4. ОБЪЯСНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В годы своего расцвета мембранная теория была способна, казалось, объяснить все 4 фундаментальных свойства клетки одним простым, но нелепым предположением: клетка — это разбавленный раствор электролитов и других осмолитов, заключенный в мембрану толщиной около 100 Å, а белковый матрикс клетки, как неотъемлемый элемент конструкции, можно в расчет не принимать. И на таком вот фундаменте была выстроена (и до сих пор стоит и шатается от малейшего ветерка как глиняный колосс) вся наука о клетке. После ее фактического краха настал черед ТАИ дать объяснение тех же самых физиологических явлений при помощи почти столь же простого предположения: клетка — это протоплазма, интегрированная структура клетки, поддерживаемая в состоянии покоя ключевым фактором — АТФ, — и еще рядом вспомогательных факторов.
К сожалению, объяснение двух явлений (из четырех) с позиций ТАИ требует серьезной работы с формулами и графиками. Вываливать все это на неподготовленного читателя негуманно — данный текст и без того весьма сложен для понимания.. Поэтому в двух пунктах мы оставили лишь сведения, представляющие собой практический интерес, полностью опустив академическую часть.
4.1 Распределение веществ между клеткой и средой
Сначала вспомним некоторые факты. При 0 °С и в отсутствие инсулина большая часть D-глюкозы и глицина находится в воде мышечного волокна, то есть не связана клеточными структурами (этим отличаются еще 20 неэлектролитов). Добавление инсулина вместе с праймером (затравкой) при 25 °С создает в мышечных волокнах лягушки центры избирательной адсорбции D-глюкозы (и глицина).
Добавление в безглюкозную среду лактозы стимулирует Е. coli синтезировать три белка, один из которых сразу стал рассматриваться в качестве лактозного насоса (в соответствии с действующей в научных кругах фантастической парадигмой), названного лактозной пермеазой. Однако острый конфликт концепции насосов с законом сохранения энергии заставляет пересмотреть функцию этого белка. Альтернатива состоит в том, что он является инсулиноподобным внутриклеточным гормоном. Это интересное предположение основывается на сходстве действия этой пермеазы в отношении накопления лактозы в Е. coli с действием инсулина на накопление D-глюкозы в мышце лягушки. И второе: пермеаза обнаруживается не в мембранной фракции гомогената Е. coli, а только в цитоплазматической.
4.2 Проницаемость
В ТАИ поверхность клетки, условно называемая клеточной мембраной, является пограничным состоянием все той же системы фиксированных зарядов и связанной воды, характерной для всего тела клетки (непринципиальные изменения вносятся лишь процессами, характерными для межфазной границы).
Модель строения клеточной мембраны в соответствии с ТАИ отличается высочайшей гибкостью благодаря заложенным в нее физическим принципам. Согласно этой модели, проницаемость клетки определяется сорбционными свойствами поверхности клетки, ее более глубоких слоев и всей протоплазмы в целом. Кроме того, важную роль в этих процессах играет и связанная внутриклеточная вода. Все эти факторы проницаемости могут широко варьировать от одного типа клеток к другому — в зависимости от потребностей клетки в ионах, неэлектролитах и амфолитах — например, в свободных аминокислотах и даже в гигантских молекулах белков. Никаких трудностей в объяснении столь значительных различий между клетками ТАИ не испытывает.
4.3 Регуляция объема клетки
Объем клетки складывается в основном из объема воды и клеточных белков. Соотношение количества воды и белков не остается постоянным и зависит как от физиологического состояния клетки, так и от ее типа. В целом это соотношение определяется тремя факторами, каждый из которых сводится, в конечном счете, к различиям в свойствах белков и в их количестве.
Первым фактором является способность доступных для растворителя участков полипептидных цепей и целых белков с полностью развернутой конформацией связывать воду, организуя ее в многослойную структуру поляризованных, ориентированных в пространстве молекул воды.
Равновесный объем клетки определяется:
1. балансом сил между адсорбцией воды, увеличивающей объем клетки, и
2. двумя другими факторами, противодействующими увеличению объема:
2.1. солевыми связями (внутри- и межбелковыми), возникающими между фиксированными зарядами повсюду в клетке и ограничивающими способность белков связывать воду, и
2.2. веществами с низким коэффициентом распределения между клеткой и средой (величиной q).
В клетке эти вещества представлены только свободной фракцией и, поскольку их концентрация в клеточной воде меньше, чем в среде, этот компонент в общем балансе осмотических сил способствует потере воды клеткой, то есть уменьшению ее объема — вода уходит туда, где концентрация растворенных веществ выше.
Реальность первого из упомянутых факторов контроля объема клетки (т.е. адсорбции воды полипептидной цепью) подтверждается тем, что:
• выделенные мышечные волокна лягушки сохраняют свой нормальный объем не только в физиологическом растворе, но и во влажном воздухе с таким же парциальным давлением пара, что и у раствора Рингера
• состояние 95% воды в мышечном волокне лягушки подчиняется изотерме адсорбции Брэдли
• лишь полноразвернутые или экстравертные модели, такие, как желатин, ПЭО и ПВМЭ, способны поглощать столько же воды, сколько и клетки.
Роль солевых связей между фиксированными зарядами подтверждается тем, что интактные клетки сильно набухают в изотоническом растворе КСl (разрушающем солевые связи), но не меняют своего объема в изотоническом растворе NaCl, не способном разорвать солевые связи в клетке в состоянии покоя из-за низкого сродства карбоксильных групп к Na+. Вклад веществ, представленных в клетке только одной, свободной фракцией, растворенной в клеточной воде (и имеющих низкий коэффициент распределения), подтверждается тем, что клетки сжимаются в присутствии в среде NaCl в высоких концентрациях (величина q для Na+ невелика) и, с другой стороны, набухают в изотонических растворах веществ с величиной q, близкой к 1, таких как мочевина и этиленгликоль.
Общий механизм набухания клетки при повреждении и под влиянием КСl (в повышенных концентрациях), а также зависимость этого набухания от концентрации NaCl в среде и от содержания АТФ в клетке говорит в пользу взглядов ТАИ на регуляцию клеточного объема и ключевую роль АТФ как электрон-акцепторного кардинального адсорбата (ЭАКА) в поддержании состояния покоя живой клетки.
4.4 Потенциал покоя
На протяжении вот уже более 100 лет, со времени публикации мембранной теории потенциала покоя Бернштейна, предпринималось немало попыток найти искусственную (модельную) систему, свойства которой полностью отвечали бы требованиям мембранной теории потенциалов. Все они были безуспешны.
Причина неудач — в ошибочности самой теории. На реальной мембране, какой она предстает перед нами в виде липидной пленки любой толщины, не может возникнуть мембранный потенциал так, как это представляет себе мембранная теория. Действительно, как только проникающие в клетку ионы войдут в мембрану, их сразу остановит притяжение оставшихся снаружи ионов с противоположным зарядом, для которых мембрана непроницаема. В результате на границе раздела образуется двойной электрический слой, создающий устойчивую разность потенциалов, но не между сторонами мембраны, а на одной или на обеих границах раздела фаз — липидная фаза/внешняя среда, липидная фаза/внутренняя среда, на что указывала еще теория Нернста.
Всякий раз, когда приверженцы мембранной теории отвергали ту или иную разумную модель как мешающую им жить, оказывалось, что она идеально соответствует теории локализованной поверхностной адсорбции (ЛПА). Две такие модели особенно интересны:
1. стеклянная мембрана (особенно в свете открытия Горовитцем роли поверхностных катионов в образовании электрического потенциала) и
2. коллодиевая мембрана (особенно в свете открытия Соллнером с сотр. роли фиксированных поверхностных карбоксильных групп в образовании электрического потенциала).
Однако лучшей из всех искусственных моделей стала их комбинация — стеклянный электрод, покрытый окисленным коллодием (КС-электрод), и его модификация — стеклянный электрод, покрытый коллодием и обработанный затем полилизином (ПКС-электрод).
И КС-, и ПКС-электроды доказывают, что возникающий на них потенциал не имеет ничего общего с проницаемостью мембран для ионов — величину и знак потенциала определяют поверхностные фиксированные анионные центры. Поражает чрезвычайная схожесть КС-модели с живой клеткой:
1. и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода нечувствительны к Сl-
2. и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода нечувствительны к двухвалентным катионам, таким, как Mg2+
3. сравнительная чувствительность к ионам щелочных металлов как потенциала покоя мышцы лягушки, так и потенциала КС-электрода соответствует относительно низкой величине с (низкой плотности электронов на фиксированных анионах)
4.и потенциал покоя мышцы лягушки, и потенциал КС-электрода примерно в 100 раз более чувствительны к Н+, чем к К+.
На данный момент все или почти все корректно измеренные потенциалы покоя того или иного вида клеток можно с высокой точностью количественно описать, по сути, одним и тем же уравнением Линга, которое является производным более общего уравнения распределения веществ между клеткой и средой, учитывающего кооперативное взаимодействие центров связывания.
5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ КАК ОБРАТИМЫЕ КООПЕРАТИВНЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ИНДУКТИВНЫМ ЭФФЕКТОМ
В покоящихся мышечных волокнах лягушки при физиологических температурах ионы К+ адсорбируются на β- и γ-карбоксильных группах в стехиометрии 1:1, а молекулы воды — на CONH-группах полипептидного остова белков в виде многослойной структуры из поляризованных и ориентированных молекул. Однако достаточно небольшого подъема температуры (лишь на 10 °С), чтобы мышечные волокна погибли. При этом и К+, и клеточная вода высвобождаются из связанного состояния. Подчеркнем особо: столь высокая чувствительность клетки к температуре свидетельствует не только о низкой энтропии протоплазмы, но и о том, что механизмы, лежащие в основе наблюдаемых изменений состояния клеточного К+ и воды, — по своей природе электронные, и могут быть количественно выражены изменениями показателей, названных «величиной с» и «аналогом величины с» (то есть изменениями плотности электронов на отрицательных фиксированных зарядах и отрицательных полюсах диполей соответственно).
5.1 Электронная плотность на функциональных группах белка — пульт управления жизнедеятельностью
В 1902 году Э. Овертон обнаружил, что для мышечного сокращения необходим Na+ (или Li+) в среде. Почти через полвека Ходжкин и Катц выяснили, что возбуждение нервного или мышечного волокна сопровождается локальным повышением проницаемости «мембраны» для Na+. При этом Na+ стремительно входит в цитоплазму, что и приводит к потенциалу действия. Если в окружающей среде нет Na+ — не будет ни потенциала действия, ни возбудимости. На основе этих данных была создана теория потенциала действия Ходжкина и Хаксли, опубликованная в 1952 году. Хотя авторами внесен неоценимый вклад в данную область, а их теория потенциала действия была действительно красивой, ей не суждена была долгая жизнь. Теперь мы знаем, что потенциал покоя — это никакой не трансмембранный потенциал, поэтому и теория потенциала действия оказалась основанной на ложных предпосылках. При таких обстоятельствах потребовалось новое теоретическое объяснение.
Такое объяснение Линг предложил в 1955 году. Он исходил из того, что потенциал покоя клетки имеет много общего с потенциалом стеклянного электрода. Оба возникают благодаря присутствию на поверхности фиксированных анионных центров. На поверхности нервных и мышечных волокон эти центры представляют собой β- и γ-карбоксильные группы, избирательные в состоянии покоя к К+. Таким образом, поверхность клетки в покое играет роль калий-чувствительного стеклянного электрода. Однако в состоянии возбуждения она превращается в натрий-чувствительный электрод.
Ключ к механизму такого превращения был найден в ионообменных смолах, свойства которых играли важную роль в становлении ТФЗЛ в 1952 году. Сульфонатный тип ионообменных смол избирателен к К+ в присутствии Na+, а карбоксильные ионообменные смолы — наоборот. Брегман приписывал избирательность к К+ сильным кислотным группам, а избирательность к Na+ — слабым. Он объяснял эти различия разной поляризуемостью их кислотных групп, как ранее это делал Бунгенберг-де-Йонг с сотрудниками.
Идея Эйзенмана, Рудина и Кесби о том, что изменение ионной избирательности может быть вызвано изменением напряженности поля вокруг анионных центров стекла, подтолкнуло Линга продолжить развитие ТФЗЛ. Результатом этих усилий стала ТАИ. Эта фундаментальная физико-химическая теория живой клетки стоит на том, что смена физиологически состояний означает изменения электронной плотности на атомах кислорода β- и γ-карбоксильных групп и на функциональных группах пептидной связи в масштабах всей клетки или отдельных ее структур, и что эти изменения можно количественно описать с помощью параметра «величина с».
«Величина с» (исчисляющаяся в ангстремах) — независимый параметр, от значений которого зависят константы диссоциации кислотных групп, а значит, и их рК. Так, уксусная кислота СН3СООН обладает высоким рК, равным 4,75. Соответственно, она имеет высокую «величину с», т.е. относительно высокую плотность электронов на кислотной группе. При замещении одного из метильных атомов водорода атомом хлора образуется монохлоруксусная кислота СlСН2СООН. Атом хлора сильнее притягивает электроны, чем замещенный им атом водорода. В результате индуктивного эффекта (перераспределения электронной плотности в молекуле) электронная плотность на карбоксильном атоме кислорода снижается. Снижение плотности заряда (уменьшение «величины с») уменьшает сродство отрицательно заряженной карбоксильной группы к положительно заряженным протонам (Н+), в результате чего ее рК снижается до 2,8. При замещении двух атомов водорода на хлор образуется дихлоруксусная кислота, чья рК составляет 1,3, а «величина с» снижается еще больше. Наконец, при замещении всех трех атомов водорода атомами хлора образуется трихлоруксусная кислота, чья рК меньше единицы, а «величина с» крайне низка. Это — яркий пример индуктивного влияния одних функциональных групп на свойства других, удаленных групп, в пределах одной молекулы.
Определившись с «величиной с» как с количественной мерой плотности электронов и выбрав полипептидную цепь в качестве линейной модели, Линг вычислил энергию ассоциации с ней 5 ионов щелочных металлов, а также Н+ и NH4+ (ион NH4+ служил также моделью для описания свойств фиксированных катионов). Исследование свойств такой модели показало, что изменение «величины с», в самом деле, может повлечь за собой появление избирательности к К+ в присутствии Na+ или, наоборот, — к Na+ в присутствии К+. Что не менее важно — полученные данные позволяют объяснить, как изменение «величины с» влияет на образование или разрыв солевых связей.
В отличие от «величины с» β- и γ-карбоксильных групп, расположенных на коротких боковых радикалах, «аналог величины с» отражает электронную плотность на карбонильных атомах кислорода (иминогруппа пептидной связи поляризуется значительно слабее), расположенных прямо на полипептидном остове. Взаимосвязь между «аналогом величины с» и избирательностью взаимодействия этих групп была выведена из следующих фактов и предположений:
1. Склонность пептидной группы NHCO включаться в α-спирали (или β-складчатые структуры) напрямую зависит от электронодонорной силы боковой группы, примыкающей к данной пептидной связи.
2. Электронодонорную силу боковой группы можно определить по рК соответствующей (гомологичной) карбоновой кислоты (например, уксусной кислоты для аланина, муравьиной кислоты для глицина и т.д.).
3. Склонность каждого аминокислотного остатка (боковая цепь и прилегающие к ней функциональные группы пептидной связи) образовывать α-спиральную, β-складчатую конформацию или конформацию случайного клубка (полноразвернутую конформацию) можно установить эмпирически.
Итог анализа свойств функциональных групп пептидной связи и, прежде всего, карбонильного кислорода сводится к тому, что показана положительная линейная корреляция (с коэффициентом корреляции около 0,75) между α-спиральными потенциалами (склонностью вступать в водородные связи) 19 аминокислотных остатков и значениями рК гомологичных им карбоновых кислот. Столь сильная корреляция, в свою очередь, позволила выяснить природу избирательности карбонильных атомов кислорода полипептидного остова: при высоком значении «аналога величины с» (т.е. при высокой плотности электронов на них) остов полипептида предпочитает образовывать α-спиральную конформацию, а при низком «аналоге величины с» он предпочитает адсорбировать, поляризовать и ориентировать молекулы воды с образованием многослойных ассоциатов из ее молекул.
Терапевтическая польза, которую мы извлекаем из п. 5.1 — становятся понятны:
- принципы электропунктурных методов воздействия на организм
- механизм, лежащий в основе действия на организм воды, активированной электрохимическим путем (анолит/католит)
- фундаментальное нарушение, лежащее в основе астмы
Базис и методология известных методов электропунктурной диагностики
. 
( 
) 
не, не все применяют.
