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.

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 фазоопределяющими гидрат-ионами. Таким образом, в фазе W0, которой, в качестве примера, соответствует внеклеточная жидкость, фазоопределяющими 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 фазоопределяющих 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 Clв 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-.