наруж ение таки х «п ерви чн ы х м ак р оэр гов » в п р о ц есс е си н т еза А Т Ф
при ан а эр об н ом гл и к оли зе. В м и т о х о н д р и я х н и ч его п о д о б н о г о н е наиши, хотя тщ ател ьн о искали. Х и м и ч еск ая ги п о теза стан ови тся в се
менее п оп ул яр н ой .
В со отв етств и и с механохимической ги п о т езо й п ер ен о с эл ек т­
ронов ды хател ьны м и ф ер м ен там и со зд а е т и х н ап р я ж ен н ую к о н ф о р ­
мацию, т. е. сж и м а ет м ол ек ул у ф ер м ен та н а п о д о б и е пруж и н ы . Д а л ее
ш сргия, нак оплен ная такой м ак р ом ол ек ул ой , п р едается в ф ор м е м е ­
х и
254
Биофизшл
ха н и ч еск о й д еф о р м а ц и и к ом п он ен та м п р о то н н ой пом п ы , образую
щ и м с ды хател ь н ы м и ф ер м ен там и п р оч н ы е ком плексы . П ри после
д у ю щ е м р ассл абл ен и и н ап р я ж ен н ы х м ол ек ул нак оплен ная ими
эн ер ги я и д е т на си н т ез А Т Ф . А в тор ы м еха н о х и м и ч еск о й гипотезы
в и дят п о д т в ер ж д е н и е е е осн о в н ы х п о л о ж ен и й в том , ч то п ер сти
эл ек тр он ов п о Д Ц со п р о в о ж д а ет ся деф ор м ац и я м и м итохондриали
н ы х крист. О дн ак о эти и зм ен ен и я п р о и сх о д я т д ов ол ь н о м едленно
Б ол ь ш и н ство и ссл ед о в а т ел ей сч и таю т и х н е п ри ч и н ой , а следствием
о к и сл и тел ь н ого ф осф ор и л и р ов ан и я .
О сн о в н о й п ост ул ат химиоосмотической ги п отезы состою
в том , что эн ер ги я , о св о б о ж д а ю щ а я ся при ок и сл ен и и , вначале накап
л и в ается в ф о р м е эл ек тр и ч еск ого и к он ц ен тр ац и он н ого градиентом
н а в н у т р ен н ей м ем б р а н е м и т о х о н д р и и , а у ж е он и непосредственно
о б есп еч и в а ю т п р ео д о л ен и е эн ер гет и ч еск о го барьера в реак ц и и фос
ф ори л и р ован и я А Д Ф : А Д Ф + Н 3Р 0 4 —> А Т Ф + Н 20 . Х и м и оосм оти ч с
ская ги п о теза со в р ем ен и со зд а н и я ее П . М и тч ел л ом в 1961 г. н е опро
в ер гн ут а н и о д н и м эк сп ер и м ен т ом , н о и н е п р и обр ел а вес»
н е о б х о д и м ы х п рям ы х док азател ьств. И в се ж е и з г о д а в г о д накапли
в аю тся аргум ен ты в ее п ол ь зу.
В а ж н о п одч ер к н уть , ч то П . М и тчел л со зд ал св о ю гипотезу,
п р ео д о л ев огр ан и ч ен н ость с у г у б о би о х и м и ч еск о го п о д х о д а к проблс
м е со п р я ж ен и я ок и сл ен и я и ф осф ор и л и р ован и я . О н о б ъ ед и н и л в хи
м и о о см о т и ч еск о й г и п о т езе и д е и б и о х и м и и и би оф и зи к и . П о образно
м у в ы р аж ен и ю В . П . С к ул ачева, в н есш его огром н ы й вклад в развили
эт о й ги п о тезы , би о хи м и к и д о П . М и тчел л а рассм атривал и биом ем б
р а н у в к ач еств е ш татива дл я п р о би р ок с ф ер м ен там и и полагали, буд
то он и д ей ст в у ю т тол ьк о н а е е п о в ер х н о ст и . П . М и тчелл «заглянул*
в гл убь в н ут р ен н ей м и т охо н ди р а л ь н о й м ем бран ы и уч ел н ар яду с хп
м и ч еск и м и ф и зи ч еск и е и ф и зи к о-хи м и ч еск и е п р о ц ессы , разыгрыва
ю щ и еся в н ей при т р ан сп ор т е эл ек тр он ов и п р отон ов . О н пон ял , чти
ок и сл и тел ь н ое ф о сф ор и л и р о в ан и е н е ч и сто би о хи м и ч еск и й , а элекз
р о б и о х и м и ч еск и й (ил и о см о б и о х и м и ч еск и й ) м ем бр ан н ы й процесс
П отен ц и альн ы й барьер в реак ц и и ф осф ор и л и р ован и я А Д Ф преодолс
вается за сч ет р аботы в н ут р ен н ей м и тохо н др и а л ь н о й м ем бран ы , ко
торая п р е о б р а зу е т п ер еп а д в осстан ов и тел ь н ого п отен ц и ал а м еж д\
начальны м и к он ечн ы м к ом п он ен та м и Д Ц в о см о ти ч еск у ю энергии!
»iwtie 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
255
флисмембранного градиента Н+-ионов и в электрическую энергию
|щнюсти потенциалов между цитозолем и митохондриальным мат­
риксом.
Основную идею гипотезы П. Митчелла подтверждает факт на­
рушения окислительного фосфорилирования при снижении разности
потенциалов на митохондриальной мембране и падении разности pH
между цитозолем и матриксом. Именно так действуют агенты, разоб­
щающие окисление и фосфорилирование. Будучи слабыми липофильШ.1МИ кислотами, они способны переносить протоны (Н+) через ли­
пидный каркас внутренней митохондриальной мембраны, минуя
^шал в Н-АТФазе. Важным аргументом в пользу химиоосмотической
ишотезы служат также экспериментальные данные о быстром заще'мчивании матрикса митохондрии и закислении окружающей их сре<11.1 при резком усилении клеточного дыхания. Следовательно, пере­
нос электронов по ДЦ сопровождается выходом из внутренней
митохондриальной мембраны ионов Н+ в цитозоль, а ОН- - в матрикс
митохондрии. Транспорт обоих ионов происходит вопреки действию
физико-химических градиентов, на что и затрачивается свободная
•мергия, выделяющаяся при окислении субстратов клеточного дыха­
ния. Поддержание определенного концентрационного градиента Н+
ни митохондриальной мембране - необходимое условие сопряжения
окисления и фосфорилирования, которое нарушается не только при
•то падении, но и при избыточном повышении. Во втором случае
фанспорт электронов по ДЦ тормозится, вплоть до полной останов­
ки, а на некоторых участках они идут вспять, создавая обратный элекфонный поток. По-видимому, в результате переноса электронов по
ДЦ во внутренней мембране митохондрии образуется не вода, а Н+
иОН-, которые благодаря векторным свойствам этой мембраны выдеииются из нее по разные стороны - в разные компартменты (матрикс и
межмембранное пространство) митохондрии (рис. 3.40). Вследствие
пысокой проницаемости наружной митохондриальной мембраны
11'-ионы легко выходят в цитозоль, создавая там более низкий pH, чем
и матриксе, куда протоны не могут проникнуть из-за крайне слабой
проницаемости внутренней митохондриальной мембраны для них.
Окисление концентрирует Н+в одном из компартментов, раздепенных митохондриальными мембранами, и, стало быть, совершает
256
Биофизики
Рис. 3.40. Модель механизма транспорта протонов через внутреннюю
митохондриальную мембрану
осм о т и ч еск у ю р а б о т у О см оти ч еск ая эн ер ги я накапливается в виде
гр ади ен та Н +-и он о в (п р о т о н н о го гр ади ен та) на этой м ем бр ан е. Один
акт в осстан ов л ен и я м ол ек ул ы 0 2 д о Н 20 п р и води т к в ы дел ен и ю 411
в ц и тозол ь и 4 О Н - в м атрик с. И збы тки и он ов п р о ти в оп ол ож н ого зна
ка п о о б е стор он ы м ем бр ан ы со зд а ю т на н ей р азн ость потенциалом
п ор ядк а 2 0 0 -2 5 0 м В , п р и ч ем м и тохон др и ал ь н ы й м атрикс приобрети
ет отри ц ател ьн ы й п отен ц и ал о т н оси тел ь н о ци тозоля. Так м и тохон д
рия нак апливает эл ек тр и ч еск ую эн ер ги ю . М и т охон д р и и , на м ем б р а т
к отор ы х п о д д ер ж и в а ет ся п ротон н ы й гр ади ен т, назы ваю тся энергизо
ванными.
Т аким о б р а зо м , эн ер ги я в о зб у ж д ен н ы х эл ек трон ов преобразу
ется на в н утр ен н ей м ем бр а н е м и т о х о н д р и и в о см о ти ч еск ую и элект
р и ч еск ую , в сл ед ст в и е ч его со зд а ет ся протондвижущая сила , которая
стр ем и тся о б есп еч и т ь т р ан см ем бр ан н ы й п ер ен о с Н +-и он о в для вы
равнивая и х к он ц ен тр ац и и в нутри и вн е м и т охо н др и и , н о эт о м у пре
п я тствует внутренн яя м и тохон др и ал ь н ая м ем бран а.
Т р ан сп ор т п р о то н ов , со зд а ю щ и й п ротон д в и ж у щ у ю си л у, реа
л и зу ю щ у ю ся затем при си н т езе А Т Ф , п р о и сх о д и т , в ероя тн о в 2 такта
1) Н +, п ок и н ув ш и й к ак ую -л и бо м ол ек ул у во в н утр ен н ей м ем бране
м и т о х о н д р и и п о д д ей ст в и ем эн ер ги и п ер ен оси м ы х эл ек тр он ов , выхо
д и т и з н е е в м еж м ем б р а н н о е п р остр ан ств о и дал ее в ци тозол ь; 2) ни
его м ест о п р и х о д и т Н + и з м атрикса. С л едовател ьн о, п ротон ы прохо
дя т м ем бр ан ы н е н аск в озь, а п ер едаю т ся п о эст аф ете - п о аналогии
I пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
257
с процессом в плазмолемме галобактерии, но с той разницей, что сво(мдную энергию на выброс Н+ галобактерии получают при непосред­
ственном поглощении фотонов, а митохондрии - от тс-электронов,
возбужденных Солнцем в молекуле хлорофилла и сохранивших воз­
бужденное состояние в биомолекулах (субстратах клеточного дыха­
ния), катаболизирующих в организме до атомарного водорода (про­
гона и электрона).
За счет энергии, выделяющейся в ходе биологического окисле­
ния, протоны выходят из компонентов внутренней митохондриаль­
ной мембраны в межмембранное пространство и далее в цитозоль,
преодолевая электрохимический потенциал. Вакансии, образовавши­
еся в химических веществах мембраны при отдаче Н+, заполняются
протонами из матрикса. При таком транспорте от Н+ отстают анионы
Iидроксила, в результате чего на митохондриальной мембране разоб­
щаются разноименные заряды (катионы и анионы), и между матрик­
сом и цитозолем формируется разность потенциалов.
Предполагают, что выход протонов из внутренней митохонд­
риальной мембраны в цитозоль происходит в трех участках дыхатеш.ной цепи: 1) между НАД • Н и коэнзимом Q; 2) между цитохромами
h и с7; 3) между цитохромом с и цитохромоксидазой (см. рис. 3.38).
Раньше эти участки считались пунктами синтеза АТФ, что и обозна­
чалось на схемах клеточного дыхания.
Современная схема окислительного фосфорилирования, про­
исходящего в митохондриях, изображена на рис. 3.41. Ее важнейшим
элементом, наряду с дыхательной цепью, является сложный молекунирный комплекс Н-АТФазы, которая здесь выполняет функцию
синтеза АТФ и поэтому называется Н-АТФсинтетазой (или Н-АТФсинтазой).
Состав, структурные и топографические свойства этого фер­
мента хорошо изучены (с разрешением в 0,28 нм). В нем выделили
дне части: 1) мембранную - гидрофобный белковый комплекс, обра|ующий канал для Н+ во внутренней митохондриальной мембране
(1;0) и 2) матричную - гидрофильный фактор сопряжения, выступаю­
щий из мембраны в матрикс. Весь фермент по своему строению покож на гриб, ножку которого образует F0, а сферическую головку I/
9843
258
Биофизш я
Рис. 3.41. Общая схема окислительного фосфорилирования
F,..3a успехи в изучении этого молекулярного комплекса Д. Уокеру
и П. Бойеру была присуждена в 1997 г. Нобелевская премия по хн
мии. В нобелевской речи П.Бойер заявил, что Н-АТФсинтетаза - сд
ва ли не самый красивый, необычный и важный из всех ферментом
организма. Ежесуточно он нарабатывает такое количество АТФ, ко
торое сопоставимо с массой тела взрослого человека. Ничто в соврс
менной технике не может сравниться с этой молекулярной машиной,
сочетающей недосягаемые технические показатели и эффективное п.
(например, КПД= 100%) с завораживающей красотой внешнего об
лика и работы. Познакомимся с этой пленительной своим изящеа
вом конструкцией.
Ферментный комплекс F, (рис. 3.42) состоит из 9 субъединиц
пяти типов: а, р, у, 5, е. В комплексе по три а- и Р-субъединицы и ни
одной у, 5, е. Каждая из а- и Р-субъединиц образует глобулярную
третичную структуру, и такие 6 глобул объединены в гексамер, кото
рый напоминает тороид (тело наподобие бублика), но с очень узким
отверстием внутри и мало отличающимися друг от друга размерами
высоты (8 нм) и ширины (10 нм).
В отверстии гексамера расположена у-субъединица, образован
ная двумя полипептидными цепями и похожая на изогнутый стер
жень длиной около 9 нм. Ее нижняя часть (3 нм) выступает из торой
I ппва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
259
Рис. 3.42. Схема расположения Н-АТФсинтетазы во внутренней
митохондриальной мембране. Пояснения в тексте
ци в сторону F0. Она, а также е-субъединица, будучи подвижными,
формируют своеобразный ротор, который может вращаться внутри
неподвижного гексамера, выполняющего функцию статора в этом
шектромоторе.
Мембранный комплекс F0 образован полипептидными субъецииицами трех типов: а, Ь, с. Молекулярная масса первой из них (гид­
рофобной) около 20 кДа, второй - примерно 30 кДа, третьей - от 6 до
11 кДа. В F0 входят одна я-субъединица, две 6-субъединицы, от 9 до
L! идентичных с-субъединиц. Полипептидная цепь я-субъединицы
имеет 6 спиральных участков, пересекающих внутреннюю митохондриильную мембрану. Первичная структура 6-субъединицы включает
один сравнительно короткий -спиральный участок, погруженный
иэту мембрану, а остальная часть выступает в сторону F, и закрепля­
йся за его 8-субъединицу. Что же касается с-субъединиц, то каждая
нI них состоит из двух гидрофобных я-спиралей, соединенных корот­
кой гидрофильной петлей, и напоминает шпильку. Все 9-12 таких
•шпилек» формируют единый ансамбль в форме цилиндра, погру­
женный во внутреннюю митохондриальную мембрану. Внутри этого
цилиндра располагается у-субъединица комплекса F, Она достаточно
прочно зацеплена, как полагают, за «шпильки» .
260
Биофизики
Комплексы F0 и F, связаны между собой неподвижным «крон
штейном», образованным а- и fe-субъединицами первого из ни*
и -субъединицей второго, и подвижной у-субъединицей (рис. 3.43)
Как уже говорилось, Н-АТФсинтетаза представляется электромото
ром. Его статор включает части обоих комплексов: F, (гексамер у\\
3 - и 3(3-субъединиц, а также -субъединицу) и F0 (а- и Ь-субъедини
цы). В состав ротора, диаметр которого составляет 1 нм, входят у
и е-субъединицы комплекса F, и цилиндр из с-субъединиц комплекса
F0. Идет спор о том, вращается этот цилиндр (как маховое колесо)
вместе со стержнем (у-субъединицей) и примыкающей к нему
8-субъединицей или нет.
Можно считать доказанным, что ферментативная активность
Н-АТФсинтетазы непосредственно связана с вращением ее у-субъе
диницы в полости гексамера. При таком повороте изменяется кон
формация всех трех каталитических (т. е. катализирующих реакцию
АДФ + Н3Р 04 -» АТФ + Н20 ) Р-субъединиц комплекса F„ что и обсс
печивает активирование фермента. Он работает как электромотор,
подвижная часть которого вращается при пропускании электриче­
ского тока через обмотку. В отличие от технических электромоторов,
в Н-АТФсинтетазе ток через обмотку статора обусловлен потоком не
электронов, а протонов. Движущей силой протонного электротоки
через канал в F0 служит разность электрохимических потенциалом
Н+-ионов на внутренней митохондриальной мембране. Поэтому ее
и называют протондвижущей силой. Она образуется за счет активно­
го транспорта протонов из мембраны в цитозоль - в сторону болсо
высокого электрохимического потенциала, т. е. вопреки сопряжен­
ному действию концентрационного и электрического градиентов,
Механизм трансмембранного переноса Н+-ионов, который обеспечи­
вается энергией возбужденных л-электронов при их движении от од­
ной редокс-пары электрон-транспортной цепи к другой, был рас­
смотрен выше. Такой источник энергии для систем активного
транспорта называют редокс-помпой.
В результате активного транспорта ионов водорода в межмембранное пространство и далее - в цитозоль pH цитозоля ниже, чем pH
митохондриального матрикса. Разность концентраций Н+-ионов меж-
I пива 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
261
Рис. 3.43. Упрощенная схема Н-АТФсинтетазы. Пояснения в тексте
ду цитозолем и матриксом может достигать трех порядков. Чем она
Польше, тем выше степень энергизованности митохондрий. В обыч­
ных условиях на мембранах дышащей митохондрии гепатоцита прокшдвижугцая сила (Ц;/ +) находится в линейной зависимости от изме­
нения свободной энергии при активном транспорте протонов (AG +).
Мели выразить протондвижущую силу в мВ, a AG + - в ккал • моль-1,
ю AGИ+ = -0,023 •р,/7 +. Приц/; + = 220 мВ изменение свободной энерIни при активном транспорте 3 протонов составляет 5,06 ккал • моль-1.
()днако даже очень большая протондвижущая сила не обеспечивает
синтез АТФ, если ее потенциальные возможности не будут реализова­
ны, т. е. если под действием протондвижущей силы Н+-ионы не станут
перемещаться из цитозоля в митохндриальный матрикс через протон­
ный канал в F0. Пока он закрыт, протондвижущая сила не реализуется.
Если Н+-ионы пойдут из цитозоля в матрикс не по каналу в F0,
ииначе, то АТФ не синтезируется даже при весьма интенсивном транс­
порте электронов по дыхательной цепи и обусловленным им выбросе
IГ-ионов в цитозоль (с закислением его). Такое состояние возникает не
юлько под действием искусственных протонофоров (например, ди­
нитрофенол, аспирин и другие слабые липофильные кислоты). Оно
имеет место в естественных условиях в так называемом буром жире.
' >га ткань присутствует у эмбрионов и новорожденных детей, а также
у животных, впадающих в зимнюю спячку. Во внутренних мембранах
262
Биофизики
митохондрий клеток бурого жира при охлаждении синтезируется осо
бый транспортный полипептид с молекулярной массой 32 кДа (естса
венный протонофор), который позволяет £Р-ионам свободно перехо
дить в сторону более низкого электрохимического потенциала in
цитозоля в митохондриальный матрикс, минуя канал F0. В результат
клетки бурого жира весьма интенсивно окисляют жир, но энергии
возбужденных я-электронов преобразуется преимущественно в тепло,
а не в химическую энергию синтеза АТФ. Это важный механизм защи
ты организма от переохлаждения во время зимней спячки.
Протонный канал в F0состоит из 2 частей (полуканалов), одна и i
которых находится около межмембранного пространства, где конце!i
трация Н+-ионов высока, а другая примыкает к матриксу. Между полу
каналами нет соосности. Главная роль в работе канала принадлежи!
аминокислотным остаткам а- и с-субъединиц F0, содержащим прото
нируемые карбоксильные группы, поскольку они способны взаимо
действовать с протонами и передавать их друг другу. В F0 такой спо
собностью обладают аспарагил, аргинил, гистидил и глютамил.
Предполагают, что сигналом к переходу протонного канала и i
закрытого в открытое состояние служит уменьшение в клетке вели
чины соотношения концентраций АТФ и АДФ, т. е. повышение со
держания АДФ и ортофосфорной кислоты. Это происходит при уси
ленном гидролизе АТФ, в результате чего возрастает потребное п.
в активизации его синтеза.
Как только протонный канал в F0 открывается, в него устрем
ляются ионы водорода из цитозоля - возникает протонный электри
ческий ток в «обмотках» молекулярного электромотора (Н-АТФсип
тетазы). Поток заряженных частиц (Н+) приводит в движение его
ротор (у-субъединицу комплекса F,). Заметим, что блокада движения
Н+-ионов через канал дициклокарбодиимидом, специфическим инги
битором аспарагила в с-субъединице комплекса F0,останавливай
вращение ротора, а вместе с ним и синтез АТФ, поскольку фосфори
лирование АДФ с образованием АТФ активизируется посредством
так называемого вращательного катализа (rotary catalysis). Вращс
ние у-субъединицы в статоре Н-АТФсинтетазы происходит скачками
(дискретно) с шагом в 120°. Для совершения ротором такого шага чс*
I /шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
263
рсз канал должны пройти 2-3 иона водорода. При каждом скачке
развивается усилие в 40 пиконьютонов и синтезируется 1 молекула
ЛТФ. Полный оборот ротора происходит за 3 скачка - при этом обра­
зуются 3 молекулы АТФ. Если сравнить механические силы, возни­
кающие при работе Н-АТФсинтетазы и актомиозинового комплекса,
го первая из них на порядок больше.
Таким образом, синтез АТФ связан не только с теми преобразонаниями энергии, которые постулировал П. Митчелл в своей химиоосмотической гипотезе. Цепь энергетических превращений включает
солнечную энергию, заключенную в л-электронах, участвующих
н химических связях многих органических веществ, осмотическую
шсргию переносимых Н+-ионов, электрическую энергию мембран­
ного потенциала в митохондриях, механическую энергию ротора,
мращающегося в статоре Н-АТФсинтетазы и накопление химической
шергии в концевой фосфатной связи АТФ.
Скорость работы Н-АТФсинтетазы зависит не только от вели­
чины протондвижущей силы, но и от концентрации субстратов син­
теза АТФ, т. е. от концентрации АДФ и Н3Р 0 4. По мере усиления на­
работки АТФ фермент снижает свою активность, тем более что при
его активной работе падает градиент Н+-ионов на митохондриальных
мембранах. Такая ситуация служит сигналом к повышению скорости
переноса электронов по электрон-транспортной цепи митохондрий.
( ледовательно, между биологическим окислением и фосфорилироманием при их сопряжении в митохондриях существует сложная сис­
тема обратных связей.
Протондвижущая сила на митохондриальных мембранах обес­
печивает не только фосфорилирование АДФ как таковой, но также
Iрансмембранный перенос ортофосфата из цитозоля в матрикс. Транс­
порт фосфата, а также пирувата через внутреннюю митохондриаль­
ную мембрану осуществляется посредством симпорта с Н+. Для Са2+
н мембране есть специальный транспортный белок, но он не работа­
ет, если падает трансмембранный электрический градиент, обычно
поддерживаемый выбросом Н+ в цитозоль. Только тогда в матриксе
(оздается отрицательный потенциал относительно цитозоля. Он-то
и притягивает к себе катионы кальция, а переносчик обеспечивает их
пассивный транспорт.
264
Биофизика
3.6.2.3.
Антипорт АТФ и АДФ
через митохондриальные мембраны
АТФ после синтеза в митохондрии покидает ее, выходя через
мембраны в цитозоль. В обратном направлении транспортируете и
АДФ, из которого синтезируются новые порции АТФ. Их антипорз
обеспечивается переносчиком. Важно отметить, что АТФ - четы
рех-, а АДФ - трехвалентные анионы. Их сопряженный транспорз
экономит энергию, поскольку перенос заряженных частиц - весь­
ма энергоемкий процесс, а встречное движение четырех- и трехза
рядных частиц одного знака равнозначно преодолению мембраны
однозарядной частицей. У человека оборачиваемость молекулы АТФ
на митохондриальной мембране составляет 103-104 раз в сутки,
В результате концентрация АТФ в 5-10 раз, превосходит содержание
АДФ в клетке.
Выйдя в цитозоль, АТФ взаимодействует с креатином (Кр),
в результате чего образуется креатинфосфат (КрФ) и АДФ (рис. 3.44),
АДФ транспортируется в митохондриальный матрикс в обмен на
АТФ, а КрФ мигрирует по цитозолю к тем частям клетки, где нужна
свободная энергия в данный момент. Там КрФ вступает в реакцию
с АДФ, продуктами которой служат АТФ и Кр. По мере надобности
АТФ гидролизуется и дает возбужденный ортофосфат для фосфорилирования и, благодаря этому, для энергизации функциональных
биомолекул, что позволяет им преодолеть потенциальный барьер ре­
акций, в которые они вступают. Креатин же мигрирует к митохонд­
рии, где вступает в реакцию с АТФ для повторения цикла. Как синтез,
так и распад креатинфосфата катализируется креатинфосфокиназой
(КФК). Эти данные были получены В. Н. Смирновым, который вмес­
те с Е.И. Чазовым и рядом других сотрудников был удостоен Ленин­
ской премии.
В курсе биохимии рассматриваются химические свойства всех
компонентов системы окислительного фосфорилирования, а также
реакции, идущие как в митохондриях, так и в цитозоле. Для глубоко­
го изучения этих вопросов необходимо учитывать биофизические ас­
пекты клеточного дыхания. Во-первых, клеточное дыхание непо­
средственно связано с наличием у биологически важных молекул,
/ пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
265
Митохондриальные
мембраны
Рис. 3.44. Схема транспорта АТФ через
митохондриальные мембраны и по цитоплазме
Кр - креатин, КФ К - креатинфосфокиназа, КрФ - креатинфосфат
участвующих в нем, коллективизированной системы л-электронов,
способных принимать и отдавать энергию. Во-вторых, перенос воз­
бужденных электронов по дыхательной цепи, сосредоточенной во
инутренней митохондриальной мембране и определенным образом
ориентированной в ней, осуществляется под действием перепада
носстановительного потенциала между редокс-парами: НАД+/НАДН
п 0 2/Н20 . В-третьих, электронный транспорт сопряжен с переносом
протонов из мембраны в цитозоль, вследствие чего на ней создаются
п поддерживаются концентрационный и электрический градиенты,
мыполняющие роль промежуточного звена (интермедианта) в энерге­
тических преобразованиях. В-четвертых, фосфорилирование АДФ
происходит за счет протондвижущей силы, которая обращает работу
протонной помпы (Н-АТФазы), делая ее генератором АТФ (Н-АТФсинтетазой). В-пятых, окислительное фосфорилирование протекает у
животных только на специализированной (сопрягающей) мембран­
ной системе, которая присуща митохондрии.
3.6.2.4. Законы биоэнергетики клетки
(по В. П. Скулачеву)
I закон. Живая клетка избегает использования энергии внеш­
них ресурсов для совершения полезной работы непосредственно.
266
Биофизикш
Прежде чем эта энергия будет использована (утилизирована)
клеткой, она должна превратиться в одну из 3 конвертируемых форм:
АТФ, протонный потенциал на мембране, натриевый потенциал на
мембране. Их можно уподобить валютам в экономических отношени­
ях. Продолжая подобную аналогию, можно сказать, что в энергетике
клетки нет бартера.
II закон. Любая живая клетка располагает, по меньшей мерс,
двумя (из трех перечисленных в первом законе) конвертируемыми
формами энергии: а) АТФ (в цитозоле), б) протонным или натрие­
вым потенциалом (в мембране).
Например, кишечная палочка (Е. coli) обычно использует вес
три конвертируемые формы энергии, но при низкой концентрации Н'
в окружающей щелочной среде переходит преимущественно на нат­
риевую энергетику. При этом содержание Na-K-АТФазы в плазмо­
лемме возрастает в 40 раз. Благодаря эффекту обращения Na-K-ATФаза работает как АТФсинтетаза. Так энергетические потребности
этой бактерии удовлетворяются двумя конвертируемыми формами:
натриевым потенциалом на плазмолемме и АТФ в цитозоле.
В клетках растений натриевый потенциал в обычных условиях
не вносит существенного вклада в энергетику. Она обеспечивается
АТФ и протонным потенциалом на тилакоидной мембране.
В клетках животных конвертированными формами энергии
служат АТФ в цитозоле и протонный потенциал на митохондриаль­
ной мембране.
III закон. Клетка способна удовлетворить все свои потребности
в энергии, если за счет внешних ресурсов, источником которых явля­
ется Солнце, образуется хотя бы одна из трех конвертируемых форм
энергии, поскольку из нее в клетке могут образовываться другие.
Например, морская бактерия Propinigenium modestus имеет
единственную конвертируемую форму энергии - натриевый потен­
циал на плазмолемме, но путем обращения K-Na-помпы возможен
синтез АТФ, вследствие чего клетка использует две формы энергии.
Заметим, кстати, что у морских бактерий доминирует натриевая энер­
гетика. Это не свойственно другим бактериям, а также клеткам расте­
ний и животных.
I пава 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
267
3.6.2.5. Прижизненная флуориметрия компонентов
дыхательной цепи
Для оценки клеточного дыхания существует несколько мето­
дов. Среди них преобладают биохимические. Остановимся на биофишческой методике прижизненной флуориметрии НАД • Н и окислен­
ных флавопротеидов (ФП), которая была предложена Бриттеном
Чансом в начале 60-х годов XX века.
Эта методика основана на способности НАД • Н и ФП люминссцировать при воздействии на них света. Важно, что для их флуо­
ресценции не нужны люминофоры. Поэтому такое свечение было нашано собственной флуоресценцией. Максимальная флуоресценция
11АД • Н приходится на X = 460 нм (синий свет) и, согласно правшу
Стокса, для ее возбуждения ткань нужно облучать светом с более
короткой длиной волны. Для этого используется ближний ультрафи­
олет (X = 365 нм). Максимальная флуоресценция ФП обнаружена на
X = 520-530 нм (желто-зеленая область спектра), причем это свече­
ние возникает также под влиянием ультрафиолета (к = 365 нм), хотя
более эффективно оно возбуждается синим светом.
Из сказанного следует, что освещенная ультрафиолетом (X =
365 нм) живая ткань дает свечение в видимой области. В нем пре­
обладает синий свет с примесью желто-зеленого. Для выделения по­
лос флуоресценции НАД • Н и ФП из смешанного света применяется
техника спектрального анализа. Основу монохроматора составляют
либо интерференционные светофильтры (в насадке ФМЭЛ-1), либо
дифракционная решетка (в насадке СФН-10).
На рис. 3.45 представлена схема одноволнового спектрофлуоримстра-микроскопа. Свет от ртутной лампы, из которого светофильтром
выделена полоса в области X = 365 нм, поступает через апак-иллюминатор на микроскопируемый объект и возбуждает в нем люминесценцию
НАД • Н и ФП. Их свечение улавливается объективом и направляется
н монохроматор (в данном случае СФН-10), который разлагает сме­
шанный свет в спектр. Излучение на каждой из длин волн, присутству­
ющих в спектре, направляется в фотоэлектронный умножитель, пре­
образуется им в электрический сигнал, усиливается и обрабатывается
компьютером, на экране которого наблюдается весь спектр флуорес-
268
Биофизиня
Рис. 3.45. Схема одноволнового микроспектрофлуориметра и спектры
собственной флуоресценции медуллярных химиорецепторов кошки в покое
(верхняя кривая) (1) и под действием кислотного раздражителя
(нижняя кривая) (2)
ценции исследуемой клетки. В нем измеряется интенсивность флуо
ресценции на X = 460 нм и на X = 530 нм. Первая отображает содержа
ние в клетке НАД • Н, а вторая - ФП. Еще раз отметим, что в этой
донорно-акцепторной паре донор 7С-электронов флуоресцирует в вое
становленной форме (НАД • Н), а акцептор - в окисленной (ФП). Есте
ственно, что в покое преобладают восстановленные формы (кривая I),
а при усилении окислительных процессов - окисленные (кривая 2).
Изменения метаболической активности хорошо отображает таи
называемый параметр равный отношению интенсивности свечении
ФП к НАД • Н. т. е. соотношению содержания окисленных и воссти
новленных компонентов дыхательной цепи в каждый момент времени
Этот параметр, величина которого прямо пропорциональна скорости
переноса электронов с НАД • Н на ФП, был предложен В.Н. Карнаухо­
вым и широко используется в наших исследованиях. Для точного
определения параметра ^ необходимо одномоментно (с точностью
порядка 1 мс) измерять интенсивности свечения и НАД • Н, и ФП
Одноволновая установка мало пригодна для этого. Поэтому в нашей
лаборатории был разработан двухволновой спектрофлуориметр
(рис. 3.46).
Он одномоментно выделяет из смешанного излучения клетки
флуоресценцию только на двух интересующих нас длинах волн (460
11шва 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
ФП0
269
НАДН
■5
О
Рис. 3.46. Схема двухволнового микроспектрофлуориметра и осциллограмма
параметра
и 530 нм) и разводит два луча к разным фотоэлектронным умножитенмм. На экране компьютера регистрируются три кривые, отображаю­
щие динамику свечения НАД • Н, ФП, а также изменения Заметим,
•по !;=—
где 1520 - интенсивность свечения ФП на А, = 520 нм,
* 460
1т - интенсивность свечения НАД • Н на X = 460 нм.
Флуориметрический анализ клеточного дыхания проведен
и нейронах, волокнах поперечно-полосатых и гладких мышц, кардиимиоцитах, эпителии кожи, слизистых оболочек органов желудоч­
но-кишечного тракта и дыхательных путей, в лейкоцитах, маргина­
льных клетках сосудистой полоски внутреннего уха, каротидных,
икусовых, обонятельных, медуллярных рецепторах. Оказалось, что
гпмым интенсивным клеточным дыханием у млекопитающих обла­
дают маргинальные клетки сосудистой полоски внутреннего уха.
Рис. 3.47 иллюстрирует соотношения флуоресценции НАД • Н и ФП
млюбой из исследованных тканей в покое, активном состоянии, при
ишемии, некрозе, озлокачествлении. На рис. 3.47 представлены
а обобщенном виде результаты нескольких тысяч экспериментов
и клинических наблюдений, проведенных многими сотрудниками
Иоснно-медицинской Академии. К представленным данным следует
добавить, что при воспалении изменения клеточного дыхания харак­
теризуются чередованием стадий угнетения и активизации, причем
270
Биофизим
Покой
Активное спокойствие
Ишемия
Злокачественная опухоль
Рис, 3,47, Соотношения флуоресценции Н А Д Н (левые столбики) и ФП
(правые столбики) в разных состояниях биологических тканей
зоны с активным и угнетенным дыханием со временем меняются ме­
стами, создавая картину динамичной мозаики.
Благодаря тому, что биоэнергетические процессы, по словам
И.М. Сеченова, составляют «дно жизни», их количественные флуориметрические показатели весьма информативны для интегральной оцен­
ки функционального состояния организма. Не случайно Н.Н. Савицкий
выводил должные величины минутных объемов дыхания и кровообра­
щения из параметров биоэнергетики. Уровень метаболизма служит, на
языке кибернетики, уставкой всем вегетативным процессам.
Параметр ^ стал в наших исследованиях высоко чувствитель­
ным индикатором реакций организма на различные воздействия
внешней среды: неионизирующие излучения (во всем диапазоне элек­
тромагнитного спектра) и токсические факторы (включая ксенобиоти­
ки). Наибольшей чувствительностью обладает методика исследова-
I пива 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
271
ним реакций клеточного дыхания на стандартный раздражитель,
предъявляемый на фоне действия изучаемого фактора внешней среды.
Прижизненная флуориметрия компонентов дыхательной цепи
митохондрий сделала клеточное дыхание объектом исследований
физиологов и клиницистов. Физиолог и специалист функциональной
диагностики приобрели возможность изучать все этапы дыхания,
и не два из трех.
Важной особенностью работ по флуориметрии живых тканей
•шляется возможность проводить ее in situ - в условиях нормальной
иннервации и хорошего кровоснабжения при минимальном травми­
ровании изучаемых тканей. Ради этого мы не ограничились прижиз­
ненной микроскопией и использовали эндоскопы-флуориметры. Они
послужили базой новых медицинских технологий, обеспечивающих
раннюю диагностику рака желудка и кишечника.
3.6.2.6. Новые диагностические технологии,
основанные на достижениях квантовой биофизики
(биоэлектроники)
В злокачественной опухоли, как установил О. Варбург, ана­
эробный гликолиз конкурирует с клеточным дыханием. Клеточное
дыхание в раковой клетке угнетено, причем ослабляется флуорес­
ценция и НАД • Н, и ФП, но ФП - в большей степени (рис. 3.47). При
эндоскопическом исследовании флуоресценции это видно даже на
глаз (рис. 3.48).
В конце 70-х годов XX века были созданы гастроскоп-флуоримстр (рис. 3.49) и колоноскоп-флуориметр, которые позволяют изме­
рять интенсивность свечения НАД • Н и ФП при обычных эндоско­
пических процедурах в амбулатории и стационаре.
Метод оказался весьма чувствительным и обеспечил раннюю
диагностику злокачественных заболеваний желудочно-кишечного
тракта. Результаты совместных работ с врачами терапевтической кли­
ники, возглавляемой тогда в Военно-медицинской Академии В. А. Ли­
совским, и с сотрудниками ГОИ изложены в книге «Люминесцентный
анализ в гастроэнтерологии», увидевшей свет в 1984 г
Кроме эндоскопов, разработаны интраоперационные люминес­
центные щупы (рис. 3.50), позволяющие измерить интенсивность
272
Биофиэинл
Рис. 3,48, Собственная флуоресценция шейки матки в норме и при патологии
1 - норма, 2 и 3 - переходные состояния (развитие патологического процесса),
4 - опухоль
Рис, 3,49. Принципиальная схема (а) и общий вид (б) гастроскопа-флуориметра
для исследования собственной флуоресценции живых тканей.
Обозначения: 1 - источник ультрафиолетового излучения, 2 и 11 - коллекторы,
3 и 4 -светофильтры для выделения возбуждающего излучения ( = 365 нм),
5 - кварцевый световод, 6 - гастроскоп, 7 - световод, 8 - объектив,
9 - осветительный световод для обычной гастроскопии, 1 0 - светофильтр,
1 2 -л а м п а накаливания, 13 - светоделитель, 1 4 -ли н за, 15 - световод,
1 6 -заслон ка, 17, 18, 20 - запирающие светофильтры, 1 9 - Ф Э У
i imn» 3. Квантовомеханические основы биоэнергетики
273
фпуоресценции НАД • Н и ФП в тех органах и тканях, которые до• Iуипы врачу при хирургических операциях (например, лимфатиче*кис узлы для выявления метастазов рака) и без них (например, ко­
ни») Щупы принесли большую пользу врачам при первичной
хирургической обработке огнестрельных ран и минно-взрывных
фивм, когда для экономной резекции тканей необходима оценка их
жизнеспособности.
Биофизические исследования и новые медицинские технолоIми, в которых применяется флуориметрическое изучение транспорhi электронов в молекулярных ансамблях живых клеток, хорошо
обеспечены метрологически. Прижизненная флуориметрия дает, кро-
Рис. 3.50. Микрофлуориметр двуволновой
для исследования клеточного дыхания у человека
I - лампа ртутная Д РШ 250-2, 2 - коллектор 4-х линзовый,
3 - кювета водная, 4 - светофильтр СЗС 24, 5 - светофильтр ЭФ С 6,
6 - объект, 7 - жгут волоконнооптический осветительный,
8 - жгут волоконнооптический воспринимающий,
9 - коллиматор, 1 0 - пластина светоделительная,
II —светофильтр запирающий для ФП, 12 —светофильтр
IN
9843
274
Биофит-
ме статических показателей, динамические характеристики биолои»
ческих систем, так как позволяет проводить функциональные про!»»
и исследовать зависимости типа «доза-эффект». Это обеспечим;», i
в клинике надежную диагностику заболеваний и вместе с тем служи»
инструментом экспериментального изучения интимных механизм»и
и патогенеза у больного, а не только на экспериментальных модели*
3.6.2.7. Новые лечебные технологии, основанные на
достижениях квантовой биофизики (биоэлектроники)
Достижения квантовой биофизики уже сейчас служат базой и»
только диагностических, но и лечебных технологий. Их реализации
опирается на тот факт, что акцепторы электронов служат эффектим
ными регуляторами клеточной активности, поскольку малейшие и\
менения содержания акцепторов электронов в клетке приводят к зп«
чительным сдвигам ее метаболизма. В частности, по утверждению Л
Сент-Дьердьи, «для остановки онкороста нужно непрерывно поддср
живать в клетке определенный уровень акцепторов электронов». Но
с одной стороны, жизнь не совместима с сильными акцепторами
электронов, а с другой стороны, перенос электронов со слабых дот»
ров на слабые акцепторы возможен только на свету, так как связан
с поглощением фотона, а этой способностью не обладают неокра
шенные вещества. Поскольку большинство веществ в организме и*
обладает цветом и почти все биохимические реакции темновые, жи
вые ткани вынуждены продуцировать не слабые и не сильные, а уме
ренные акцепторы электронов, причем делать это непрерывно, регу
лируя темп их наработки по мере надобности. Главным акцептором
электронов является карбонил, причем его активность может повы
шаться при увеличении фонда 7С-электронов. В дыхательной цепи
митохондрий конечный акцептор л-электронов - молекулярный кие
лород, поступающий в клетки из атмосферы благодаря внешнему
дыханию и кровообращению.
Однако для лечения многих заболеваний приходится использо
вать и другие экзогенные акцепторы электронов. К ним, очевидно,
относится препарат глутоксим, разработанный JI.A. Кожемякиным
Это лекарство, проникая в клетку, сохраняется в окисленном состоя
' ими 3. Квантовомеханические основы биоэнергет ики
275
мни несколько десятков минут и принимает на себя избыток электро•1п|». Глутоксим хорошо зарекомендовал себя в комплексной терапии
многих болезней, включая и рак.
Мощным акцептором электронов являются фуллерены - шаропНразные молекулы, состоящие из большого количества атомов угле­
рода. Их терапевтический эффект только начинает изучаться.
Все большее распространение находит фотодинамическая те­
рапия рака. Она основана на том, что в раковой клетке повышено соигржание порфиринов, а при внутривенном введении этих веществ
ими их предшественников раковые клетки насыщаются ими. Порфи|ншы избирательно поглощают излучение на А, = 620 нм. Такое излу­
чение дает лазер на парах золота. При подведении к опухоли низкошергетичных световых импульсов на этой длине волны (К = 620 нм)
раковые клетки погибают, а нормальные - преимущественно сохра­
ниются. Избирательное воздействие лазера обеспечивает лечебный
»ффект.
3.6.2.8. Экологические аспекты квантовой биофизики
Движение электронов в электрон-транспортных цепях пред11 лвляет собой электрический ток и потому может быть мишенью
внешних электромагнитных полей. ЭМП каких частот могут влиять
на межмолекулярный транспорт 71-электронов в дыхательной цепи?
Известно, что слабые электронные взаимодействия, энергия
3
которых меньше —кТ9происходящие с частотой, равной обратному
нремени химической реакции, связанной с переносом электронов,
могут обеспечить ее осуществление. По данным JI.A. Блюменфельда
и П.Г. Плешанова, время восстановления НАД* занимает 10,3 мс,
а обратная реакция - 2,5 мс.
Следовательно, характеристическая частота прямой реакции
около 15 Гц, а обратной - около 62 Гц. Результаты расчета сейчас
проверяются в нашей лаборатории в эксперименте с действием маг­
нитной составляющей низкочастотного ЭМП на перенос электронов
и митохондриях. О результатах опытов говорить еще рано, но факт
влияния магнитной составляющей ЭМП расчетных частот на переIN*
276
Биофиэчы
нос тс-электронов с НАД • Н на ФП можно считать установленным
На его основе стали понятнее данные шведских эпидемиолог^
о канцерогенном действии токов промышленной частоты, которог
они связывают именно с магнитной составляющей ЭМП.
Вместе с тем мишенью сверхнизкочастотных ЭМП могут бы i>
электрон-транспортные цепи не только митохондрий. Наше вними
ние давно привлекает система НАДФН-оксидазы, сосредоточению!
в плазматической мембране альвеолярных макрофагов. НАДФН-ок
сидаза образована каскадом молекул, каждая из которых является рс
докс-парой. В отличие от дыхательной цепи, здесь электроны идут Щ
парами, а поодиночке, и на выходе молекулярный кислород воссти
навливается не до воды, а до супероксида ( 0 2-). Эта активная форма
кислорода обеспечивает инактивацию частиц, поглощенных макро
фагами в ходе иммунных реакций. Как ослабление, так и усиленж
синтеза свободных радикалов, если эти сдвиги чрезмерны, чреват
многими неблагоприятными последствиями для организма, включай
нарушения иммунитета. Проникновение в механизмы этих нарушв
ний на электронном уровне организации биосферы может обеспечн 11
успех в предупреждении тяжких недугов. Очевидно, подобные меха
низмы повреждения биологических систем лежат в основе неблаго
приятного действия ЭМП не только на человека, но также на весь жи
вотный и растительный миры. Для изучения электрон-транспортпои
цепи, сосредоточенной в плазмолемме альвеолярных макрофагом
применяются не только флуоресцентный, но и биохимиолюминсч
центный анализы.
Глава 4. ЭЛЕК ТРОБИ ОЛО ГИ Я
4.1. Ионные равновесия
Генерация и распространение электрических потенциалов нужнейшее физическое явление в живых клетках и тканях, лежащее
и основе возбудимости, регуляции внутриклеточных процессов, ин­
формационных процессов в нервной системе, мышечного сокраще­
ния и других биологических явлений.
Изучение механизма возникновения клеточных биопотенцианон стало возможным прежде всего благодаря применению методов
клеточной электрофизиологии, в развитии которых важную роль
•играли:
• разработка техники микроэлектродных отведений,
• создание специальных усилителей биопотенциалов, обладаю­
щих высоким входным сопротивлением (до 1010 Ом), малой постоян­
ной времени (от 10 мс) и высокой чувствительностью (токи от 10~12А),
• выбор удачных объектов исследования, начиная от гигант1 кого аксона кальмара и гигантских нейронов пресноводных моллю­
сков и кончая разнообразными модельными мембранами.
Использование результатов электрофизиологических опытов
исочетании с физическим и математическим моделированием транс­
портных процессов лежит в основе современных теорий электрогепеза в клетках.
4.1.1. Электродиффузное уравнение Нернста-Планка
В покоящейся, нормально функционирующей живой клетке
мссгда имеется разность потенциалов между цитоплазмой и окружа­
ющей средой, называемая потенциалом покоя. Существование поюнциала покоя связано с неравенством концентрации ионов внутри
278
Биофил Ih i
клетки и в окружающей среде и неодинаковой проницаемостью клг
точных мембран для разных ионов.
Неравенство концентраций ионов во внутри- и внеклеточном
пространстве вызывает диффузию ионов из области высокой концом
трации в область низкой концентрации. Скорость диффузии завис и•
от градиента концентраций ионов и проницаемости мембраны для
них. Поскольку ионы - электрически заряженные частицы, а мембр!
на характеризуется определенной электрической емкостью, то зарм
ды накапливаются на ней. Это приводит к возникновению разнос!и
потенциалов на мембране и электрического поля в ее толще, чи»
в свою очередь порождает силы, действующие на все заряженные чи
стицы внутри мембраны.
Чтобы количественно оценить мембранный потенциал покоя
необходимо изучить движение ионов в результате диффузии и пол
действием электрического поля, а также вывести фундаментальны»
уравнения для описания этого движения ионов.
Диффузия возникает из-за наличия у молекул тепловой энср
гии и происходит в направлении уменьшения концентрации - пото*
направлен против градиента концентрации (в сторону более низкой
концентрации).
Количественно диффузия описывается законом Фика\
j d = -D V c ,
(4.1)
где с - концентрация некоторого вещества как функция прострой
ственных координат и
D - коэффициент пропорциональност
стоянная Фика, или коэффициент диффузии) Плотность потока /„
представляет собой число частиц (ионов), проходящих за единищ
времени через единичную площадку.
Ионы в растворе также подвержены диффузии. Поскольку ион
ные среды вне и внутри возбудимых клеток сильно различаются, диф
фузия неизбежно является важным фактором, определяющим трат
мембранный ток, по крайней мере для ионов, движущихся скво»
мембрану.
На ионы также действуют силы со стороны электрического по
ля. Интенсивность возникающего в результате этого потока ионом
279
I шив 4. Электробиология
мписит от подвижности ионов данного типа. Подвижность характе­
ризуется величиной и - дрейфовой скоростью, достигаемой под дей11 кием поля единичной напряженности. Если валентность иона обоишчить Z, то плотность ионного потока описывается формулой
(4.2)
Z
Уф - напряженность электрического поля, — - знак силы, дей-
Iде
I тующей на ион данного типа; знак положительный для положитеtiMio заряженных ионов (катионов) и отрицательный для отрицатель­
но заряженных ионов (анионов). Таким образом, выражение
Z
и—Уф дает среднюю скорость ионов. Выражение в правой части
уравнения (4.2) - это произведение концентрации иона на его ско­
рость. Оно дает поток ионов через единичную площадку. Обычно
шютность потока выражается в молях на единицу площади поверх­
ности за секунду. Сравнив уравнение (4.2) с законом Ома, подвиж­
ность и можно интерпретировать как величину, пропорциональную
удельной электропроводности. Ионная подвижность зависит от раз­
мера иона и его заряда. Существует связь между подвижностью
ионов и коэффициентом диффузии. Эта связь, найденная Эйнштей­
ном (и носящая его имя), описывается формулой
D=
uRT
(4.3)
Iде и - подвижность, Т - абсолютная температура, F - число Фараи'я, R - универсальная газовая постоянная. При наличии как диффуиюнных сил, так и сил электрического поля полная плотность ионов
намного вида равнаj =
j D+
ниеНернста-Планка:
j e.Урав
Биофиэиь
280
Уравнение (4.4) описывает плотность потока ионов данное
типа под действием диффузии и электрического тока. Обычно еди
ница измерения этой физической величины - моль на единицу гш
щади поверхности за единицу времени. Из плотности ионного пои
ка можно получить плотность электрического тока:
где J - плотность тока, выраженная в кулонах на м2 в секунл
(А • м"2).
Выражение для плотности тока можно записать и по-другому
Плотность электрического тока в электролите, возникающей'
результате движения иона под действием электрического поля п
пряженностью Е = -V(p согласно уравнению (4.6), равна:
J e =-u]Z]c.fV<p.
Верхний индекс е здесь означает, что ток обусловлен исключ'
тельно электрическим полем. Например, для КС1 полная плотное
тока записывается так:
•^кс/
(ик +мс;)
,
где учтены вклады в ток зарядов как от К+, так и от С1~ ; концент)
ции К+ и С\~ считаются равными сКС1 в предположении полной дисс
циации. Если учесть, что J = с Е , где а - эффективная удельная п)
водимость, из уравнения (4.8) следует, что
a = FcKc,(uK
Пусть через мембрану движется один тип ионов. Если поте
циал внутри мембраны меняется линейно в одном направлении, 1
281
1нняп 4. Электробиология
Уф =
, где Аф - разность потенциалов на мембране. Введем безАх
|м мерный потенциал
ф = "г г а Ф .
D
(4.10)
Подставляя (4.10) в (4.4), получаем
) = -D — - D — .
Ах
(4.11)
Введем новую переменную
, = I +£ i.
D Ах
(4.12)
Подставляя (4.12) в (4.11), находим :
t=~
dc
.
dx
(4.13)
Разделяя переменные в уравнении (4.13) и находя интегралы от
иной и правой частей, имеем
Ах
с 11М т
0
с1М *
(4.14)
•i*u cIM, c1IM- концентрации частиц в мембране у ее границы снару♦м п внутри клетки (рис. 4.1).
При постоянной плотности потока частиц через мембрану диф­
ференциал dt будет иметь вид dt = — dc.
Ах
Заменим пределы интегрирования в (4.14) и проинтегрируем:
Биофи.шы
282
Вне
Внутри
Рис. 4.1. Движение иона через поляризованную мембрану
(4.161
ф I '
ф
Следовательно:
(4.17)
Коэффициентом распределения вещества называется отношс
ние концентрации вещества в мембране у ее границы к концентрации
вещества в среде у границы с мембраной:
р = £ 1м = £пм ^
С1В
(418)
с нв
где с1В, с1|В- концентрации частиц в растворе у мембраны снаружи
и внутри клетки.
Подставив в (4.15) выражение (4.18), получим:
283
' имл 4. Электробиология
Введем понятие коэффициента проницаемости мембраны для
•шпиц:
Тогда для величины (4.19) получим :
(4.21)
Подставляя формулы (4.21) в (4.17) и находя из этого уравне­
нии плотность потока вещества, получаем
-
ф
(4.22)
Величина, обратная коэффициенту проницаемости, носит нашиние сопротивление потоку вещества
У наружной и внутренней стороны мембраны имеются примемОранные слои. В примембранных слоях концентрация снижена из-за
наличия малоподвижных интегрированных в мембрану белков. Кон­
центрация частиц в примембранных слоях внутри клетки уменьшает­
ся от значения с11Вдо значения с„ на толщине слоя / в а снаружи от зна­
чения с, до значения сшна толщине слоя / н(рис. 4.1).
Наружный и внутренний примембранные слои обладают со­
противлением потоку вещества Л, и Rlv Следовательно, общее сопро­
тивление потоку вещества и общий коэффициент проницаемости
R0 R[ + R U + R M »
(4.24)
(4.25)
Следовательно, формулы (4.21) и (4.22) примут вид :
284
Биофизчь
у = -Р 0ф с I-б Ф
,
(4.2ft)
j = Po (Cl ~ Cn )(4-27)
В норме наблюдается циркуляция межклеточной жидкости и
цитоплазмы клеток. Это понижает общее сопротивление потоку m
щества7?0 за счет уменьшения сопротивлений R{ и Rn . При некоторые
патологических процессах циркуляция может замедляться, что при
водит к увеличению i?0, уменьшению Р0 и соответственно снижении
плотности потока ионов j. Это ведет к снижению метаболизма клеток
4.1.2. Потенциал покоя. Потенциал Нернста
В-покое цитоплазма клеток организма проницаема для ионои
калия К+и плохо проницаема для других ионов. Эволюционно сложи
лось так, что внутри клетки ионов К+ значительно больше чем снару
жи. Именно эти ионы компенсируют заряд отрицательно заряжении*
остатков органических молекул, необходимых для функционируй
ния клетки.
Потенциал покоя - стационарная разность электрических по
тенциалов, регистрируемая между цитозолем и межклеточной срс
дой (интерстицием) в невозбужденном состоянии.
Клеточная мембрана обладает свойством избирательной про
ницаемости, т. е. ионы некоторых типов легко проходят сквозь мем(»
рану, в то время как ионы других сортов проходят с большим трудом
или совсем не проходят. Поскольку ионные составы внутри и ни»
клетки сильно различаются, имеет место начальное диффузионно»
движение ионов, результатом чего является накопление заряда на см
кости и как следствие возникновение электрического поля в мембри
не. Адекватным выражением для рассчета интенсивности массопсре
носа, включая и перенос электрических зарядов, через биологически»
мембраны являетея уравнение Нернста-Планка.
Начнем с рассмотрения концентрационного элемента. Концом
трационный элемент показан на рис. 4.2. Это система из двух отсеком
285
I irn a 4. Электробиология
P+
Q+
P+
Q"
II
Puc. 4,2. Концентрационный элемент
разделенных избирательно проницаемой мембраной. Предположим,
Чго концентрация некоторого иона Р+ в отсеке I превышает его кон­
центрацию в отсеке И. Мембрана непроницаема для другого иона Q".
Ион Р+будет диффундировать из I в II.
Диффузия ведет к накоплению положительного заряда в отсеке
II. Заряд, благодаря электростатическим силам, собирается на мемб|шпе справа и оставляет в отсеке I избыток отрицательного заряда (на
мембране слева). Это приводит к образованию электрического поля,
направленного от II к I и возрастающего по величине по мере диффун1и ионов Р+ из I в II. Возрастающее электрическое поле препятствуп диффузии до тех пор, пока не наступит равновесие.
При равновесии сила электрического поля (направленная влево)
и точности компенсирует диффузионную силу (направленную впраио). При этих условиях из уравнения (4.5) получаем
(4.28)
(4.29)
Предположим, что все величины изменяются линейно только в
идиом направлении. Обозначим эту координату х. Тогда уравнение
(■1.29) имеет вид:
dc _ _ ZcF d<p
dx
RT dx
Преобразование дает
(4.30)
286
Биофизики
(4 .3 li
Проинтегрируем (4.31) по толщине мембраны от отсека 1 до
отсека II:
II
7
<7 г ! II
tty .
RTi
J, -
(4.3-’ I
В результате получим
ZFг
In
л
(4.3И
М,
Разность потенциалов на мембране Vmравна
Мл
т “ Ф II - Ф
,
= —
ZF
I"
(4.3-II
U 4 ,
При комнатной температуре (Т = 25 °С) уравнение (4.34) сво
дится к выражению
Гга= ^ 1 п [ £ k мВ
Z
v W ./
(4.3'.
или
г г
58 - ' М л '
мВ.
т= Т
(4.3М
vW .y
Потенциал Нернста - это потенциал, при котором ион данио
го типа находится в равновесии с действующей на него диффузном
ной силой. Заметим, что в уравнениях (4.35) и (4.36) Vmпредставляй
собой оценку разности потенциалов между отсеком, концентрации
в котором входит в знаменатель, и отсеком, концентрация в котором
входит в числитель, для катионов.
287
I ппва 4. Электробиология
Для живых клеток трансмембранный потенциал принято опре­
делять как разность внутреннего и наружного потенциалов. Реально
через мембраны клеток наблюдаются в основном потоки ионов К+,
Na' и С1~, для которых имеем:
Кm = — f
In
' | к У
/
К
=Ф„ -Ф , = ^ 1 п
F
RT,
(4.37)
<0,
ч[к +]п /
[Na+ ],
(4.38)
>0,
[Na+]„
[СГ],
<0.
(4.39)
[Cl'],,
В нервных клетках теплокровных отношение
[К+] г _
= — . При[К+]„ 28
мммая температуру тела
Т= 310 °К и валентность ионов Z =
чием m V_= -9 0 мВ.
Принимая для нервных клеток теплокровных отношение
= 9,7,имеем F"al = + 6 0 мВ.
[Na+]j
Для хлора эта величина равна - 70 мВ. Именно эта величина
наиболее близка к суммарному равновесному потенциалу на мембра­
не или потенциалу покоя. Но потенциал на мембране определяется в
•нновном не ионами С1~, а ионами К+. Они стремятся диффундиро­
РП ,
вать из клетки, чтобы увеличить отношение
примерно до
[к+]„
1/14 и, следовательно, приблизить Vm к - 70 мВ. Сохранение суще1
Iнующего отношения ^ ^ * — обеспечивается работой системы
[К+]„ 28
•til Iивного транспорта (Na+-K +-Hacoca).
288
Биоф изик
Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма ►
десятичному, то для положительного одновалентного иона (Z =м I)
получим:
'[ £ ] /
~~Z
(4.4(1)
М,
Примем температуру Т = 300 °К, тогда — 23 =60 мВ.
Z
Согласно Бернштейну (1902, 1910), причина мембранного по
тенциала покоя - диффузия ионов калия из клетки наружу при пло
хой проницаемости плазмолеммы для высокомолекулярных анионом
(белков), образующих в цитозоле калиевые соли.
[с ]
• Примем в формуле Нернста
— —=100, что по порядку вели
м,
чины соответствует экспериментальным данным для калия (см
табл. 4.1):
Гс1
lg — —= lg 100=2, и мембранный потенциал Vm = 0,06 •2=0,12 И
[с],
= 120 мВ, что несколько больше модуля экспериментально измеренные
значений потенциала покоя, и, пользуясь формулами электростатики
оценим, какое количество ионов должно перейти из цитоплазмы но
внеклеточную среду, чтобы создать такую разность потенциалов. Ре
диус клетки г - 10 мкм= 10-5 м. Удельная электроемкость мембраны
(емкость на единицу площади) Суд = 10-2 Ф/м2. Площадь мембраны
4п ~ КГ9 м 2. Тогда емкость мембраны будет равна С = CyjyS = 10"11 Ф.
-
Абсолютная величина заряда каждого знака на поверхности
мембраны, если ее представить себе как конденсатор, ]q\ = СДф
-12
Я
Ю'12Кл
= 10 Кл,что соответствует —= —т
= 10 моль ионов.
J
F 10 Кл / моль
Изменение концентрации ионов в клетке вследствие выхода и»
клетки 10-17 моль ионов составит
289
I пава 4. Электробиология
Д с« 2 10
_3 МОЛЬ
литр
Это ничтожное изменение концентрации по сравнению с изме­
нением концентрации ионов калия внутри клетки (см. табл. 4.1), со• гавляет всего 10^% от концентрации калия внутри клетки. Для
приведенного выше примера можно показать, что равновесие обыч­
но достигается в результате перемещения относительно малого коли­
чества заряда. Как уже отмечалось, этот заряд скапливается на внеш­
них поверхностях разделяющей отсеки мембраны.
Можно считать, что в любой конечной области электролита
общая концентрация анионов равна общей концентрации катионов.
)го условие известно как условие электронейтральности. Электро­
нейтральность сохраняется потому, что любой нескомпенсированный заряд ведет к возникновению больших электростатических сил,
которые стремятся восстановить условие нулевого суммарного заря­
ди. Упомянутое выше движение заряда ввиду его относительной мапости не нарушает условия электронейтральности внутриклеточных
и внеклеточных электролитов нигде, за исключением тонкой области
молекулярных размеров вблизи мембраны.
Чтобы убедиться, что количество перенесенного заряда обыч­
но относительно мало, рассмотрим аксон радиусом 500 мкм. Полный
перемещенный заряд, соответствующий условию равновесия для ак­
сона длиной 1 см, равен Q =3,142-10"8 Кл при С =1 мкФ /см2 и V=
100 мВ (эти величины являются типичными).
При внутриклеточной концентрации калия 400 моль/л имеем
•96487=0303 Кл.
Таким образом, относительное истощение заряда составляет
иссго около Ю-17. Чтобы создать равновесный нернстовский мемб­
ранный потенциал, через мембрану должно пройти пренебрежимо
малое количество ионов по сравнению с общим их количеством
и клетке.
14
9843
290
Биофиытл
В табл. 4.1 приведены значения мембранного потенциала, pm
считанного по формуле Нернста для различных клеток и для разлим
ных ионов, и экспериментально полученные значения потенции ни
покоя для этих клеток.
Таблица 4 I
Содержание ионов IC, Na+, СГ,
равновесные потенциалы и потенциалы покоя некоторых клеток
О б ъ ект
вн.
Гигантский
аксон
Мышца
лягушки
V m, мВ
По ф орм ул е
Н ернста
Кон ц ен тр ац и я ,
м м ол ь/л
[К]
нар.
[Na]
вн.
нар.
вн.
[CI]
нар.
К*
N a+
СГ
V m>
Эксперим ен
360
10
70
420
160
500
-9 0
50
-3 0
-6 0
125
2,5
15
125
11
120
-9 8
60
-8 7
-9 4
Из сравнения рассчитанных и экспериментальных значении
мембранного потенциала видно, что потенциал покоя на самом дел»
ближе к потенциалу, рассчитанному по формуле Нернста для К'
Причина расхождения экспериментальных и теоретических значс
ний в том, что не учтена проницаемость мембраны для других ионон
4.1.3. Доннановское равновесие
и потенциал Доннана
Доннановское равновесие устанавливается между клеткой
и окружающей средой, если клеточная мембрана хорошо проницае­
ма для неорганических ионов, но непроницаема для белков, нукле­
иновых кислот и других крупных органических ионов. Наиболе-с
характерно равновесие Доннана для мертвых клеток или для кле­
ток с ослабленным метаболизмом. На рис. 4.3 мембрана отделяа
внутренний отсек II от наружного отсека I. Предполагается, что
мембрана проницаема для ионов калия и хлора, но непроницаем»
для крупных анионов (белков), сосредоточенных внутри клетки. Ес
ли предположить, что первоначально концентрации KCI по обе сто
291
I /шва 4. Электробиология
к+
А'
п
1
1
1
1
|
1
1
1
CI-
о
к+
I
Рис. 4.3. Ионная система из двух камер,
иллюстрирующая доннановское равновесие
|)<>ны мембраны были равны, то присутствие К+ и А- вносит возму­
щение в условие равновесия, так [К+]п > [К+]ь что ведет к диффузии
Калия наружу.
Вследствие выхода калия возникает электрическое поле, на­
правленное снаружи клетки внутрь. Это поле заставляет ион хлора
двигаться из отсека II в отсек I, что вместе с выходом калия порожда­
ем движение КС1 из левого в правый отсек на рис. 4.3. Действитель­
но, условие электронейтральности не допускает никаких крупномас­
штабных перемещений К+ без сопутствующего движения С1" . Поток
КС1 наружу со временем приводит к существенному перераспределе­
нию этих ионов и изменению их концентраций во внутри- и внеклеIочном отсеках.
Движение КС1 прекратится, когда система достигнет статиче1 кого равновесия, т. е. диффузионные силы и силы электрического
поля будут уравновешены как для К+, так и для С1~. Так как транс­
мембранные потенциалы (и связанные с ними электрические поля)
одинаковы для К+ и С1_, то потенциалы Нернста этих ионов (являю­
щиеся электрической мерой диффузионной силы) тоже должны быть
одинаковы (и равны общему трансмембранному потенциалу) при
равновесии. Следовательно, из уравнения (4.34) находим:
R T . [К+], 1 —у 01
R T . [С П , )
— In
m = - — In
F
F
lr c n „ J
Отсюда следует:
[К+], _[СГ]„
[K+]„
[СП ,
(4.42)
292
Биофизинз
Вначале [К+]п > [К+], и [С1“]п < [С1_], но со временем концентра
дня [К+]п уменьшается, а концентрация [С1~], увеличивается до уром
ней, когда выполняется (4.42). Это условие для находящихся в равно
весии ионов известно как доннановское равновесие.
Приведенное выше описание может быть обобщено на случай,
когда имеется более двух сортов ионов, проходящих через мембрану
Таким образом, в системе, состоящей из проходящих через мембрану
ионов К+, Na+ и С1~, все они будут иметь одинаковый потенциал Не
рнста, если
В П , _[С Г]„ _ [Na + ]„ _ г
[К+]„
[СГ],
[Na+],
и доннановский равновесный трансмембранный потенциал
ется выражением
DT
n r,
зада
(4.441
где величина г определяется уравнением (4.43).
В предположении электронейтральности окончательное pm
прёделение ионов К+ и С1~ в системе, представленной на рис. 4.3, ми
жет быть найдено из следующих условий равновесия:
[K.+]i = [Cl-]f.
(4.4М
В предположении, что А- одновалентен (хотя он обычно мни
говалентен), имеем:
[К+]„ = [С1-]„ + [А-].
(4.4ft)
Использование уравнения (4.42) дает для [К+]п квадратипг
уравнение, решением которого является
[К+ ]_ =
"
[А -] + ( [ А - ] 2 +4[К+]? У
Ь-------------------J —
2
гка+]
а- = г
[Na + ],
Отсюда, используя уравнение (4.41),получаем
(4.47)
293
I пава 4. Электробиология
RT [A -] + ( [ A - ] 2 +4[K+]? V
— In---------—
F
2[K+ ],
(4.48)
Анализ выражения (4.48) показывает, что потенциал будет ну­
левым, если [А-] = 0, и отрицательным при [А~] > 0. Укажем также
соотношения
[К+]„ > [К +],
(4.49)
[С1-]и + [А-] =[К+]П> [К+]( = [С1_] , ,
(4.50)
из которых следует неравенство
[кЧн^а-ь +СА-мкч. +т .
(4.51)
Таким образом, осмотическая концентрация в отсеке II превос­
ходит осмотическую концентрацию в отсеке I, и при наличии воз­
можности вода будет двигаться из I в И, изменяя концентрации и на­
рушая доннановское равновесие. Приток воды стремится разбавить
концентрацию А-, в результате чего равновесие смещается в направ­
лении уравнения внутри- н внеклеточной концентрации КС1.
Как подтверждают данные табл. 4.1, ионный состав, соответстиующий рис. 4.4, представляет собой более реалистическую модель
(люлогической системы, чем случай, представленный на рис. 4.3. Что­
бы полностью соответствовать биологическим условиям, внеклеточ­
ная концентрация NaCl должна быть высокой, как и внутриклеточная
концентрация К+ и А-, в то же время внеклеточная концентрация КС1
должна быть низкой. Если бы мембрана была непроницаемой для наIрия, то равновесие достигалось бы при выполнении условия (4.43),
г. с. имело бы место доннановское равновесие.
Такие условия могут возникнуть в случае, показанном на
рис. 4.4, при этом будет также удовлетворено и условие осмотичегкого равновесия. В исследованиях Бойла и Конвея мышцу лягушки
помещали в различные внеклеточные растворы КС1 и оставляли на
24 ч для достижения равновесия. Результаты показаны в табл. 4.2, из
которой видно, что уравнение (4.43) приближенно выполняется, если
| К'], > 10 ммоль/л.
294
Биофизинп
к+
Cl-
»
К+
СГ
к+
а-
!
Na+
СГ
II
I
Рис. 4.4. Двухкамерная система, моделирующая внутриклеточное и внеклеточное
пространство, разделенное биологической мембраной
Таблица 4.J
Равновесная внутриклеточная концентрация КС1 как функция
внеклеточной концентрации КС1 (ионная концентрация в ммоль/л)
[ к 4] ,[ с п ,
[К1,
[СП,
[К 1 „
[СП,,
6
82
92
7,2
[К 1 „ [с п „
0,74
12
88
101
9,9
1,05
0,98
18-
94
107
16,1
30
106
120
24,9
1,06
90
166
184
86,0
0,94
120
196
212
144,2
0,97
150
226
240
143,1
0,99
210
286
282
186,7
300
376
353
308,0
1,14
1,05
Хотя для натрия проницаемость в покое мала, она не равна ну
лю, как предполагалось выше, и возбудимые мембраны не достигаю!
доннановского равновесия. В то же время красная кровяная клетка
представляет собой систему, через мембрану которой свободно про
ходят и вода, и фактически анионы (но не белок), и ионы CI
и НОС~ близки к доннановскому равновесию.
4.1.4. Уравнение Гольдмана - Ходжкина - Катца
Трудность применения уравнения Нернста - Планка (4.4)
к биологической мембране (даже в случае одномерного ее описания)
состоит в том, что изменения величин с или ф внутри мембраны не
известны и зависят от существующих пространственных электричс
ских зарядов. Однако поскольку мембрана тонка, в качестве хорошс*
295
/ ипва 4. Электробиология
Рис. 4.5. Одномерная модель мембраны с линейным изменением
трансмембранного потенциала для вывода
уравнения Гольдмана - Ходжкина - Катца
го приближения можно взять линейный закон изменения ср внутри
мембраны.
Это предположение было использовано Гольдманом, чтобы
проинтегрировать уравнение Нернста - Планка. Проделаем это для
мембраны в стационарных условиях, например, для мембраны в со­
стоянии покоя. В одномерном случае, представленном на рис. 4.5,
нстационарных условиях имеем
</Ф_Ф(<О-Ф(0)_ vm
dx
d
d
(4.52)
где Vm - трансмембранный потенциал и
толщина мембраны.
Для простоты рассмотрим одновалентные катионы.
Поскольку V < p = ^ -, V c = — , из уравнения (4.4) получаем
dx
dx
для потока иона данного сорта через единицу площади поверхности
следующее выражение:
п Г dc
(4.53)
В частности, для иона калия при допущении постоянства поля
(4.53) получим:
296
Биоф изик»
dx
DK
RTd
(4.54)
Преобразование уравнения (4.53) дает
4 К1
(4.55)
Теперь произведем интегрирование по толщине мембраны oi
ее левого края (.х = 0) до правого края (х = d). Поскольку величина j K
постоянна в силу условия стационарности, а величина D K просто
предполагается постоянной, в левой части уравнения (4.56) перемен­
ной является ск(х). Следовательно,
(4.56)
Решение уравнения (4.57) относительно j Kдает
(4.57)
Концентрация калия в общей объемной среде связана с кон­
центрацией внутри мембраны через посредство коэффициентов рас­
пределения (3. В уравнении (4.58) имеются ввиду внутримембранныс
концентрации. Предполагается, что коэффициенты Р на обеих по­
верхностях раздела одинаковы. Следовательно, если обозначим ин­
дексом «0» поверхность мембраны, контактирующую с внутрикле­
точным пространством, а индексом d - поверхность в контакте
с внеклеточной средой (см. рис. 4.5), то
297
I пава 4. Электробиология
[K* L = e 4 K* ],-[K* L ^ [ K*]„-
<458>
где
[К+] - концентрация калия в общей объемной среде.
Учитывая, что Jk = / (/к) и введя определение проницаемости
для калия Рк как
d
(4.59)
in уравнения (4.58) находим:
(4.60)
Здесь индексы I и II относятся соответственно к вне- и внутриклеточ­
ной концентрациям.
Аналогичные выражения можно получить для JNaи Ja - плотно­
стей натриевого и хлорного токов, которые вместе с калиевым играют
важную роль в функционировании биологических мембран. Выраже­
ние для Ja несколько отличается, поскольку речь идет об анионе. Пол­
ная плотность ионного тока равна сумме отдельных ионных компо­
нент, т. е.
(4.61)
Уравнение (4.61) можно переписать в виде
(4.62)
где
«■“ W , ■ ф м , + ~ - [ с 1 ]
(4.63)
298
Биоф изики
->" = [K] „ +:F
- [ Na] „ + l N
cl],* К
К
<4'61"
В общем случае биологическая мембрана не может быть
в равновесии для всех ионов. Если вычислить потенциалы Нернсти
для К , Na, C l при их обычных концентрациях, то полученные вели
чины окажутся различными. Таким образом, никакой трансмемб
ранный потенциал не может одновременно уравновесить все ионы
Условие покоя может быть охарактеризовано только как стационар
дУ
ное состояние ( - т- =0). При этом требуется выполнение равенст
Ыва J = 0 и подразумевается, что w - y e RT =0. Последнее условие по
зволяет найти решение для трансмембранного потенциала покоя
UL w
e RT = - ,
RT. w RT,
Vm = — In — = — In ^ Г ] , + ^ № +] , + Р С1[С11„
F
у
F
L ^ [ K +]„ +РШ[Na+]„ +Pa [CГ],
(4.65)
. (4.66)
Уравнение (4.66) называется уравнением Гольдмана -Ходжки
на -Катца. Будем применять его как к невозбудимой, так и к возбу­
димой мембране, но лишь при условии, что У = 0 .
В случае, когда проницаемость мембраны для ионов натрия
и хлора значительно меньше проницаемости для калия Рш <
и Рс\< Лс, из этого уравнения получим уравнение Нернста для мем­
бранного потенциала покоя:
Vm = - ^ l n ^ L .
F
[К+ ],
(4.67)
Таким образом, уравнение Нернста - частный случай уравне­
ния Гольдмана —Ходжкина - Катца. Мембранный потенциал, рассчи-
I iшва 4. Электробиология
299
шпный по этому уравнению, ближе к его экспериментальным значе­
ниям в крупных клетках. И формула Нернста, и уравнение Гольдмана
не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличия
и мембранах электрогенных (вызывающих разделение зарядов, а сле­
довательно, и возникновение разности потенциалов) ионных насосов,
играющих важную роль в поддержании ионного равновесия в мелких
клетках. С учетом работы электрогенных ионных насосов для мемб­
ранного потенциала было получено
уравнен:
mPK[K+], +/>Na[Na+],
р
(4.68)
mPK[K+]n + P Na[Na+]n
где т - отношение количества ионов натрия к количеству ионов ка­
дия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего
Na+-K+-АТФаза работает в режиме, когда т = 3/2; т всегда больше 1.
(Нет ионных насосов, перекачивающих С1~, поэтому в уравнении То­
маса отсутствуют члены
Коэффициент т > 1 усиливает вклад градиента концентрации
калия в создание мембранного потенциала, поэтому мембранный по­
тенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсолютной величине,
чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольдману, и дает сов­
падение с экспериментальными значениями для мелких клеток.
Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы
Ыа+-К+-АТФазы приводят к уменьшению Vm, в этом случае мембран­
ный потенциал лучше описывается уравнением Гольдмана.
В создании потенциала покоя роль иона хлора по сравнению
с ролью иона калия представляется второстепенной. Это связано
с тем, что внутриклеточная концентрация хлора очень мала и при
малом притоке или оттоке ионов подвергается большим относитель­
ным изменениям хлора (для калия дело обстоит иначе). Следовате­
льно, можно ожидать, что движения иона хлора будут приводить
его концентрации по обе стороны мембраны в соответствие с прак­
тически фиксированным отношением концентраций нона калия,
т. е. будут направлены на выравнивание потенциалов Нернста. Два
отношения ионных концентраций согласуются друг с другом, если
300
Биоф изика
К+
CI-
а
А
Вне клетки
Мембрана^
Внутри клетки
Na+
Рис. 4.6. Направление ионных потоков в мембране
[К+]п [С1"]п = [К+], [С1_]1? что одновременно является условием доннановского равновесия.
Связь трансмембранного потенциала покоя Vm с внеклеточной
концентрацией калия экспериментально исследовали Ходжкин и Хорович. Эта связь воспроизводится на рис. 4.7. Заметим, что для
[K+]t > 10 ммоль/л существует линейная зависимость Vm от логариф­
ма [К+]„ как и предсказывает уравнение Нернста для калия (4.69).
Для [К*], < 1 0 ммоль/л отмечено расхождение между экспери­
ментом и расчетами по уравнению (4.35). Его можно объяснить, обра­
тившись к уравнению Гольдмана (4.66) в предположении, что ионы
хлора находятся в равновесии или отсутствуют (рис. 4.6). В этом слу­
чае имеем
RT
[ К + ] , + g [N a + ],
р
7пРк [ К + ]„ + a [ N a + ]„
где а = ——
(4.69)
Если а = 0, то как и можно было ожидать, (4.69) сводится
к (4.37). Более реалистическим значением а является 0,01. Учитывая
это и данные табл. 4.1 при анализе уравнения (4.69), можно показать,
что величина [Na+], /[К+], < 20 (заметим, что величина [Na+]„, очевид­
но, пренебрежимо мала). Тем не менее, если [К+], < 1 0 ммоль/л, дан­
ное упрощение перестает быть приемлемым, и в соответствии
с (4.69) вклад [Na+], в потенциал покоя необходимо учитывать. Резу­
льтат показан на рис. 4.7. Кривая, построенная по уравнению (4.69),
согласуется с экспериментальными данными достаточно хорошо да­
же при [К+], < 1 0 ммоль/л.
11шва 4. Электробиология
301
Рис, 4,7, Влияние внеклеточной концентрации иона калия по оси абсцисс
на мембранный потенциал (по оси ординат) изолированного волокна
мышцы лягушки. Внеклеточные растворы не содержали хлора,
главным анионом был сульфат
Экспериментальные исследования поведения хлора в состоя­
нии покоя возбудимой клетки предприняли Ходжкин и Хорович. Пре­
парат мышцы лягушки был помещен в нормальную внеклеточную
среду с [К+], = 2,5 ммоль/л и [О -^ = 120 ммоль/л. Внутриклеточная
концентрация калия была равна [К+]„ = 140 ммоль/л, внутриклеточ­
ная концентрация хлора [С1_]х= 24 ммоль/л, и потенциал покоя был
равен номинальному равновесному потенциалу для хлора - 98,5 мВ.
Если в момент времени t = 0 быстро уменьшали внеклеточную
концентрацию хлора до 30 ммоль/л (рис. 4.8), то результатом было
увеличение V^ на 58 Igfl20/3i0) = 34,9 мВ, так что величина V®
возрастала от - 98,5 до - 63,6 мВ. Экспериментально было установпсно, что мембранный потенциал возрос до - 77 мВ (рис. 4.8). (Заме­
тим, что эта величина лежит между V™ « - 98,5мВ и V^1 = - 63 мВ.)
После уменьшения внеклеточной концентрации хлора возни­
кает поток С1“ наружу, обусловленный электрическим полем, кото­
рое более не компенсируется диффузией внутрь, и это вызывает уве­
личение Vm. В результате увеличения направленного наружу
электрического поля ионы К+ движутся наружу, вызывая отток КС1
302
Биофизики
2,5 ммоль
120 ммоль
CI -----,
30 ммоль
120 ммоль
-К
CI
V, мВ
-6 0
-7 0
-8 0
-9 0
-100
-110
-120
J _______ I______ I______ I______ I_______I______ L
10
15
20
25
30
t. мин
Рис. 4.8. Влияние внезапного уменьшения внеклеточной концентрации хлора
на мембранный потенциал изолированного волокна мышцы лягушки
из клетки. Фактически, как видим, лишь очень малый поток одном*
иона может иметь место без возникновения дополнительных (уран
новешивающих) полей. Иллюстрацией этого положения может слу
жить наблюдаемый здесь поток, который по существу электроном
трален, с равными количествами ионов калия и хлора.
Чтобы установились равные потоки калия и хлора, силы, дсп
ствующие на каждый из ионов, должны быть обратно пропорциона
льны проводимостям. Таким образом, поскольку A V * =(98,5-77)
движущая сила для калия (разность между Vm и V* при / = 0),
а АК^1 - { 1 1 - 63,6)- движущая сила для хлора (Vm- V® ), то для про
стоты полагаем, что
„ АГтк . (77-63,6)
gCI
98 ,6 -7 7
(4.70)
’ •
Результатом оттока КС1 является очень слабое уменынениг
концентрации [К+]и (от 140 до 138 ммоль/л) и, следовательно, очень
небольшое изменение
Тем не менее, концентрация [С1"]„ подвср
гается большому относительному изменению В конце концов (при
мерно за 15 мин) V™ уменьшается до уровня, определяемого величи
ной V * (по мере того как [С1_], уменьшается из-за оттока хлора).
пава 4. Электробиология
303
Если предположить, что значение V = - 98,5 мВ и остается
неизменным, концентрация [С1~]„ должна упасть в 4 раза, чтобы ком­
пенсировать уменьшение [С1-], в 4 раза (от 120 до 30 ммоль/л). Это
равновесие достигается, когда [С1~]„ падает до 0,6 ммоль/л с началь­
ного уровня 2,4 ммоль/л - снижение на 1,8 ммоль/л. Таким образом,
шток КС1 составляет 1,8 ммоль/л, тогда как внутриклеточная кон­
центрация калия уменьшается от 140 до 138 ммоль/л, что, как уже от­
мечалось, пренебрежимо мало влияет на
. Следовательно, оказы­
вается, что и, в самом деле, хлор подстраивается к изменившимся
условиям и остается в равновесии, а задание уровня потенциала по­
коя приходится на долю калия.
Почему считается, что выход 1,8 ммоль/л не влияет на значе­
ние [К+],. Потому, что внеклеточное пространство содержит очень
большой объем электролита, и выходящие ионы оказывают лишь
слабое влияние на общую концентрацию в этом пространстве. Боль­
шой внеклеточный объем резко отличается от ограниченного внут­
риклеточного пространства.
4.2 . Потенциал действия
4.2.1. Происхождение и характеристики
потенциала действия
При возбуждении нервных и мышечных клеток между внут­
риклеточной средой и межклеточной жидкостью возникает измене­
ние мембранного потенциала, называемое потенциалом действия
(рис. 4.9). Трансмембранный потенциал действия, показанный на
рис. 4.9, типичен для потенциалов, наблюдаемых в эксперименте на
нерве и мышце (хотя и существуют отличия в некоторых деталях).
Но всех случаях в покое мембрана имеет отрицательный потенциал
н пределах 60-100 мВ. Процесс активации вызывает внезапное и бы­
строе увеличение этого потенциала с изменением полярности до пи­
ковых значений, достигающих 40 мВ.
После активации следует фаза реполяризации, восстанавливаю­
щая состояние покоя. Потенциал, однако, может на некоторое время
Ш.1ЙТИна гиперполяризационный или деполяризационный, по сравне­
304
Биофизика
Овершут
+40мВ
Фаза нарастания
Фаза спада
Деполяризационный след
Подножие
—бОмВ
Гиперполяризационный след
Рис. 4.9. а, б, в - виды потенциалов действия, г - терминология, применяемая
для описания потенциала действия и сопровождающих его следовых потенциалап
нию с потенциалом покоя, уровень. Эти следовые потенциалы, пока
занные на рис. 4.9, могут присутствовать или отсутствовать, причем и
первом случае обычно можно наблюдать только один из них.
Потенциалом действия (ПД) называется электрический им
пульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембра
ны. С ним связано распространение по нервам и мышцам волны во *
буждения.
Опыты по исследованию потенциала действия вначале были
проведены на гигантских аксонах кальмара при помощи микроэлек i
родов с использованием высокоомных измерителей напряжения,
а также методом меченых атомов. На рис. 4.10 показаны схема опы
тов и результаты исследований.
В опытах по исследованию потенциала действия использовали
три микроэлектрода, введенных в аксон. На микроэлектрод Э1 пода
ется импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импу
льсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал
305
I пива 4. Электробиология
a)
Vi
~LT
V2
/
А.
V3
1ч/
At
Puc. 4.10. Исследование потенциала действия
а - схема опыта; б - потенциал действия (V" - потенциал покоя,
- потенциал реверсии, V* - амплитуда потенциала действия,
У Г ~ пороговый потенциал). Г - генератор, Э - электрод,
'Ю - заземленный электрод, У - усилитель, О —осциллограф, Н - нервное волокно
Л) - 9843
306
Биоф изика
измеряется при помощи второго Э2 и третьего ЭЗ микроэлектродон
высокоомным регистратором напряжения О.
Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время сме
щение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанан
ливается потенциал покоя. В том случае, когда возбуждающий импульс
смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается ги­
перполяризацией мембраны. Также не формируется потенциал дейст­
вия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризую­
щий), но его амплитуда меньше порогового значения V"op. Однако,
если амплитуда положительного деполяризующего импульса окажется
больше значения V™p, то Vm становится больше V™p и в мембране
развивается процесс, в результате которого происходит резкое повыше­
ние мембранного потенциала и мембранный потенциал Vm даже меняет
свой знак - становится положительным (рис. 4.10, б).
Достигнув некоторого положительного значения V pcH- потен­
циала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению
потенциала покоя Vn", совершив нечто вроде затухающего колеба­
ния. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потен­
циала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс). По­
сле снятия возбуждения еще в течение 1-3 мс в мембране
наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мем­
брана рефрактерна (невозбудима).
Новый деполяризующий потенциал Vm> V ™р может вызвать
образование нового потенциала действия только после возвращения
мембраны в состояние покоя, причем амплитуда потенциала действия:
К = \ К \ +УГ
(4-71)
не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала (если только
Vm > V™p). Если в покое мембрана поляризована (потенциал цито­
плазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде), то при
возбуждении происходит деполяризация мембраны (потенциал внут­
ри клетки положителен), и после снятия возбуждения происходит ре­
поляризация мембраны.
Как было указано выше, ответ в возбудимых мембранах не воз­
никает, пока стимул не достигнет некоторого уровня, называемого
I пива 4. Электробиология
307
пороговым потенциалом. Для всех надпороговых стимулов, прило­
женных к клетке, потенциалы действия одинаковы
Чтобы стимулирующий ток возбудил мембрану, он должен иметь
достаточно большую интенсивность и нужную полярность, причем
стимулирующий импульс должен также иметь достаточную длитель­
ность.
Ответы трансмебранного потенциала на импульсы стимулиру­
ющего тока для аксона краба показаны на рис. 4.11. Здесь за нулевой,
или опорный, потенциал принят потенциал покоя. Отмеченная на ри­
сунке длительность стимулирующего импульса поддерживалась не­
изменной, в то время как его амплитуда и знак изменялись.
О стимуле, который заставляет трансмембранный (внутрикле­
точный минус) потенциал становиться более отрицательным, чем он
был в покое, говорят, что он гиперполяризует мембрану. При гиперноляризации возбужение не возникает, сколь бы велик ни был сти­
мул, хотя, как видно на рис. 4.11, пассивный ответ увеличивается
с увеличением силы стимула. С другой стороны, для деполяризую­
щих стимулов с увеличивающейся амплитудой достигается уровень,
мри котором возникает ответ С, показанный на рис. 4.11. На кривой
ответа видна нижняя часть вызванного потенциала действия, что
свидетельствует о достижении порогового условия.
Рассмотрение ответов на подпороговые импульсы показывает,
что они в принципе аналогичны тем, которые можно ожидать от пас­
сивной электрической RC-цепочки. Симметричны ли ответы на сти­
мулы противоположной полярности на рис. 4.11, например, ответы a
и Ь. В случае деполяризации в ответ на потенциалы, составляющие
от 80 до 100% порога, ответ не является зеркальным отражением от­
вета на гиперполяризующий стимул той же амплитуды и длительно­
сти, но противоположной полярности.
Таким образом, ответ не строго пассивен. Отсутствие симмет­
рии свидетельствует о том, что в ответе должна присутствовать не­
линейная активная компонента.
Приведенные выше соображения нашли отражение также на
рис. 4.12, который базируется на рис. 4.11 и представляет собой гра­
фик напряжения, измеренного спустя 0,29 мке после стимула. Напря­
ло*
308
Биоф изик я
Рис. 4.11. Подпороговые ответы, записанные внеклеточно от аксона краба
в окрестности стимулирующих электродов. Аксон был помещен в парафиновое
масло, и, следовательно, измеренный внеклеточный потенциал прямо связан
с трансмембранным потенциалом. Черный прямоугольник указывает период
действия стимула, длительность которого составляла около 50 мкс. По оси
ординат - шкала напряжений; максимальная амплитуда потенциала
действия принята за единицу
жение выражено в долях пиковой амплитуды потенциала действия
и представлено в виде функции от амплитуды стимула.
Отметим, что зависимость линейна для всех гиперполяризую­
щих стимулов, как можно было бы ожидать при линейной пассивной
системе. Линейность наблюдается также для малых деполяризую­
щих сигналов, следовательно, в этой области система тоже может
описываться пассивной цепью. Для стимулов с большей амплитудой
наблюдаемое поведение становится нелинейным, поэтому она долж­
но рассматриваться как активная.
При выводе уравнения Гольдмана для потенциала покоя (4.66)
ключевым было допущение о существовании стационарного состоя-
i ппав 4. Электробиология
309
Рис. 4.12. Связь меж ду стимулом и ответом для аксона краба. Этот рисунок
построен на основе кривых рис. 4.11. По оси абсцисс отложена интенсивность
стимула, измеренная в долях порогового стимула, по оси ординат - потенциал,
записанный через 0,29 мс после стимула и измеренный в долях
пиковой амплитуды потенциала действия
имя, в котором полная плотность трансмембранного ионного тока
д о л ж н а быть равна нулю. Можно считать, что полученное уравнение
даст оценку трансмембранного потенциала как взвешенного среднего
потенциалов Нернста для натрия, калия и хлора. Если исследуется
потенциал действия в препарате с «пространственной фиксацией»
(и нем все характеристики во всех точках изменяются синхронно), то
полная плотность трансмембранного тока (ионная плюс емкостная)
должна равняться нулю (условия разомкнутой цепи). Следовательно,
dV
на пике потенциала действия, когда — —= 0 и соответственно плотdt
пость емкостного тока равна нулю, плотность полного трансмемб­
ранного ионного тока тоже должна быть равна нулю. Таким образом,
иыражения для постоянного поля оказываются применимыми и для
л ого момента времени. Однако при пиковом значении потенциала
действия проницаемости мембраны отличаются от проницаемости
и покое.
Экспериментально установлено, что пик потенциала действия
приближается к потенциалу Нернста для натрия, но никогда не пренышает его. Этот результат согласуется с возможным повышением
310
Биофизики
натриевой проницаемости. Ходжкин и Катц показали, что хороши*
совпадение теории с экспериментом достигается, если взять
Рк : PNa: РС1= 1,0 : 0,04 : 0,45 для мембраны в покое,
Рк : PNa: РС1= 1.0 : 10,0 : 0,45 для активной мембраны.
Отметим, что натриевая проницаемость меняется почти на три
порядка.
Уже отмечалось, что влиянием хлора на поведение мембраны
можно пренебречь. В результате в качестве первого приближении
можно положить, что
Vm=
Vшl = — In ~Р П ,
ш
F
_р п „
[Na+],
[Na+]n
в покое,
на пике.
(4.7?)
(4.73)
Характерные свойства потенциала действия:
1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала,
2) закон «все или ничего», т. е., если деполяризующий потен
циал больше порогового, развивается потенциал действия, амплиту
да которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса, и
нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потен­
циала меньше пороговой;
3) есть период рефрактерности (невозбудимое™) мембраны во
время развития потенциала действия и остаточных явлений после
снятия возбуждения;
4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление
мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом • м2 в покое до 0,0026 Ом • Mj
при возбуждении).
Все приведенные выше теоретические и экспериментальные ре­
зультаты дают в общих чертах следующее объяснение происхожде­
ния потенциала действия. В покое мембрана преимущественно про­
ницаема для калия и Vm приближается к потенциалу Нернста для
калия. На пике потенциала действия мембрана преимущественно про­
ницаема для натрия и Vmблизок к потенциалу Нернста для натрия.
I ппва 4. Электробиология
311
Приведенный выше материал позволяет понять фундаменталь­
ную природу импульса потенциала действия, объясняя происхожде­
ние потенциала покоя и пикового потенциала. Однако этого недостаlo'ii ю для объяснения полного временного хода потенциала действия.
Для ответа на вопрос о временном ходе потенциала действия
Iрсбуются более сложные модели поведения мембраны. Соответстиующее подробное описание будет дано далее и будет включать сле­
дующие части:
Во-первых, электрическую модель мембраны - модель паралнельных проводимостей. Эта модель положена в основу анализа
многокомпонентных ионных токов.
Во-вторых, описание результатов экспериментов с фиксацией
мембранного потенциала. Как было отмечено выше, фиксация потен­
циала представляла собой ключевую экспериментальную методику,
позволившую оценить индивидуальные ионные токи.
В-третьих, уравнения Ходжкина-Хаксли. Эти уравнения обоб­
щают экспериментальные данные, полученные в экспериментах
е фиксацией мембранного потенциала. Кроме того, они способны
описывать поведение мембраны в условиях, когда напряжение на
ней не остается постоянным. Фактически уравнения Ходжкина-Хак­
сли оказались поразительно эффективными для объяснения самых
разнообразных потенциалов действия, а также для описания соответ­
ствующих движений индивидуальных ионов.
Анализ временного хода потенциала действия облегчается вве­
дением дополнительного варианта определения трансмембранного
потенциала. Как и раньше, символ Vm с использованием прописной
буквы V будет применяться для обозначения трансмембранного по­
тенциала, измеренного как разность потенциалов на внутренней по­
верхности мембраны и на ее внешней поверхности, так что Vm= фп Ф,. Однако, кроме этого, в последующем изложении для обозначения
изменения трансмембранного потенциала по сравнению с его величи­
ной в покое будет использоваться символ vm со строчной буквой v.
Иначе говоря,vraопределяется как vm(Y) = Vm(t) - Vm. Заметим, что ма­
тематически vraотличается от Vmтолько на постоянную величину. Это
означает, что производные по времени или по пространственным ко-
312
Б иоф изим
наружная среда
0------------------А
внутренняя среда
Р и с . 4 .1 3 . М о д е л ь п а р а л л е л ь н ы х п р о в о д и м о с т е й д л я м е м б р а н ы н е р в н о г о в о л о кн а ,
в ко т орой предполагает ся наличие независим ы х проводящ их каналов для К
и С Г . Р азны е полярност и бат арей о т р а ж аю т
и
фс/ я в л я ю т с я
\
т от ф акт , чт о пот енциалы
о т р и ц а т е л ь н ы м и , а (p N a
-
'
<рА
N a
полож ит ельны м
ординатам от Vm(t) равны соответствующим производным vm; они
в некоторых случаях лучше характеризуют то, что представляет наи
больший интерес - величину и направление отклонений трансмемб
ранного потенциала от его «естественного» уровня в состоянии покоя
Простое описание участка мембраны в виде электрической цс
пи дано на рис. 4.13. Это описание известно как модель параллельных
проводимостей. Каждая из ветвей цепи отражает вклад какого-либо
одного сорта ионов в общий трансмембранный ток. Например, если
трансмембранный потенциал равен Vm, то результирующая движущая
сила для калия равна (Vm—V^), что соответствует отклонению от рав­
новесного состояния. Поскольку плотность калиевого тока пропорци­
ональна напряжению (Vm- V ^ ) , коэффициент пропорциональности
имеет размерность удельной проводимости. Он называется калиевой
проводимостью gKзначение которой зависит от Vm и t, так что
I K = ( V m~ K ) g K,
(4-74)
где 1К - плотность калиевого ионного тока. Если Vm> V ^ , то на­
правленные наружу диффузионные силы не полностью уравнове­
шиваются электрическим полем. В результате возникает нескомпенсированный поток калия наружу и, следовательно, электрический
ток. Заметим, что величина / к в уравнении (4.74) имеет положитель­
ный знак.
313
I iwaa 4. Электробиология
По аналогии с уравнением (4.74) для иона хлора получаем
(4.75)
Если Vm> V^1, диффузия хлора внутрь не уравновешивается
полностью и возникает нескомпенсированный поток внутрь. Посконьку этот поток состоит из ионов с отрицательным зарядом, он со*дает электрический ток, направленный наружу; величина 1а долж­
ки быть положительной, как и следует из (4.75)
Наконец, для иона натрия:
(4.76)
Здесь, если Vm> V ^ , то, поскольку величина
положитель­
на, потенциал Vm должен быть тоже положительным и большим по
асличине. Результатом является поток ионов натрия, направленный
наружу, несмотря на направленные внутрь диффузионные силы.
Уравнение (4.76) снова дает правильный знак для величины /NaL
Чтобы завершить список компонент трансмембранного тока,
рассмотрим емкостной ток (или ток смещения), плотность которого
равна просто
(4.77)
dt
dV,
В покое, т.е. в стационарном состоянии, 1= 0, — —=0.
dt
В стационарных условиях / = / к + / Na + / С1 =0. Это условие
позволяет приравнять нулю сумму (4.74) - (4.76), в результате по­
мучаем:
(V m ~ K ) g K + (V m ~ V * ) g a + ( r m~ C > Na =0.
(4.78)
Выразив Vmв стационарном состоянии из (4.78), получим
(4.79)
+ £ci + ^Na
314
Б иоф изим
Уравнение (4.79) известно как уравнение параллельных право
димостей. В соответствии с ним Vm представляет собой взвешенно»
среднее величин V *, V^1, V*a9 зависящее от относительных удсль
ных проводимостей. Это выражение справедливо только для стации
нарных условий, принятых при выводе уравнения (4.78).
Ввиду электронейтральности считаем, что потоки наружу
ионов калия и хлора равны. Следовательно, их токи имеют равные
абсолютные величины, но противоположны по знаку и дают нулевой
результирующий ток. Используя уравнения (4.74) и (4.75), получим
( r m- r Z ) g K = ( V a - V 2 ) g a .
(4.80)
Таким образом, искомое отношение равно:
g
у° -у
ёа
Vm- V l
£ к _ = _ т
т
( 4 . 81)
Из уравнения (4.81) получаем соотношение (4.70).
4.2.2. Фиксация потенциала
Метод фиксации потенциала был ключевым эксперименталь
ным средством, использованным для оценки временного изменения
ионных токов в процессе потенциала действия.
Компоненты трансмембранного тока во время потенциала дей­
ствия включают поток ионов и емкостной (заряжающий емкость)
ток. Поскольку емкость мембраны постоянна, последний легко оце­
нить - его плотность Ст • dVmIdt. Если создать электрическую схему,
подающую на мембрану ступенчатое напряжение (т. е. постоянный
трансмембранный потенциал), то емкостная составляющая будет от­
сутствовать, благодаря чему упростится анализ тока, который в дан­
ном случае будет состоять только из ионных компонент.
Основываясь на описанном выше поведении иона хлора, Ход­
жкин и Хаксли заключили, что вкладом этого иона в полный ток
можно пренебречь. Таким образом, осталось только разделить пол­
ный поток на его натриевую и калиевую составляющие. Оказалось,
315
I шит 4. Электробиология
Аксон кальмара
Генератор
тока
Управление
К V
Изоляция
V0
V -V Q
г-
г
(опорный потенциал)
Записывающее устройство
Р и с . 4 .1 4 . С х е м а у с т а н о в к и д л я ф и к с а ц и и п о т е н ц и а л а
Ток пропускает ся м е ж д у эл ект ро д ам и А и Е ; пот енциал изм еряю т элект роды В
и С. Т р ан с м е м б р а н н ы й т о к опред ел я ет ся п о п о т е н ц и а л у м е ж д у э л ект р о д ам и С и D
и полном у сопрот ивлению м е ж д у соот вет ст вую щ им и конц ент р ическим и
цилиндрическим и поверхност ям и. Тр ан см ем б р анн о е н а п р я ж е н и е V сравнивает ся
с з а д а н н ы м н а п р я ж е н и е м ф и к с а ц и и V 0 (о п о р н ы й п о т е н ц и а л ), и и х р а з н о с т ь
ш с т а в л я е т т р а н с м е м б р а н н ы й т о к м е н я т ь с я т а к , ч т о б ы о б е с п е ч и т ь ( V - V q)
—> О
что такое разделение облегчается, если проводить измерения тока
и условиях постоянного трансмембранного потенциала. В соответстнии с этими требованиями был разработан прибор для фиксации по­
тенциала, показанный на рис. 4.14.
При фиксации потенциала для поддержания трансмембранно­
го потенциала на заданном уровне используется простая схема про­
порционального управления. Трансмембранным потенциалом управ­
ляют путем регулирования тока, протекающего между аксиальным
шектродом А, введенным в аксоплазму нерва, как показано на
рис. 4.14, и электродом Е. Последний представляет собой концентри­
ческий электрод в форме цилиндра. Система управления жестко
удерживает трансмембранный потенциал, измеряемый между элект­
родами В и С, на заданном уровне.
На рис. 4.14 можно видеть, как формируется и подается на ге­
нератор тока сигнал ошибки V - V0. Результирующее изменение про­
пускаемого тока уменьшает величину V - V0 до нуля. Радиальный
(трансмембранный) ток измеряется между электродами С и D, при­
чем известная проводимость среды используется для калибровки из­
меренных разностей напряжения.
316
Биофизики
Р и с . 4 .1 5 . И о н н ы й т о к в м е м б р а н е а к с о н а к а л ь м а р а в у с л о в и я х ф и к с а ц и и
п о т е н ц и а л а ( V m = 2 0 м В ) в м о м е н т t = 0 с . П о т е н ц и а л п о к о я V noK
=
-5 0 м В
Т ипичная зап и сь, п ол уч ен н ая при п р и л о ж ен и и ступенчатого
т р ан см ем бр ан н ого п отен ц и ал а, п ок азан а на ри с. 4 .1 5 . Н а н ей мож но
в и деть начальны й ток, н ап рав лен н ы й внутрь клетки, которы й затем
см ен я ет ся аси м п тоти ч еск и н ар астаю щ и м ток ом , направленны м m
клетки н ар уж у. Н ачальны й скачок ем к о стн ого тока заверш ается зп
2 0 м ке, что со о т в ет ст в у ет н ал и чи ю к он ден сатор а с у д ел ь н о й емко
сты о С - 1,0 м к Ф /см 2. В в и д у оч ен ь м ал ой п ост оя н н ой в р ем ен и этсл
ток п адает д о нуля д о т ого, как стан ет зам етн ы м ион ны й ток, и поз
т ом у, как правило, в и ссл ед о в а н и я х п о сл ед н его им п р ен ебр егаю т.
Н ачальная ф аза и о н н о го тока, в озн и к аю щ его в отв ет на надпо
р огов ы й ск ачок п отен ц и ал а, связан а с и он ом натрия. Э то обстоятель
ство отр аж ен о н а ри с. 4 .1 5 , г д е п ок азан ответ на и зм ен ен и е потенциал;!
с ам п л и т у дой 70 м В . К ак в и ди м , п р о ц есс активации характеризуется
бы стры м ув ел и ч ен и ем н атр и евой п р он и ц а ем ост и , и, п оск ол ьк у здесь
р езул ь ти р ую щ ая дв и ж ущ ая сила (р азн ость м еж д у п отен ц и ал ом Не
р н ста для натрия 57 м В и тр ан см ем бр ан н ы м п отен ц и ал ом 20 м В ) равна
37 м В и н ап равлена в н угрь, м о ж н о ож и дать н ап рав лен н ого внутрь ре
зул ь т и р ую щ его н атр и ев ого гока, к отор ы й дей ств и тел ьн о наблю даш
ся. З ав и си м ость эт о го н ап р ав л ен н ого внутрь ток а от в р ем ен и имес!
ф ор м у к уп ол а, так как у в ел и ч ен и е п р о н и ц а ем ост и для натрия является
/ пава 4. Электробиология
317
Рис. 4.16. Ионный ток в мембране аксона кальмара
после фиксации потенциала с указанными уровнями
Потенциал Нернста для натрия достигается при скачке
потенциала на 117 мВ, так как потенциал покоя равен - 60 мВ и V™* = 57 мВ
преходящим. Фактически, по мере того как падает натриевая проница­
емость, возрастает и остается повышенной проницаемость для калия,
и этим объясняется «стационарный», или «поздний», ток, направлен­
ный наружу (поскольку направленная наружу движущая сила для ка­
лия при V* = -50 мВравиа20-(-50) = 70мВ).
Природу раннего мембранного тока можно исследовать путем
фиксации потенциала на уровне Vm=
. В этом случае нет никакой
результирующей силы, которая заставляла бы течь натриевый ток.
Таким образом, в течение короткого интервала времени ток отсутстиуст (несмотря на то, что, как известно, в эту раннюю фазу потенциа­
ла действия натриевая проницаемость необычайно сильно увеличииается). На рис. 4.16 показаны трансмембранные токи, записанные
и серии экспериментов с фиксацией потенциала на разных уровнях
относительно потенциала покоя - 60 мВ. График включает результа­
ты фиксации потенциала на уровне vm = 117 мВ, что соответствует
условию равновесия для натрия. (Напомним, что vra- значение по от­
ношению к потенциалу покоя - соответствует Vm= 117 - 60 = 57 мВ,
где Vm= vm+ Кпок и представляет собой потенциал Нернста для на|рия.) Эта кривая отражает полное отсутствие раннего тока. Такое
отсутствие подтверждает, что ранний ток обусловлен именно ионами
натрия. При vm> 117 мВ результирующая сила, действующая на нат­
318
Биофизик .1
рий (Km-K ^ a), направлена наружу. Отметим, что в этих условия *
«горб» тока направлен наружу.
Серия опытов с последовательно увеличивающимся (деполм
ризующим) фиксированным потенциалом показывает, что после ирг
вышения порога амплитуда пикового тока, направленного внутрь,
круто уменьшается и проходит через нуль. Этот потенциал реверсии
равен значению зафиксированного потенциала, при котором ранний
ток внутрь клетки равен нулю. Из приведенных выше рассуждений
следует, что потенциал реверсии равен потенциалу Нернста для на
трия. Это равенство оказывается всего лишь приближением. Факт
чески в этой ситуации применимо уравнение постоянного поля, т;и
как суммарный ионный и емкостной ток равен нулю. Уравнение дасч
более точную оценку потенциала реверсии V*CB Так, поскольку
dVJdt = 0, то ^ 1 . =0,и, полагая вклад хлора пренебрежимо малым,
можно получить
[К], ч-^s-INa],
рсв = л г 1п ______ £к______
m
р
(4.82)
[К]„ + ^ [ N a ] „
Это выражение позволяет учесть малый, но не всегда пренс
брежимый эффект, связанный с наличием калиевой компоненты ион
ного тока.
Кривые зависимости ток-напряжение (вольт-амперные харак
теристики) представляют собой один из способов описания условии
работы мембраны Примеры таких кривых показаны на рис. 4.17. По
ложенные в их основу данные получены в экспериментах с фикса
цией потенциала, проведенных в широком диапазоне трансмембрап
ных потенциалов Vm, причем пиковые плотности тока внутрь (/, на
рис. 4.17) и тока наружу (/ 2 на рис. 4.17) взяты в качестве независи
мых переменных. Пересечение кривой зависимости 1Хот Vm с гори
зонтальной осью (/= 0) дает потенциал реверсии. Из определения вс
личин gK и gNa в уравнениях (4.74) и (4.76) следует, что эти
проводимости всегда положительны. Их можно графически найти т
I тша 4. Электробиология
319
Рис. 4.17. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) аксона кальмара
// - пиковая плотность тока внутрь клетки в зависимости от фиксированного
трансмембранного потенциала Vm после предварительного пребывания
в состоянии покоя; 12 - установившийся ток наруж у после перехода
от условий покоя к потенциалу Vm. Величина потенциалаУт, задаваемого
при фиксации, отложена по оси абсцисс
|>ис. 4.17, и ясно, что они представляют собой обычные удельные
проводимости, определяемые как коэффициенты пропорционально­
сти Интересно отметить, что в диапазоне -75 мВ <
< -4 5 мВ диф­
ференциальная натриевая проводимость на рис. 4.17 отрицательна.
Уровень мембранного потенциала, который соответствует изному на ВАХ, называют критическим мембранным потенциалом
(КМП). ВАХ свидетельствует о том, что деполяризация возбудимой
мембраны, начиная с уровня КМП, вызывает изменение мембраной
шсктропроводности. ВАХ возбудимой БМ имеет У-образную фор­
му, при этом, особое внимание заслуживает второй участок ВАХ.
1то называют участком отрицательного дифференциального сопрошвления (ОДС), поскольку при падении абсолютного значения U
кж / может нарастать только в том случае, если изменение напряже­
ния сопровождается понижением сопротивления. Такая аномалия
ПАХ возбудимой мембраны обусловлена присутствием в ней потен­
циалзависимых ионных каналов. Дело в том, что плотность транс­
мембранного ионного тока может определяться, в принципе, только
двумя факторами: 1) числом открытых каналов; 2) электропроводно­
стью каждого из них.
Известно, что электропроводность отдельного канала равна лиОо 0 (при закрытых воротах), либо максимальному значению, порядка
320
Биофизик I
1-10 пСм, что соответствует переносу 107—108 ионов за 1 секунду
(при открытых воротах). Не бывает промежуточных значений элск i
ропроводности отдельного канала. Поэтому изменение сопротивлс
ния возбудимой мембраны зависит от количества открытых каналом
при данном уровне мембранного потенциала. Сенсоры напряжении
различных потенциалзависимых ионных каналов, даже если они при
надлежат одному типу, обладают неодинаковой чувствительностью
к сдвигам трансмембранной разности потенциалов, то есть, у них нсо
динаков порог срабатывания. Поэтому в разных каналах воротиьм
процессы включаются при различном уровне мембранного потенции
ла. Очевидно, что КМП соответствует такой деполяризации, при ко
торой начинают открываться наиболее чувствительные потенциалы
висимые натриевые каналы данной БМ. Начавшееся по ним движешь
ионов Na+усиливает деполяризацию, которая, по мере нарастания, oi
крывает все новые и новые потенциалзависимые натриевые каналы ди
тех пор, пока все они не перейдут в открытое состояние.
На участке отрицательного дифференциального сопротивлс
ния ВАХ потенциалзависимые натриевые каналы работают как сис
темы с положительной обратной связью но току. Стоит запустим
в действие наиболее чувствительные компоненты такой системы
чтобы в дальнейшем вся она вовлеклась в электрогенез. Это свойспю
любой возбудимой мембраны. Однако конкретные значения мем(>
ранных потенциалов, соответствующие началу и концу действия по
ложительной обратной связи, в разных мембранах различны.
После того как все каналы откроются интересно узнать, чсм\
соответствует максимальное значение тока ионов Na+ через возбуди
мые мембранные ворота натриевых каналов; оказывается, они нами
нают закрываться, и ток падает до определенного значения.
Эксперимент с фиксацией потенциала, представленный in
рис. 4.18, проведен при vm= 56 мВ (или Vm= - 60 + 56 мВ = - 4 мН)
Возникающий трансмембранный ток показан на рис. 4.18 (кривая А)
В соответствии со сказанным выше он содержит раннюю, направлен
ную внутрь клетки компоненту, обусловленную преимуществен ни
натрием. Он также содержит поздний, стационарный, направленный
наружу ток, создаваемый преимущественно калием.
г, с
Рис. 4.18. Анализ ионного тока в мембране
аксона кальмара Loligo во время фиксации потенциала
Кривая А показывает ответ на импульс деполяризации с амплитудой 56 мВ,
когда аксон находится в морской воде; кривая В - ответ аксона в растворе,
содержащем 10% морской воды и 90% изотонического раст вора хлористого
холина; кривая С - разность меж ду кривыми А и В Нормальное значение
Кп* = $7 мВ; в морской воде с уменьшенным содержанием натрия
= - 1 мВ
Чтобы иметь возможность промоделировать каждую ионную
компоненту, необходимо разделить натриевый и калиевый токи. Это
осуществляют при помощи следующей процедуры: приготавливают
нгоруто внеклеточную среду, в которой 90% обычного внеклеточного
натрия заменено холином - веществом, не обладающим электриче­
ским зарядом (он вводится просто для сохранения изотоничности).
Таким образом, внеклеточная концентрация натрия снижается
и 10 раз. Исходное значение F™a = 57 мВ. Уменьшение внеклеточного
натрия должно снизить потенциал Нернста на 581gl0 = 58 мВ, так что
новое значение V = - 1 мВ. Соответственно, если повторить экспе­
римент с фиксацией потенциала (при том же значении vra= 56 мВ)
и морской воде, содержащей 10% от обычного количества натрия, то
практически натрий будет находиться в равновесии, и трансмембранЛ
9843
322
Биофизинш
ный ток будет создаваться только калием. Эта ситуация показана ни
рис. 4.18 (кривая В).
Ходжкин и Хаксли сделали ключевое предположение о том, чщ
потоки ионов натрия и калия независимы друг от друга (принцип пг
зависимости). В соответствии с этим принципом калиевая компонсп
та для кривой А должна быть в точности такой же, как и для кривой II
так что вычитание кривой В из кривой А должно дать плотность и и»
лированного натриевого тока. Эта разностная кривая также показана
на рис. 4.18 - кривая С, и ее поведение очень хорошо согласуется
с ожидаемым влиянием натрия на исследуемые характеристики.
Ходжкин и Хаксли провели серию экспериментов с фиксацией
потенциала при увеличивающихся уровнях деполяризации. Для каж
дого значения фиксированного потенциала проводились два экспери
мента: первый - в морской воде нормального состава, а второй - в мор
ской воде с уменьшением содержания натрия (90% натрия было
заменено холином). Во втором эксперименте, показанном на кривой II
(рис. 4.18), возникает только калиевый ток, так что с учетом принципа
независимости разбить ток на / к и /Na относительно просто. Однако
в общем случае зафиксированное напряжение во втором эксперимент с
не совпадает с потенциалом Нернста для натрия, и наряду с калиевым
существует и натриевый ток. Ниже штрихами будут отмечены токи,
которые возникают во втором варианте эксперимента с фиксацией по
тенциала - при низком содержании натрия. Ходжкнн и Хаксли пред
ложили метод, базирующийся на следующих трех предположениях.
1. / к = 0 при t = 0 и для малых величин t (примерно в течение
1/3 времени до пика тока, направленного внутрь клетки). Иначе гово
ря, предполагается, что при подаче сигнала благодаря более быстро
му ответу натриевой системы по сравнению с калиевой начальный
ток, если он существует, обусловлен натрием.
2/'Na(0/ /Ка(0 = К (константа). Это означает, что для двух эк­
спериментов при одном и том же зафиксированном потенциале
движущая сила изменяется от (Vm- V " d) до (Fm- F ^ a ). В каждом
случае движущая сила постоянна, хотя и различна в разных опы­
тах. Было сделано предположение, что временной ход натриевой
проводимости gNa(0 одинаков в обоих случаях, поскольку в каждом
323
I пава 4. Электробиология
случае производится фиксация при одном и том же уровне потен­
циала: / Na( 0 = £Na(0(7m - Фыа) И /'Na(0 = gNa(0(^m ~ V™), ПОЭТОМУ
/N.(0//'Na(0
=( Vm-C ’)/(Fm- С ) = А- (константа)
3 . 1'K(t)/IK(t). Здесь Ходжкин и Хаксли предположили, что калисиый ток (при одинаковых уровнях зафиксированного потенциала) в
нормальной морской воде тот же, что и в морской воде с 10% натрия;
иначе говоря, они использовали принцип независимости.
Эти предположения используются следующим образом. Сна­
чала исследуют раннюю часть кривой плотности трансмембранного
гока при обычной фиксации потенциала Im(t) и при фиксации потен­
циала в среде с пониженным содержанием натрия
Если предпо­
ложить, что калийотсутствует, то отношение Im{t)H'm(t) дает то же
значениепостоянной К, что и в приведенном вышепредположе­
нии 2. (Можно построить график этого отношения для малых t и убе­
диться в его постоянстве.) Для последовательных моментов времени,
скажем для любого / = имеем:
/ п( /1) = / к ( /1) + / №(#,),
(4-83)
З Д ) =З Д ) +^ а (0 -
(4-84)
Тогда использование предположений 2 и 3 вместе с уравнени­
ем (4.84) дает
/'т ( 0 = К ( / ' ( 0 + ^ а ( 0 >
Из уравнений (4.83) и (4.85) можно исключить либо
/Na, чтобы получить желаемые величины. Они таковы:
^N.(^.) = /m (V ~ i . " ( / l ) >
1 —к
1к 0 1) = К 1ш^ 1'*~1ш^ 1\
I к
(4-85)
либо
(4-86)
(4.87)
—
Селективное (избирательное) и неодновременное изменение
ионной проницаемости возбужденной мембраны - сначала для Na+,
а потом для К+- объясняется тем, что в мембране имеются специаль2Г
324
Биоф изики
ные ионные каналы. Существуют отдельно натриевые и калиевые
потенциалзависимые каналы, которые открываются и закрываются
во время прохождения через данный участок мембраны нервного им
пульса. В первой фазе открываются натриевые каналы, во второй фа
зе - калиевые. Соответственно и закрываются сначала натриевые ка
налы, а затем калиевые. Открывание и закрывание ионных каналом
вызывается изменением мембранного потенциала.
4.2.3. Уравнение Ходжкина - Хаксли
Факты, установленные Ходжкином и Хаксли в их эксперимен
тах с фиксацией потенциала на аксоне кальмара, легли в основу ко
личественной модели. Модель не только воспроизводит сами дап
ные, полученные в экспериментах с фиксацией потенциала, но с сс
помощью оказалось возможным моделировать распространяющийся
потенциал действия. Структура модели связывает ионные токи
с соответствующими движуи\ими силами. Последние описываются
как разности между трансмембранным потенциалом и потенциалами
Нернста для ионов соответствующих типов. Эта формулировка точ
но соответствует математическим выражениям (4.74) и (4.76) для ка
лиевого и натриевого ионных токов (хлором пренебрегают по причи
нам, указанным ранее).
Главным достижением Ходжкина и Хаксли была их схема для
оценки удельных проводимостей gK(f) и gNa(t). Такая оценка очень
проста при использовании данных по фиксации потенциала, так как
преобразование уравнений (4.74) и (4.76) дает
(4.88)
(4.89)
Поскольку при фиксации потенциала знаменатели в выражени­
ях (4.88) и (4.89) постоянны, gK ( t ) ~IK(t) и gNa(t) ~ /Na(f). Результаты
серии экспериментов с фиксацией потенциала, позволяющие опредс-
ипва 4. Электробиология
325
нигь IK(t) и /Ыа(7) методами, охарактеризованными в предыдущем раз­
деле, представлены на рис. 4.19 в виде семейства кривых для калиеш,IX и натриевых проводимостей.
Из представленных рисунков следует, что, во-первых, чем
ближе смещается фиксированный v m к значению равновесного по­
тенциала, определяемого по уравнению Нернста (4.37) для ионов
Na* и К+ тем меньше значение соответствующей проводимости,
и во-вторых, меняется временной ход gKи gNa при изменениях v m.
Таким образом, семейство кривых для проводимостей gKи gNa
при различных значениях фиксированных vra экспериментально по­
казывает зависимости проводимостей (и соответственно токов) от v m
и времени.
Впоследствии по семейству полученных кривых были построены зависимости изменения параметров натриевых и калиевых токов
и процессе генерации потенциала действия.
Рис. 4,19, Изменения ионных проводимостей,
вызываемые деполяризацией с фиксацией напряжения
Кружки представляют значения, полученные на основе экспериментальных
измерений ионного тока, а кривые проведены в соответствии с уравнениями
(4.90) и (4.91). Указанные значения трансмембранного потенциала в милливольтах
при фиксации даны относительно уровня покоя, т.е представляют собой v m
326
Биофизинш
Ходжкин и Хаксли построили математическую модель, сот
ветствующую данным рис. 4.19.
Предполагается, что ионы калия могут проходить через канал,
если к его участку под действием электрического поля подойдут од
новременно четыре однозарядные частицы. Обозначим п - верояг
ность прихода одной такой частицы. Калиевая проводимость gK(t,
v m) была положена равной максимальному фиксированному значс
нию g K , умноженному на параметр п (0 < п < 1), возведенный в ЧС1
вертую степень. Четвертая степень при п определялась эмпирически
Величина пл объяснялась как вероятность нахождения одновременно
четырех активирующих частиц в некотором определенном участке
мембраны.
Для натриевых ионных токов используется тот же общий под
ход, который был описан выше для калия. Однако изменение прово
димости для ионов Na+ описывалось более сложным выражением
Для'натриевого канала предполагалось, что он открывается, если
одновременно в данный участок попадают три активирующие час
тицы и удаляется одна блокирующая. Тогда, обозначив т - вероят
ность прихода активирующей частицы, a h - вероятность удалении
блокирующей, получаем:
—S n n (*’Vin)>
(4.90)
(4.91)
где g K , g Na - максимальные калиевые и натриевые проводимости
соответственно; п, т - параметры активации (0 < т, п < 1), a h - пара­
метр инактивации (0 < h < 1). Поскольку, как видно из рис. 4.19, для
Sk(0 и £ыа(/) характерно поведение кривых первого порядка, в качест­
ве и, т и h было выбрано решение дифференциальных уравнений
1-го -порядка:
(4.92)
(4.93)
327
11 шва 4. Электробиология
=(X h( Vm)0 - ^ - Ph ( Vm)*•
(4 94)
Константы скорости a n pn a m Pm,
Ph зависят только от
iрансмембранного потенциала Vm. Соответственно для эксперимента
с фиксацией потенциала они являются постоянными, что позволяет
решить уравнения (4.92), (4.93), (4.94) аналитически. Данные диффе­
ренциальные уравнения первого порядка с постоянными коэффици­
ентами имеют решение:
-t
(4.95)
и(0 = и.о - ( и . - л 0)еУ" ,
-t
J
n it) = ma> -(m m - m 0)eJ" ,
(4.96)
-/
h(t) = hx - ( h „ - h 0)eT>,
(4.97)
------ ?------ и nw = — — ------- ,
( a n + P„)
(a n +Pn)
1
J m = --------------и
(« - + Э - )
a m
= ------22----- ,
(< *.+ P.)
(4.99)
(4.100)
и = — — -------.
J b=
(a h +Ph)
(4.98)
(a ь +Ph)
Для /-Й фиксации потенциала vmi можно подобрать J a , J m, J b ,
п„,тю,/гт.
Оптимальным значениям / „ ( v ^ ) , . / „ ( v ^ ) , ^ h( v mi),
"oo(v nu )> m<*(v nu) ’ ^«>(v nii ) соответствуют оптимальные константы
скорости. Эти константы скорости находят путем совместного реше­
ния пар уравнений (4.90) и (4.98), (4.91) и (4.99) ,(4.92) и (4.100).
В результате получаются выражения:
328
Биоф изик»
a n(Vmi) =
■'«O '»)
a m (0 =
a *(V«/) =
P«(Vm,) =
P n (
K ( y mi)
J n,b>mi)
0
(4.101)
Л Л О
(4.102)
=
Pn(Vm.) = i z ^ O .
(4.103)
Для каждого напряжения фиксации \ ти соответствующей экс­
периментальной кривой g K, g Na можно подобрать такие значения
J к ( Vmi
) , ^ h( v mi ) , « „ ( v mi ),W 00( v mi ),/» 00( v mi ), ЧТО ОНИ б Удут наилучшим образом соответствовать экспериментальным дан­
ным. Таким образом, для множества значений напряжения фиксации
vm получается множество значений параметров J а ( v mi) , • / m( v mi),
Л О п « )»«oo(vmi ) , w „ ( v mi ) , A „ ( v mi).
Из них путем преобразования (4.101) - (4.103) вычисляется на­
бор констант скорости:
а и=
0,01(10- v m)
exp Ю- v .
10
Р„ = ОД25 exp
(4.104)
-1
-v .
80
(4.105)
_ 0,01(25- у . )
,и р и =4exp ~Vm
а„ =
18
2 5 -v .
expj^
-1
10
а А= 0 ,0 7 ex p |^ L ир„ =|exp^.
3 0 - v.
10
где
v mвыражено в мВ.
+1
(4.106)
,
(4.107)
329
I пава 4. Электробиология
Рис. 4.20. Кривая инактивации натрия
По оси абсцисс отложено отклонение от потенциала покоя \ т.
Точки - экспериментальные данные; кривая удовлетворяет
уравнению (4.108) при v „ h = +2,5 мВ
Для получения этих результатов необходимо было найти зна­
чения для всех (v m) (даже для v m< 30 мВ), и это было сделано в от­
дельной серии экспериментов, график результата которого представ­
лен на рис. 4.20. Для обычных условий покоя h = 0,6, в то время как
доя гиперполяризации до 30 мВ или больше h = 1,0, т. е. своему мак­
симальному значению. Это означает, что самые большие потенциалы
действия вызываются после такой гиперполяризации. От уровня по­
коя, существовавшего непосредственно перед фиксацией потенциа­
ла, величина
=0"), которую можно найти из графика рис. 4.20,
переходит на уровень he Q = 0 +
отсюда ясно, как найти h0 в (4.101).
Ходжкин и Хаксли предложили аналитическое выражение, ко­
торое аппроксимирует данные рис. 4.20:
-1
к
где
Ч ехр
- V mh
v,,,!, - значение vmпри h x = 0,5,
+1
(4.108)
= 2,5 мВ.
Таким образом, Ходжкин и Хаксли обосновали ионную тео­
рию возбудимых мембран и смогли удовлетворительно описать
330
Биоф изик»
« т - Рт (е-1)
Рn(c~V
а* |Р *(с-1)
1200
-
/р«
J
0
Г Г : J
I
^
I_____ I
40 V, мВ -120
I
-80
I
— Г
-40
б)
О V, мВ
-80 -40
О V, мВ
*)
Рис. 4.21. Зависимости констант скоростей а„, р„, а т, рт, ал, рл
от мембранного потенциала в гигантском аксоне кальмара
V - смещение разностей потенциалов на мембране
относительно уровня потенциала покоя (мВ)
в рамках этой теории изменение ионной проводимости и процесс ге­
нерации потенциала действия нервной клетки.
Изменение проницаемости мембраны при первоначальной де­
поляризации приводит к изменению потенциала (4.65), что сопро­
вождается изменением параметров a n, Pn, а т, Рт, a h, Ph. График изме­
нения констант скоростей представлен на рис. 4.21.
Зная величиныgNa g K и g L ( g L - удельная проводимость «утечки»,
т. е. всех остальных ионов), а также емкость мембраны Ст(Ф • м~2), мож­
но теперь найти общий ток через мембрану в каждый момент времени:
где
V* ,
Г*а, - равновесные потенциалы для К+, Na+ и всех
остальных ионов. Как показали вычисления, полученные кривые из­
менения тока во времени при правильно подобранных параметрах а п,
Pn, а т, Рт, a h, Ph практически совпадают с экспериментальными при
всех использованных в опытах концентрациях внутри- и внеклеточ­
ного калия и натрия.
Вся совокупность уравнений, описывающих ионные токи через
возбудимые мембраны при изменении потенциала на величину V, на­
зывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. Использование этих урав-
/ пава 4. Электробиология
331
Рис, 4.22. Математическое моделирование нервного импульса
Здесь jNo, jK, jc, J l ~ плотности натриевого, калиевого, емкостного тока
и тока утечки (А/м2); V - потенциал действия (мВ)
исний позволяет математически описать не только ионные токи при
фиксированном потенциале, но и изменения потенциала в функциони­
рующем нервном волокне. Изменения проницаемости мембраны при
первоначальной деполяризации мембраны приводят к изменению по­
тенциала, что сопровождается изменением параметров а и р , следова­
тельно, изменением проводимости и проницаемости, новым измене­
нием потенциала и т. д. В результате получается та сложная по форме
кривая изменения во времени потенциала на мембране, которая и пред­
ставляет собой потенциал действия. Расчет этой кривой (и кривых одно­
временного изменения ионных токов) хотя и очень трудоемок, но может
быть осуществлен с использованием уравнений Ходжкина-Хаксли.
В настоящее время такие расчеты для разных возбудимых структур
проводятся с использованием ПЭВМ. Один из примеров рассчитан­
ных кривых приведен на рис. 4.22. Хорошее совпадение рассчитанных
332
Биоф изин «
и измеренных в опыте потенциалов действия (здесь они не приводи I
ся) еще раз подтверждает правильность математической модели Ходж
кина-Хаксли. Она нашла весомое подтверждение в работах по исследо
ванию молекулярных основ биоэлектрогенеза, в результате которой)
была сформулирована концепция потенциалзависимых ионных капа
лов в плазмолемме нервных и мышечных клеток.
4 .2 .4 . Роль ионных каналов в биоэлектрогенезе
Объяснение процессов перехода от покоя к возбуждению и об
ратно простой констатацией фактов об изменении мембранной про
ницаемости для ионов является феноменологическим и не проливас i
свет на молекулярную природу биоэлектрогенеза. Более глубокое
проникновение в нее связано с изучением биофизических механиз
мов транспорта ионов сквозь биомембраны.
Ионы гидрофильны. Поэтому они могут преодолевать клеточ­
ную мембрану либо по каналам в ней, либо при помощи переносчи­
ков. Изучение кинетики трансмембранного перемещения ионов при
биоэлектрогенезе привело к выводу, что они движутся по каналам.
Так, скорость проникновения Na+ в аксоплазму при деполяризации
достигает 107-1 0 8 ионов в 1 с, а температурный коэффициент Ql0 это­
го процесса невелик (1,2-1,3). Именно такие скорость и Q]0 присущи
канальному механизму, тогда как транспорт посредством переносчи­
ка происходит гораздо медленнее (скорость порядка 104 ионов в 1 с)
и его Q]0 достигает 2,4. Низкое значение Q10, свойственное трансмем­
бранному переносу ионов при биоэлектрогенезе, свидетельствует,
что они преодолевают сравнительно невысокий потенциальный ба­
рьер (ниже 13 кДж • моль-1). При транспорте ионов с участием пере­
носчика он составлял бы не менее 67 кДж • моль-1.
4.2.4.1. Потенциалзависимые натриевые каналы
Потенциалзависимые натриевые каналы в плазматических мем­
бранах различных клеток представлены тремя типами. В 1984 г. Нода
с сотрудниками установили первичную структуру такого канала, на­
ходящегося в электрической пластине угря. Сложный белковый комп­
лекс с молекулярной массой около 230 кДа имеет 4 гомологичных до­
11шва 4. Электробиология
333
мена и 1 характерный сегмент с сильным положительным зарядом.
11онная пара в таком комплексе образуется при свертывании гомоло­
гичных доменов в (3-складчатость цилиндрической формы (т. е. при
формировании вторичной структуры типа (3-спирали). Внутрь ионной
поры, заполненной водой, обращены гидрофильные группы белково­
го комплекса, а гидрофобные группы взаимодействуют с окружаю­
щими липидами, причем с протеиновыми компонентами одного кана­
ла образуют связи от 6 • 104доЗ • 105липидных молекул.
При возбуждении ионы Na+ движутся из интерстиция в цито­
плазму, растворяясь в воде, заполняющей ионную пору. Этим обу­
словлена более высокая скорость ионного транспорта по каналу
и сравнении с диффузией комплекса «переносчик-ион» сквозь ли­
пидный бислой, обладающий в 30-100 раз большей вязкостью, чем
иода. Вместе с тем транспорт ионов по каналу происходит медлен­
нее, чем их свободная диффузия в воде, занимающей неограничен­
ный объем. Диаметр ионной поры обеспечивает только однорядное
движение Na+, поскольку два иона не помещаются в просвете канала.
На схеме ионного канала, участвующего в биоэлектрогенезе
(рис. 4.23), выделены два основных функциональных элемента - се­
лективный фильтр и воротный механизм (ворота). Селективный
фильтр («горловина») канала осуществляет отбор тех ионов, для
транспорта которых предназначен данный канал. Избирательность
фильтра основана как на его геометрических особенностях, так и на
электрических свойствах. Прежде всего ионы не должны быть круп­
нее размеров селективного фильтра. Вместе с тем он должен быть
достаточно узким не только для различения ионов, но и для обеспе­
чения тесного контакта гидратной оболочки иона со стенками поры,
чтобы они взаимодействовали непосредственно с нею и частично де­
гидратировали каждый проходящий ион благодаря образованию во­
дородных связей. По-видимому, это обеспечивают карбоксильные
группы белковых молекул, выстилающих узкую пору. Следователь­
но, селективный фильтр по отношению к крупным ионам действует
как сито, не пропуская их, тогда как отбор среди мелких ионов про­
исходит за счет их неодинакового взаимодействия с выстилкой поры.
Чем выше сродство иона к карбоксильной группе, тем больше его
334
Биоф изика
5
1
3
1
4
5
Рис. 4.23. Схема ионного потенциалзависимого канала
Обозначения: 1 - белковый комплекс, образующий канал; 2 - селективный
фильтр; 3 - ворота; 4 - сенсор напряжения; 5 - мембранные липиды
поток через канал. Миновав фильтр, частично дегидратированный
ион восполняет потерянные молекулы Н20 за счет той воды, которой
заполнен канал в более широкой части.
Избирательность канала каждого типа не абсолютна. Так, че­
рез потенциалзависимый натриевый канал проходят в той или иной
степени 11 различных катионов, причем литий даже лучше, чем нат­
рий. Легко проникает Са2+, а К+- примерно в 12 раз хуже натрия. Для
рубидия и цезия натриевый канал - непреодолимая преграда. То же
можно сказать в отношении анионов, даже очень мелких, так как от­
рицательный заряд селективного фильтра отталкивает их. Например,
в натриевом канале P N *-Рсг =100:1. Б. Хилле установил, что попе­
речное сечение селективного фильтра натриевого канала напоминает
эллипс (0,3x0,5 нм). Эта узкая пора находится на дне камеры (свое­
образного преддверия) размерами 0,9x1,0 нм, расположенной на
внешней стороне биомембраны (см. рис. 4.23).
Изменения мембранной проницаемости для ионов связаны
с функционированием ионных каналов. Так как движение ионов по
каналу однорядное, то невозможно регулировать ионный поток в от­
дельном канале за счет градуального увеличения или уменьшения
размеров его поры. Отдельный канал может находиться только в од­
Гпава 4. Электробиология
335
ном из двух состояний: закрытом или открытом. В первом случае он
вообще не пропускает ионы, и его электропроводность (G) равна ну­
лю, во втором - обеспечивает максимально возможный поток, предо­
пределенный сопряженным действием концентрационного и элект­
рического градиентов. Во втором случае электропроводность канала
достигает 40 пСм. Поскольку G может иметь только одно из двух
значений (0 или 40 пСм), тот или иной уровень ионной проницаемо­
сти мембраны и, следовательно, трансмембранный натриевый ток
определяются числом открытых каналов.
Выяснилось, что селективный фильтр обладает &laqu