ОСОБОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В ЖИВЫХ КЛЕТКАХ Gerald H Pollack “Cells, Gels and the Engines of Life” © Шкляр Т. Ф. 2011
СХЕМА СТРОЕНИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ клетка клеточная мембрана протоплазма цитозоль ядро клеточные органеллы
ТРОШИН Афанасий Семенович (1912 - 1985) российский цитолог, цитофизиолог, членкорреспондент АН СССР Проблемы клеточной проницаемости. 1956. Распределение веществ между клеткой и средой Л. Наука, 1985 Предположение о несвободной, «структурированной» воде в клетке. За разделение веществ (калий, натрий) несет ответственность не мембрана, а внутриклеточная вода и цитоплазма с ее особыми физическими свойствами.
Нобелевский лауреат Szent-Gyorgyi (Альберт Сент. Дьёрдьи) (1893 -1986) «Состояние живого» (1972). «Основным свойством всего живого является взаимодействие молекул воды с макромолекулами, которые стимулируют окружающую воду к структуризации; и уже структурированная вода служит им в качестве защиты, разделяющего или, наоборот, связующего компонента» . Гильберт Линг (р. 1919) «Теория физики живого состояния» (1962). «Структуризацию воды провоцируют заряженные поверхности белков клетки, к которым молекулы воды адсорбируются из-за своей полярной природы» . Гильберт Линг Физическая теория живой клетки Незамеченная революция Санкт-Петербург, "Наука“ 2008
Рядом исследователей высказаны предположения о том, что плоские поверхности оказывают значительное влияние на расположенные рядом молекулы воды. Принцип теории: давление, приложенное к жидкости, начинает сжимать ее сначала быстро, потом медленно но никогда не произойдет полное вытеснение воды между поверхностями. Вода прочно удерживается поверхностями!
Исследование природы липкости воды Jacob N. Israelachvili Professor Chemical Engineering, Materials Очевидный результат: Чем плотнее приближались друг к другу поверхности, тем большая сила должна быть приложена. Сюрпризы: 1. Получена зависимость с регулярно расположенными пиками. Расстояние между пиками эквивалентно диаметру молекул растворителя. 2. Зафиксировано 8 -10 пиков, отвечающих числу слоев зажатой жидкости
Steve Granick University of Illinois at Urbana-Champaign Измерение вязкости воды F При больших расстояниях между пластинами вязкость растворителя не отличалась от обычной объемной вязкости. По мере приближения пластин вязкость ступенчато возрастала. Заметное увеличение вязкости на расстоянии 5 нм (12 диаметров молекул растворителя). Уменьшение расстояния на 1 нм (от 3, 5 до 2, 5) приводило к 10 кратному возрастанию вязкости.
Кварцевые пластины и вода Возрастание вязкости на расстоянии 200 нм, что соответствует сотням слоев воды! Процесс наслоения зависит от природы поверхности Заряженные гидрофильные поверхности реагируют с диполями воды, препятствуя их само-ассоциации. Образуются вязкие слои воды. Белки клетки несут на своей поверхности гидрофильные группы ( заряды и полярные элементы). Поверхности белковых молекул должны стимулировать воду к образованию слоев.
Слоистая структура является прямым следствием дипольной природы молекул воды. Концентрация воды в клетке 55 М, концентрация ионов калия 0, 1 М Напластования зависят от силы центра организации и силы теплового движения, направленной на разрушение образующихся структур. Тепловая энергия молекул в несколько десятков раз слабее, чем связующая энергия водородных связей Для прочного укрепления слоев структурированной воды заряды на поверхности белков должны быть плотно упакованы. Для плотного укрепления слоев воды заряды должны быть плотно упакованы
Упаковка полипептида Альфа- спираль При упаковке полипептидной нити белков в складчатый слой или спираль карбонильные и аминогруппы повторяются через каждые 7 А и 14 А. Структурные блоки белков расположены регулярно, что влечет за собой регулярность в расположении зарядов на их поверхностях. Складчатый слой Достаточна ли плотность поверхностных зарядов для эффективной структуризации воды? Расчет приемлемости схемы структуризации воды методом сравнения размера диполя воды с площадью участка заряженной поверхности. Площадь, занимаемая молекулой воды – 2 -4 А. Следовательно, на каждом заряженном участке может расположиться от 2 до 7 молекул воды. Вполне достаточно для прочного укрепления водных слоев! Очевидно, что поверхности с наиболее регулярным расположением зарядов должны структурировать наибольшее количество молекул воды.
Сколько воды в клетке могут организовывать белки? Цитоплазма клетки наполнена белками. Сеть белковых (актиновых) нитей в цитоплазме фибробласта. Фрагмент (саркомер) сократительного мышечного волокна Эндоплазматическая сеть Анализ микрофотографий (высоковольтный электронный микроскоп) между видимыми поверхностями расстояние примерно 5 нм. Что грубо соответствует 14 водным слоям. Учитывая узость промежутков, а также структурирующие свойства поверхностей макромолекул, с большой долей уверенности можно заключить, что основная фракция воды в клетке уложена в слои!
Доказательства структурированности воды в клетке Методы: 1. ЯМР - Ядерно-магнитный резонанс 2. УВЧД - Ультра-высоко-частотная диэлектрическая дисперсия 3. КЭНР - Квази-эластическое нейтронное рассеивание
Морской еж и его яйца
ЯМР ядерно- Принцип действия: постоянное магнитное поле, магнитный резонанс перпендикулярно направленное колеблющееся магнитное поле. Возбужденное состояние атомов водорода (протонов) воды. Отключение переменного магнитного поля. Регистрация времени перехода протонов в «расслабленное» состояние. Время, требуемое для релаксации определяется степенью взаимодействия соседних молекул. Протоны структурированной воды будут переходить в расслабленное состояние быстрее, чем неструктурированной. В делящихся клетках морского ежа количество белковых структур зависит от фазы деления. Во время фазы с наибольшим количеством белка время релаксации протонов наименьшее.
УВЧД ультра-высокочастотная диэлектрическая дисперсия В электрическом поле молекулы воды направленно выстраиваются, благодаря своей дипольной природе. В переменном электрическом поле происходит перестройка. Регистрируется критическая частота, когда молекулы теряют способность своевременно реагировать на изменение направления электрического поля. При связывании воды частота должна понижаться Критическая частота, необходимая молекулам воды для достижения ослабленного состояния Простая вода Яйца морского ежа, цисты креветок , клетки тканей кролика. Лед 20 ГГц 5 -7 ГГц 10 КГц Расчеты показали, что 30% молекул воды связаны очень плотно, 70% связаны в меньшей степени, несвязанная вода отсутствует.
КЭНР квази- эластическое нейтронное рассеивание Принцип метода: медленные нейтроны, сталкиваясь с молекулами воды, рассеиваются во всех направлениях. Энергетический спектр рассеивания будет уже, если вода находится в структурированном состоянии, т. к. ширина спектра зависит от свободы поступательных и вращательных движений молекул воды. Регистрируют поступательные и вращательные коэффициенты диффузии. В яйцах морского ежа (цисты креветок) поступательный коэффициент диффузии снижается в 3 раза, вращательный в 13 раз. Зафиксирована существенная связанность внутриклеточной воды.
Все три метода свидетельствуют о том, что В клетке, в отличие от простого раствора, б. Ольшая фракция воды находится в организованном (структурированном) состоянии.
? Может ли наличие структурированной воды повлиять на функции клетки (организма)? Удивительные свойства живого, объясняющиеся наличием связанной воды в клетках: Вязкость цитоплазмы Способность клеток сохранять целостность после удаления мембраны Устойчивость пустынных растений к водопотерям Сопротивляемость низким температурам
Скачать презентацию ОСОБОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В ЖИВЫХ КЛЕТКАХ Gerald H
6a. Структурированная вода в клетках.ppt