Роль метаболических гидрат-ионов в термодинамике цитоплазматической фазы воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОЛЬ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ГИДРАТ-ИОНОВ В ТЕРМОДИНАМИКЕ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ВОДЫ

Введение

В работе описывается различие в свойствах и термодинамических функциях трех жидких фаз воды. Первая фаза W0 - это обычная объемная вода. Вторая - фаза W структурированной воды, молекулы которой связаны в адсорбированных полимерным гелем слоях, на гидрофильных поверхностях, а также в гидратной оболочке гидрат-ионов. Третья - фаза W структурированной воды, слои молекул которой связаны активными центрами биополимерных макромолекул (БПММ) цитоплазмы живой клетки. В результате термодинамического анализа этих фаз подтверждены основные положения концепции, согласно которой в обычных условиях живой клетки все установленные и многократно подтвержденные в экспериментальных исследованиях специфические свойства цитоплазматической фазы обусловлены энергетическими характеристиками связывающих активных центров БПММ, гидрат-ионов и молекул воды. Отмечается, что полученные результаты для системы, состоящей из двух непосредственно контактирующих фаз W0 и W, могут быть также использованы и для системы, в которой эти фазы разделены перегородкой (мембраной), проницаемой для воды и гидрат-ионов.

Ключевые слова: структурированная вода, специфическая фаза воды, гидрат-ион, гидрат-ион-водно-белковый комплекс, термодинамика цитоплазматической фазы

1. Отличительные свойства цитоплазматической фазы воды

Результаты многочисленных экспериментальных и теоретических исследований однозначно свидетельствуют о том, что в цитоплазме живой клетки существует несколько фаз воды, различающихся между собой по своим в первую очередь физическим свойствам. Первая - это фаза W0 объемной воды со слабо упорядоченной структурой, присущая обычной чистой воде. Вторая - это фаза W «связанной» структурированной воды. Такая фаза воды образуется в адсорбированных полимерным гелем слоях, на гидрофильных поверхностях, а также в гидратной оболочке гидрат-ионов. Наконец, как минимум, еще одна фаза воды, обозначаемая как W, обусловлена связыванием молекул воды на активных центрах БПММ. Отличающиеся от фазы W0 обычной воды фазы Wи W будем называть специфическими.

Все эти фазы W0, W, W взаимно термодинамически различимы между собой вследствие того, что взаимодействие молекул воды друг с другом, а также с гелеобразующей основой и гидратированными ионами в их окружении специфично по типу и силе в каждой из этих фаз. Это проявляется в относительном различии в значениях их термодинамических функций.

Идея о том, что внутриклеточная вода может быть «связанной» или «структурированной» не нова; она возникла еще столетие назад (Fisher, Moor, 1907). В монографии Трошина 1956 года «Проблемы клеточной проницаемости» (Трошин, 1956) было обосновано положение о том, что разделение веществ, таких как калий и натрий, обусловлено специфическими свойствами внутриклеточной воды в цитоплазме. Ясность аргументов и четкость доказательств, представленных Трошиным привлекли на эти позиции и других исследователей.

То есть, структурированная внутриклеточная вода - это вода, которая, будучи связана с БПММ и гидрат-ионами, в комплексе с ними образует ГИВБК (об этом пойдет речь ниже), благодаря которым формируются специфические свойства фазы W, обнаруживаемые в исследованиях, проведенных на современной инструментальной базе. Так, при измерении методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) времени релаксации р было показано, что во внутриклеточной воде фазы W оно меньше, чем в обычной воде фазы W0 (Odeblad и др., 1956; Bratten и др., 1965; Cope, 1956; Hazlewood и др., 1969; Cameron и др., 1988; Lopez-Beltran и др., 1996). Аналогично, результаты других исследований, например, (Kasturi и др., 1987), в которых установлен аномально большой химический сдвиг ЯМР для внтутриклеточной воды, также свидетельствуют о том, что вода фазы W в цитоплазме клетки существенно более структурирована, чем обычная вода фазы W0.

Неоспоримым свидетельством специфических свойств адсорбированных полимерным гелем слоев воды являются экспериментальные данные Pollack (Pollack, 2002). Все они свидетельствуют о том, что свойства такой, в нашем обозначении W, фазы воды, адсорбированной на гидрофильной поверхности, существенно отличаются от свойств фазы W0 обычной чистой воды. У связанных гидрофильными поверхностями слоев молекул воды линейный размер упорядоченной фазы W простирается на сотни микрон. Фаза W структурированной воды отличается от объемной фазы W0 обычной воды по вязкости, плотности, температуре замерзания, а также диэлектрическими и другими свойствами. Множество веществ, хорошо растворимых в фазе W0, в этой фазе W не растворяются.

В настоящее время считается общепринятой так называемая «водная» концепция организации ДНК, РНК, и в целом всех других БПММ, совместно с молекулами связанной воды в их гидратных оболочках (Линг, 2002; Поллак, 2006). Эта же тема «связанной» внутриклеточной воды занимает центральное положение также и у более ранних исследователей, например, в классической книге Сент-Дьердьи «Состоянме живого» (Szent-Gyorgyi, 1972). По мнению автора, основным свойством всего живого является взаимодействие молекул воды с биомакромолекулами цитоплазмы, которые стимулируют окружающие их молекулы воды к структуризации. Практически вся вода цитоплазмы связана посредством водородных связей с веществами клетки, в том числе с ионами солей металлов, а также с активными центрами на поверхности БПММ, таких, как ДНК, РНК и др., биологическая активность которых во многом определяется степенью их гидратации.

В продолжение этой темы автор монографии (Pollack, 2006) убедительно показывает на основе многочисленных экспериментальных данных ряда лабораторий, что и гидратный слой биополимерных макромолекул (БПММ) цитоплазмы живой клетки также состоит из связанной структурированной воды. В нашем обозначении эта фаза обозначается как W. Этот слой обеспечивает жесткость и упругость всей конструкции БПММ и препятствует сворачиванию их в клубок с минимальной поверхностной энергией, согласно положениям термодинамики.

Еще более тонкие современные экспериментальные методы (Бункин А.Ф. и др., 2006) позволили установить важную особенность организации связанной структурированной воды в фазах W и W. Авторами этих работ (Першин С.М., 2009) показано, что в растворах белков и ДНК преобладает селективное взаимодействие этих БПММ с пара-Н2О молекулами. Основное различие между пара-Н2О и орто-Н2О спин-изомерами воды заключается в том, что у первой есть состояние, в котором молекула не вращается (ротационное квантовое число равно нулю). В то время как у орто-Н2О такого состояния нет, она всегда «крутится» подобно юле. Это различие приводит к тому, что у молекул воды разных спиновых изомеров оказывается различной также и степень связывания их гидрофильной поверхностью.

Анализ специфики спин-селективного взаимодействия пара-Н2О изомеров с БПММ в водных растворах однозначно указывает на то, что в их гидратной оболочке преимущественно накапливаются именно эти спин-изомеры [4]. В тоже время в объемной фазе структурированной воды, справедливое для газов при комнатной температуре равновесное отношение 3:1 орто/пара спин-изомеров воды изменяется таким образом, что доля пара-Н2О изомеров увеличивается более чем в 2 раза.

В живой клетке другие фазы могут контактировать непосредственно с основной фазой W, например, в том случае, когда по какой-либо причине внутри неё образуется вакуоль, фаза которой может быть либо W0, либо W.

2. Функциональные единицы цитоплазматической фазы - гидрат-ионы

В водных растворах вокруг ионов металлов образуется упорядоченный слой из молекул воды, который называется гидратной оболочкой. В этой оболочке молекулы воды упорядочены по-иному, чем в объеме раствора. Образование гидрат-ионов обусловлено связыванием посредством водородных связей центральным ионом молекул растворителя, находящихся в его ближайшем окружении. Водородная связь внутри гидрат-иона представляет собой химическое взаимодействие центрального иона с диполями окружающих его молекул воды, сопровождающееся выделением энергии, называемой энергией гидратации. Обусловленный зарядом центрального иона эффект химического связывания молекул воды в первой гидратной оболочке настолько велик, что изменяет структуру растворителя в ближайшем окружении данного иона и делает невозможным свободное движение отдельно «голого» центрального иона вне зависимости от его ближайшего окружения.

Состав гидрат-иона в растворе может быть представлен выражением:

«Гидрат-ион ? {ион + гидратная(1-я)_оболочка}».

гидрат-ион ? Hydr{Эi}.

Положительно заряженные ионы металлов Mi+z, такие как Na+ и K+, обобществляют доли зарядов (w)- электронов e отдельных атомов кислорода молекул воды, окружающих центральный ион. В результате взаимодействия образуется гидратированный катион Hydr(Mi+z)+q :

Mi+z + (N(g)i H2O) Hydr(Mi+z)+q

где N(g)i - число гидратации иона i-го типа или, т.е. количество молекул воды в ближнем окружении иона. Величины: i = zi -qi - обобществленная доля, qi - распределенная на гидрат-ионе доля от заряда zi центрального иона, qi?zi.

Аналогично для гидрат-анионов:

Aiz + (N(g)i H2O)+ Hydr(Aiz)q

Гидрат-ионы Hydr{Эi} представляют собой отдельные самостоятельные химические соединения, которые обладают определенными величинами заряда qi на них, а также свободной энергией ?GiS.

Возможное наличие у гидрат-иона Hydr{Эi} четко выраженной вторичной гидратной оболочки зависит главным образом от величины отношения "заряд/радиус"?zi/ri для иона данного элемента Эi. Благодаря большой величине данного отношения у многозарядных ионов, таких как трехвалентные ионы групп 3 и 13, последние имеют хорошо выраженную вторичную гидратную оболочку.

Рассматриваемый подход основан на классической термодинамике и включает следующие положения.

Ш В растворе ионы существуют только в форме гидрат-ионов, которые обладают незначительной величиной заряда qi, распределенного в пределах их первой гидратной оболочки.

Ш Объект термодинамического описания - это не отдельный «голый» ион, обладающий целочисленным зарядом zi, а функциональная единица - гидрат-ион Hydr{Эi}.

Ш Гидрат-ион в растворе электролита обладает химическим потенциалом стандартного состояния (ХПСС) ?GiS??GiS(Hydr{Эi}), величина которого определяется от общего для всех стандартного уровня G(S0), соответствующего фазе W0 обычной воды.

В рамках данного подхода проведены расчеты величин зарядов qi и ХПСС ?GiS для следующих групп гидрат-ионов: Hydr(Hal) галогенидов, Hydr(OH) гидроксила и Hydr(Mei+) щелочно-земельных элементов. Результаты расчета зарядов qi (в единицах заряда электрона) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Величины заряда qi (в единицах заряда электрона) гидрат-ионов элементов 1-й и 7-й групп периодической таблицы, а также гидроксила

Гидрат-ионы могут существовать как относительно самостоятельное химическое соединение только в растворе, где они переходят в устойчивое состояние при связывании молекул воды второй и последующими гидратными оболочками. Переход гидрат-ионов в устойчивое состояние может также осуществляться при связывании их с активными центрами БПММ. Этому устойчивому состоянию комплексов типа: а) «гидрат-ион + все последующие гидратные оболочки», и б) «гидрат-ион + БПММ», соответствует минимум их свободной энергии Гиббса G(S0). Разность свободных энергий Гиббса GiS(Hydr{Эi}) гидрат-иона Эi и предыдущей величиной у комплекса называется химическим потенциалом стандартного состояния (ХПСС) данного гидрат-иона:

?GiS ? ?GiS(Hydr{Эi}) = GiS(Hydr{Эi}) - G(S0)

Физический смысл величин ХПСС ?GiS гидрат-ионов состоит в том, что они представляют собой максимальную свободную энергию Гиббса, которая выделяется при взаимодействии гидрат-ионов со своим окружением в растворе. Это позволяет определить изменение свободной энергии ДG в цикле процессов с их участием.

В таблице 2 представлены значения приведенных величин ХПСС ?AiS гидрат-ионов для тех же групп элементов, что и в Таблице 1. Эти величины определяются относительно энергии теплового движения молекул, равной произведению RT, где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, соответствующая н.у., т.е. 298.15К:

?AiS = ?GiS/RT

Таблица 2. Величины приведенных ХПСС ?AiS (безразмерные единицы) гидрат-ионов элементов 1-й и 7-й групп периодической таблицы, а также гидроксила

Данные Таблицы 2 показывают величину изменения свободной энергии Гиббса ?GiS (в единицах RT) в системе, в которой происходит процессе связывания гидрат-иона с молекулами воды в их вторичной и последующих гидратных оболочках или же с активными центрами БПММ. Величина ХПСС ?GiS гидрат-ионов i-го типа по отношению к подобной величине другого, например j-го типа, определяет их конкурентные свойства селективного связывания фрагментами БПММ в водных растворах фаз W и W. цитоплазматический адсорбированный вода клетка

Из этих данных следует, что для тех гидрат-ионов, у которых указанная величина имеет относительно высокое значение, процесс «связывания» их с ближайшим окружением действительно имеет место. То есть, связыванию подвержены Hydr(Br-) и Hydr(I-), а также Hydr(Na+), Hydr(K+) и Hydr(Rb+). Однако, это связывание будет происходить на конкурентной основе. Поэтому, как видно из данных Таблицы 2, из двух метаболически активных гидрат-катионов K+ и Na+ более конкурентным является Hydr(K+) чем Hydr(Na+), что оказывается причиной селективного связывания первого в присутствии второго в фазе W. Аналогично обстоит дело и с конкуренцией между Hydr(K+) и Hydr(Rb+), для которых соотношение ХПСС таково, что ?GS(K+) > ?GS(Rb+). Этот результат позволяет объяснить природу конкурентного замещения Rb+ на K+, установленное (Epstain, and Hagen, 1952) и позднее подтвержденное Лингом (Ling, 1955; Ling, 1960) в экспериментах по ингибированию гидрат-ионами K+ поступления меченного Rb+ в мышечные волокна лягушки.

Для других гидрат-ионов, у которых указанная величина имеет относительно низкое значение, данный процесс более адекватно можно охарактеризовать как «прилипание» без «связывания». А именно, такие гидрат-ионы, как Hydr(F-), Hydr(Cl-) не могут связываться активными центрами БПММ.

3. Роль гидрат-ионов в термодинамическом равновесии цитоплазматической фазы живой клетки

Молекула белка линейной формы с геометрически правильным чередованием диполей пептидных связей, у которых кислород - отрицательный диполь, а азот - положительный. Дипольные заряды пептидных связей белка, как и других БПММ взаимодействуют с диполями молекул воды. Причем, энергия взаимодействия БПММ с молекулами воды превышает энергию взаимодействия между самими молекулами воды в объеме её чистой фазы. Данное превышение с энергетической точки зрения представляет необходимое условие связывания и структурирования молекул воды в водно-белковом комплексе (ВБК). Когда белок или часть его полипептидной цепи развернуты настолько, что его активные центры связывания оказываются доступны молекулам воды и гидрат-ионам, то это неизбежно влечет за собой присоединение более мелких молекулярных форм к крупным макромолекулярным формам. Таким образом, вокруг БПММ образуется многослойная водная шуба, включающая вторую и множественные последующие оболочки, в которых связанная вода структурирована и образует фазу W. Активные центры связывания БПММ могут присоединять также и гидрат-ионы, причем даже предпочтительнее, чем молекулы воды. Это связано с тем, что выделяющаяся при связывании свободная энергия Гиббса ?Gсв оказывается большей в случае присоединения гидрат-ионов, чем молекул воды, т.е. ?GiS(Hydr{Эi}) > ?Gсв(H2O).

В результате образуется гидрат-ион--водно-белковый комплекс - ГИВБК, состав которого может быть представлен следующей совокупностью связей между его компонентами

ГИВБК ВБК---гидрат-ионы, где

ВБК ? БПММ---«связанная»_вода:

Комплекс ГИВБК можно представить как результат взаимодействия гидрат-ионов различных типов с ВБК, т.е.:

k1{Me1+}g+ k2{Me2+}g++ kn{Men+}g + {ВБК}g {ГИВБК}g ,

где {Mei}g ? Hydr(Mei) - тождественное обозначение гидрат-ионов i-го типа в химических формулах, ki - количество таких гидрат-ионов.

На рисунке 1 представлена структурная схема гидрат-ион--водно-белкового комплекса (ГИВБК).

Рис.1. Схема структуры гидрат-ион--водно-белкового комплекса - ГИВБК

С позиций термодинамики следует, что взаимодействие гидрат-ионов с окружением происходит тем более интенсивно и предпочтительнее по отношению к гидрат-ионам другого типа, чем больше по значению величины их ХПСС ?GiS. Это означает, что на поверхности водно-белкового комплекса преимущественно будут связываться гидрат-ионы с наибольшими величинами ХПСС ?GiS. Поэтому, в первую очередь в ГИВБК будут связываться двухзарядные гидрат-ионы такие, как Hydr{Ca2+}, Hydr{Fe2+} и др. Но поскольку концентрация таких ионов в клетке незначительна, то следующими за ними будут связываться однозарядные ионы с максимальными величинами ХПСС ?GiS.

Из данных Таблицы 2 следует, что связывание гидрат-катионов с молекулами воды, а также с активными центрами различных ВБК, содержащихся внутри клетки, оказывается энергетически более выгодным для Hydr{K+} по сравнению с Hydr{Na+}. Это означает, что внутриклеточные БПММ в форме ГИВБК будут преимущественно накапливать Hydr{K+}, и в меньшей степени Hydr{Na+}, которые будут вытесняться из слоев структурированной воды вокруг ГИВБК. Этот результат также согласуется с утверждением Pollack'а, Трошина, Линга и др. о том что, концентрации внутриклеточных растворенных веществ поддерживается за счет физико-химических свойств содержимого клетки.

Связанность Hydr{K+} в ГИВБК внутри цитоплазматической фазы W живой клетки, объясняет тот экспериментальный факт, что при контакте с 85%-ым глицерином мышца в течение часа теряет 80% воды и только 10% (!) калия, и это при том, что соли калия (в частности, KCl) хорошо растворимы в глицерине. Кроме того, связанность гидрат-ионов K+ c БПММ в целом неопровержимо подтвердили также и другие многочисленные эксперименты. Так, например, в эксперименте по утечке ионов калия, проведенном Kellenmayer (Kellenmayer et all, 1986) с сотр., было обнаружено, что после разрушения мембраны калий не выходил из клетки даже после довольно продолжительного времени; а когда утечка начиналась, калий покидал клетку вместе с белками.

Рис.2 Схема фазового равновесия между водными растворами электролитов в контактирующих фазах W0 и W.

На этой схеме двойными скобками [{Меi+}g]g представлены формы существования гидрат-ионов в растворе в виде устойчивых соединений со вторыми и последующими гидратными оболочками. Это те формы, которым, как упоминалось выше, в растворе соответствует минимум свободной энергии Гиббса G(S0). А именно, эти формы таковы:

ь [{Na+}g]gW0 - Hydr{Na+} в фазе W0;

ь [{K+}g]gW0 - Hydr{K+} в фазе W0;

ь [{Na+}g]gW - Hydr{Na+} в фазе W;

ь [{K+}g]g---ВБКW - Hydr{K+}

связанные в ГИВБК в фазе W.

Структурная схема формы комплексного соединения ГИВБК дана.

Из выше изложенного следует, что растворы соприкасающихся фаз W0 и W будут содержать в большей относительной концентрации гидрат-ионы не одинаковых типов. А именно, фаза W будет содержать в преимущественной концентрации Hydr{K+}, а фаза W0 Hydr{Na+}.

Гидрат-ионы, которые по какой-либо причине преимущественно концентрируются в одной из фаз, будем называть фазо- определяющими гидрат-ионами. Таким образом, в фазе W0, которой, в качестве примера, соответствует внеклеточная жидкость, фазо- определяющими являются Hydr{Na+}. В то время, как для цитоплазматической фазы W таковыми будут Hydr{K+}.

Преимущественное накопление различных типов гидрат-ионов, Hydr{K+} в фазе W и Hydr{Na+} в фазе W0, по обе стороны границы раздела двух контактирующих фаз живой клетки, связано с образованием пограничного потенциала цпп = ц - ц0. Положение, что сама цитоплазма клетки наделена способностью генерировать потенциал, имеет экспериментальное подтверждение. Так в работах: (Naylor, Merrilees, 1964; Weis et all., 1967; Collins, Edwards, 1971; Miller, 1979; Stephenson et all., 1981; Bartels, Elliot, 1985; Naylor et all., 1985) было показано, что лишенные мембраны образцы обнаруживают довольно ощутимые потенциалы. Поскольку ни один из этих образцов не имел функционально активной мембраны, то измеренные разности пограничных потенциалов цпп между контактирующими фазами в цитоплазме обусловлены непосредственно физико-химическими свойствами самих этих фаз, а точнее, количественными значениями термодинамических функций содержимого этих фаз. В целом, в настоящее время наличие в цитоплазме пограничных потенциалов является общепризнанным экспериментальным фактом (Pollack, 2002).

Согласно термодинамике, условием физико-химического равновесия, устанавливающегося в сложной гетерогенной системе с двумя контактирующими фазами и с различными концентрациями фазо-образующих катионов, является равенство электрохимических потенциалов данных фаз по обе стороны от разделяющей их границы, т.е.:

(W) = (W0) .

Для системы двух контактирующих фаз, представленной на Рис.2, с учетом их фазо- определяющих гидрат-ионов, Hydr{Na+} в фазе W0 и Hydr{K+} в фазе W, химические потенциалы представлены следующими выражениями:

(W0) = - ?GS({Na+}g) + (ln[Na+]W + ln[K+]W)RT + zFц0

(W) = - ?GS({K+}g) + (ln[K+]W + ln[Na+]W)RT + zFц

цпп = - {?GS({K+}g) - ?GS({Na+}g) + (ln(cin/cout)K+ - ln(cout/cin)Na+)RT}/zF (*)

где использованы следующие равенства:

(cin)K+/C ? [K+]W ; (cout)K+/C0 ? [K+]W ;

(cout)Na+/C0 ? [Na+]W ; (cin)Na+/C ? [Na+]W ,

где C0 и C - молярные суммы действующих компонентов раствора в фазах W0 и W, соответственно. Различие между C0 и C пренебрежимо мало.

Расчет значения величины пограничного потенциала цпп для гигантского аксона кальмара с известными значениями концентраций (моль на 1 кг H2O): (cin/cout)K+=0,340/0,0104 и (cout/cin)Na+ =0,463/0,049 дает:

цпп = - 58,5 мВ .

Это хорошо согласуется с экспериментальным значением - 60 мВ.

Поскольку величины ХПСС ?GiS у Hydr{F-} и Hydr{Cl-} пренебрежимо малы по отношению к тепловой энергии, то присутствие этих гидрат-анионов в растворе не влияет на величину свободной энергии Гиббса ни одной из трех водных фаз W0, W, W. Потому эти гидрат-анионы не влияют на величину межфазового пограничного потенциала цпп. Этим объясняется принятое по умолчанию условие при расчете величины цпп по формуле (*), согласно которому нулевой вклад гидрат-аниона Cl- в эту величину не зависит от уровня его содержания в контактирующих фазах. Этот вывод согласуется с ранее установленным экспериментальным фактом (Adrian, 1956; Hodgkin and Horowicz, 1960), что пограничный потенциал покоя цпп в условиях диффузного равновесия между вне-W0 и внутри-W фазами безразличен к уровню содержания основного метаболического аниона Cl-.

Заключение

Применение термодинамического описания к гетерогенным системам, содержащим гидрат-ионы, предоставляет основу для строгого теоретического обоснования фундаментальных свойств живой клетки, которые зависят от происходящих в ней процессов с их участием.

Полученные результаты для системы, состоящей из двух непосредственно контактирующих водных фаз W0 и W, могут быть также использованы и для системы, в которой эти фазы разделены перегородкой (мембраной), проницаемой для воды и гидрат-ионов.

Свойство содержимого цитоплазмы индуцировать специфические свойства внутриклеточной водной фазы W обусловлено в первую очередь образованием ГИВБК, ответственных за данный эффект.

Образование многослойной структуры воды в специфических фазах W и W термодинамически выгодно, благодаря чему в обычных условиях живой клетки нативное состояние БПММ в форме ГИВБК с участием гидрат-ионов является термодинамически наиболее устойчивым.

Размещено на Allbest.ru