Несколько цитат из книги Линга, наглядно демонстрирующих масштаб иного мышления:

«Представьте себе, что с помощью машины времени мы послали английской королеве Виктории портативный магнитофон на батарейках... Восхищенная магическим ящичком, издающим божественные звуки по мановению руки, королева повсюду носит его с собой пока... пока в нем не садятся батарейки или случайно не выходит из строя какая-то важная деталь. Королева настолько потрясена горем, что обещает любую сумму денег тому, кто сможет починить магнитофон. Но, увы, усилия лучших из лучших мастеров королевства тщетны. Тогда королева призывает самых различных гениев из других стран — результат неизменен: сколько бы средств ни было затрачено и сколько бы международных симпозиумов ни созвано, магнитофон починить не может никто (тогда как в наши дни это может сделать любой радиолюбитель). По той простой причине, что нет надлежащих знаний. Войну с раком, СПИДом и прочими дегенеративными заболеваниями человечество проигрывает по той же самой причине, по которой даже лучшие умы, поставленные на службу королеве Виктории, не могут починить магнитофон, несмотря на любые объемы финансирования».

«Уже один тот факт, что распределение в клетке огромного разнообразия фундаментально различных веществ описывается одним и тем же простым уравнением (которое А. С. Трошин из Ленинградского Института Цитологии вывел независимо от меня еще в 1951 году), сводит на нет весь пессимизм относительно того, что живые организмы до конца непознаваемы, поскольку устроены слишком сложно для человеческого понимания. В действительности же, гениальная простота пронизывает абсолютно все аспекты физиологии клетки, что, при грамотном применении, позволяет управлять всеми аспектами жизни».

«Накоплено огромное количество данных, свидетельствующих в пользу того, что системы, содержащие изолированные белки и полипептиды, представляют собой вовсе не жесткие твердые конструкции, а наоборот — характеризуются высокой степенью нестабильности, т.е. являются динамическими системами. При прекращении воздействия на такую систему белков, возвращение в исходное состояние происходит отнюдь не сразу, а лишь после череды колебаний между противоположными конфигурациями, которые могут усиливаться или сглаживаться такими факторами, как изменения атмосферного давления, внешние вибрации, поля или даже просто громкий шум. Именно такое флуктуирующее состояние, реагирующее на малейшие изменения в среде, и обеспечивает возможность максимально прецизионного слежения за окружающей обстановкой».

«На страницах своей книги я предлагаю детальный критический анализ общепринятой теории клеточных мембран, а также объясняю, почему представление о клеточных мембранах как о двойных липидных слоях, пронизанных своего рода порами или каналами, полностью ошибочно... Несмотря на то, что фосфолипиды несомненно входят в состав большинства клеточных мембран, их роль в обеспечении проницаемости таковых для воды, ионов и неэлектролитов — в лучшем случае вторична, да и то наблюдается лишь в очень ограниченном числе клеток... Удаление 95% липидов из мембран митохондрий печени (Фляйшер, 1967), а также из мембран микробных клеток (Моровиц и Терри, 1969) не привело даже к малейшим разрушениям трехслойной мембранной структуры».

Большинство людей, небезразличных к своему здоровью, свято убеждено в том, что медицинская наука постоянно развивается — идет вперед семимильными шагами, внедряет нанотехнологии и т.д., что лекарства становятся все лучше и эффективнее, и что за помощью необходимо обращаться только в соответствующие заведения (поликлиники, клиники, больницы, медицинские центры и т.д.).

При этом мало кто в состоянии задуматься о том, почему в таком случае — если все так хорошо и прогрессивно — смертность от самых различных заболеваний год от года неуклонно возрастает. Соответственно, лавинообразно возрастает и спрос на лекарства и медицинские услуги — и это в то время, когда он обязан неуклонно снижаться. Если бы рекламируемые достижения медицины действительно чего-то стоили, то заболеваемость обязана была бы падать. А она растет. Но этого никто замечать и принимать в расчет не хочет.

Стоя перед телом больного человека, современная медицина находится примерно в том же недоумении, в каком пребывал бы перед сломавшимся магнитофоном весь цвет науки, существовавший при королеве Виктории. В 19 веке умных людей было не меньше, чем сегодня. А вот понятия о транзисторах не существовало. Поэтому сколько вокруг сломавшегося магнитофона плясок с бубном ни устраивай, заставить его работать на этом этапе познания не-воз-мож-но. Аналогично: сколько мембранную теорию ни терзай, сколько мышей, морских свинок, обезьян и кальмаров в расход ни пускай, сколько тупым скринингом ни занимайся, сколько докторских и кандидатских ни защищай, сколько в академики ни рядись — оживить труп на этом этапе познания не-воз-мож-но.

Были ли люди, занимавшиеся наукой в 1900 году, глупыми? Разумеется, нет. Почему же они не в состоянии починить магнитофон? Потому что в то время полностью отсутствовало понятие об электронике. Сделали бы ученые того времени какие-то предположения относительно устройства диковинного предмета, разработали бы какие-то гипотезы? Безусловно. Очевидно, что при всем при этом даже лучшие гипотезы не имели бы ровным счетом ничего общего с тем, как устроен магнитофон на самом деле. Опять-таки по той же самой причине — по причине отсутствия даже отдаленного понятия об электронике.

Аналогично, все наши сегодняшние рассуждения об устройстве человека просто смехотворны. Кто бы эти суждения ни делал — простые граждане на кухне, не имеющие профильного образования, или высокие медицинские чины в окружении сотрудников-зубров в самых современных лабораториях. По той простой причине, что у человечества на данном этапе развития нет даже отдаленного понятия о том, как на самом деле живут и управляются живые клетки. Также как и у научного бомонда времен королевы Виктории, у людей сегодня есть масса всевозможных гипотез и теорий относительно нездоровья человеческого тела и способов борьбы с ним. Но, с точки зрения истинного положения дел, все они являются смехотворными и дикими. Чем-то вроде шаманства.

Друг А. С. Самохоцкого, врач-психиатр Е. К. Свидзинский в предисловии к статье, опубликованной в журнале «Химия и Жизнь» в 1989 году, написал:

«...метод Александра Святославовича находился в таком разительном противоречии с общепринятыми представлениями официальной медицины, что публикация казалась немыслимой. Теоретическая медицина находилась (и находится) в плену микробиологии, а ее представления о болезни как о результате внедрения в организм микроба — на уровне представлений знахаря о проникновении в организм злого духа, разница только терминологическая...»

За прошедшие с момента публикации 26 лет ничего не изменилось. И не изменится еще лет 500.

Кому и зачем нужна теория Линга?

В современной науке Гильберт Линг — отклонение, аномалия. Исследования в ней раздроблены на небольшие этапы, в соответствии с небольшими дозами финансовых вливаний, которыми они поддерживаются. Лингу больше подходит старая система научной работы, в которой почета удостаиваются ученые, пытающиеся решить крупные вопросы, требующие постоянных усилий на протяжении целой жизни. Проблемы, над которыми работает Линг, и в самом деле большие. Линг доказал, что клетка работает совсем не так, как это преподносят в школе и в университетских аудиториях. Многим такой переворот во взглядах покажется немыслимым, ведь весь, или почти весь научный мир пришел к единой точке зрения и смотрит с негодованием на тех, кто достаточно дерзок, чтобы идти наперекор подавляющему большинству. Сегодня, как, впрочем, и во все времена, ставить под сомнение «прописные истины» означает рисковать карьерой.

В этом смысле Гильберт Линг — герой науки. До примерно 80 лет ему удавалось противостоять официальной науке дольше полувека, год за годом продолжать твердо отстаивать свои позиции и даже укреплять их. Одно время ему приходилось унижаться, чтобы добиться поддержки своей лаборатории в условиях яростного сопротивления со стороны капитанов науки, особенно тех, от кого зависело финансирование научной деятельности. Теперь, в свои 92 года, Линг отлучен от полноценной жизни в науке — тирания власти сломила все-таки его сопротивление, но его идеи и сейчас не менее значимы, чем полвека назад. Более того, доказательная база его теории постоянно ширится. Жаль только ни мы, ни наши дети, ни даже внуки не смогут всем этим воспользоваться...

© Джеральд Поллак, профессор Отдела биотехнологии Университета штата Вашингтон, Сиэтл

Выражение «магнитно-резонансная томография» (МРТ) сейчас можно услышать в любой квартире. В основе МРТ, изобретенной учеником Гильберта Линга, Рэймондом Дамадьяном, и усовершенствованной позднее Полом Лотербуром, лежит физико-химическая теория жизни Линга — теория ассоциации-индукции, впервые представленная в 1962 году в книге под названием «Физическая теория жизни: теория ассоциации-индукции».

Профессор Ральф Джерард из отдела физиологии Чикагского университета написал в аннотации к этой книге:

«...должны существовать некие основополагающие и всеобъемлющие законы, предопределяющие и объясняющие любые проявления жизни. Именно такой основной молекулярный закон жизни, не более и не менее, предлагает Линг».

Профессор Янг — сосед Линга по комнате в университетском общежитии, а впоследствии лауреат Нобелевской премии по физике 1957 года, соавтор неабелевой калибровочной теории Янга-Миллса (которая многими сравнивается по значимости с теорией относительности Эйнштейна) — так прокомментировал книгу Линга: «Во времена предвкушения учеными всего мира слияния физической и биологической наук эта книга является настоящим событием благодаря, с одной стороны, смелому и новаторскому подходу, с другой — приверженности надежным экспериментальным данным». Тогда никому и в голову не могло придти, что 40 лет спустя технология, разработанная на основе теории Линга, которую так горячо поддержал Янг, — а именно МРТ — спасет жизнь его жене...

Однако оставим хвалебные отзывы и попытаемся ответить на главный вопрос: почему об этом никто не знает? Хотя теория Линга заслужила всемирное одобрение, и публикации в ее поддержку появляются то тут, то там, как в Америке, так и за ее пределами на протяжении всей второй половины XX века, широкая научная общественность, как ни трудно в это поверить, до сих пор ничего не подозревает о ее существовании. Пробить несокрушимую стену консервативной науки и открыть, наконец, миру вопиющие факты, которые были скрыты от широкой публики на протяжении многих лет, к сожалению, не удалось даже за 60 лет упорнейшего труда.

Не только философы, но и ученые далеко не всегда считали, что такое понятие, как жизнь, можно объяснить на основе законов физики и химии. Они утверждали, в частности, что можно лишь наблюдать проявления скрытого жизненного начала (causa vitae), но само его существование не может быть объяснено ни физико-химическими, ни какими-либо иными научными представлениями — точно так же, как можно наблюдать признаки существования всемирного тяготения, но объяснить его природу невозможно.

Наиболее известными противниками витализма были Герман фон Гельмгольц (1821-1894), Карл Людвиг (1816-1895), Эмиль Дюбуа-Реймон (1818-1896) и Эрнст фон Брюкке (1819-1892). Все четверо, как один, свято верили в то, что живой мир подчиняется тем же законам, что и неживой, и они блестяще отстаивали свои воззрения. Однако эта четверка так и не смогла перевести феномен жизни на язык физико-химических терминов. Время для этого еще не наступило.

Эти великие ученые, как и большинство их последователей, изучали лишь физиологию различных органов, тогда как ключ к пониманию жизненных процессов следовало искать в клетке и субклеточных структурах. А ведь в те времена исследования клетки и ее органелл едва начинались. К тому же, несмотря на блестящий талант Гельмгольца как физика и физиолога, ни он, ни его коллеги не располагали еще необходимыми физико-химическими познаниями.

Вначале не было ничего плохого в том, что наука делилась на физику, химию, биологию и т. д. Напротив, подобное упрощение способствовало невиданному прогрессу этих наук за последние два века. Однако разделение всегда влечет за собой изоляцию, а длительная отчужденность неизбежно заводит научную мысль в тупик. Так и эти науки, в конце концов потеряв связь между собой, достигли своего предела. И это не просто какие-то домыслы — некоторые признаки кризиса уже видны невооруженным взглядом.

В 1996 году уважаемое издательство Addison-Wesley выпустило книгу Джона Хоргана «Конец науки» (в русском переводе опубликована в 2001 г. издательством «Амфора», СПб). Сотрудник журнала Scientific American, Хорган взял эксклюзивные интервью более чем у сорока выдающихся ученых, среди которых были физики (Фримен Дайсон, Мюррей Гелл-Манн, Стивен Хоукинг), биологи (Стивен Джей Гулд, Джон Экклз, Стенли Миллер), историки науки (Томас Кун, Карл Поппер, Пауль Фейерабенд) и другие знаменитости. Со слов этих ученых, все они, как и сам Хорган, разделяют общую точку зрения на перспективы науки, и эта точка зрения выражается одним предложением, вынесенным в подзаголовок книги: «Взгляд на ограниченность знания на закате Века науки». Подобная убежденность ученой элиты в неотвратимости гибели науки выглядит чрезвычайно устрашающе.

Основанием для веры в неминуемую гибель науки служат, прежде всего, исторически сложившаяся раздробленность науки и полное неприятие новых идей. Раздробленность знания грозит серьезным кризисом физике и химии. В случае же забвения теории ассоциации-индукции Линга разрушение главенствующей ныне, но устаревшей мембранной теории ведет к краху всей биологии.

И если конец фундаментальной науки так близок, то к чему продолжать тратить на нее государственные деньги? Если фундаментальная наука погибает, то какой смысл молодежи выбирать карьеру в этой области? Кроме того, с сокращением финансирования и притока свежих сил даже самая процветающая наука зачахнет, оправдав поневоле пророчество о Конце науки.

28 июля 2000 года в крупнейших газетах США была напечатана статья репортера Associated Press Анжетты Макквин о шокирующих результатах исследования, проведенного Американской ассоциацией развития науки, или AAAS (проект № 2061, руководитель Джордж Нельсон). Вот характерная цитата из нее: «В больших руководствах по биологии нет больших идей», — и такого сурового вердикта не избежал ни один из десятка наиболее популярных, рекомендованных к широкому использованию учебников по биологии.

Впервые термин «биология» употребил в 1802 году Жан Батист Ламарк (1744-1829). Это слово, как тогда, так и ныне, означает лишь одно: наука о жизни. И ни один вопрос в биологии не может быть более важным, чем вопрос: что есть жизнь в своей основе, которая может и должна быть выражена в терминах и законах науки. Если об этом не забывать, становится понятно: ответственность за то, что учебники по биологии неспособны рассказать о «больших теориях», не может лежать только на авторах этих учебников, или только на их издателях, или только на школьных комитетах, составляющих программу обучения. Ведь, будь в этом виновны лишь отдельные лица, остальным не составило бы труда избежать их ошибок и написать качественные большие учебники с «большими идеями». На деле же не было написано ни единого подобного руководства — следовательно, должны существовать другие, более глубокие причины сложившегося положения.

Проблема заключается в неполноценности того варианта биологии, который до сих пор преподают чуть ли не повсюду, — а именно в том, что этот вариант всегда игнорировал по-настоящему «большую теорию» жизни, возможно, по той причине, что никогда не подозревал о ее существовании. Между тем, теория ассоциации-индукции Линга, оставаясь совершенно неизвестной общественности, является той теорией, которая внятно объясняет, что есть основа жизни с точки зрения современной физики и химии.

Теперь несколько слов о самой теории ассоциации-индукции (АИ). В 1962 году по следам упомянутого выше ее прототипа — теории фиксированных зарядов Линга — была впервые опубликована теория ассоциации-индукции. Однако законченный вид она приобрела лишь в 1965 году, когда была дополнена теорией, объясняющей природу внутриклеточной воды. Именно это событие ознаменовало рождение первой в истории единой физико-химической теории жизни на клеточном и субклеточном уровне.

Слово «ассоциация» в названии теории указывает на тесное взаимодействие и взаимосвязанность трех основных составляющих живой клетки — белков, воды и ионов калия. Этот комплекс составляет общую физическую основу организации клетки, и ни один из его компонентов не свободен от остальных. Это — революционная идея, идущая вразрез с общепринятым представлением о свободном состоянии воды и ионов внутри клетки. Второе слово, «индукция», отражает идею, что живая клетка и ее компоненты вплоть до белковых молекул являются по существу электронными машинами, благодаря которым трансклеточная передача информации и энергии, необходимая для функционирования, реализуется через повторяющиеся во времени регуляторные изменения степени электрической поляризации отдельных функциональных групп и распространение этих изменений в субмолекулярном, молекулярном и надмолекулярном масштабе. Данное положение теории ассоциации-индукции находится в соответствии с известными физическими и химическими закономерностями, и ничего революционного в собственно «индуктивном» компоненте нет, однако роль этого компонента в клеточной организации и регуляции — это та область, о которой организованная наука ничего не знает.

≡≡≡ Согласно Ревичу, фундаментальной характерной особенностью онкологических заболеваний является изменение способности клеток взаимодействовать с ионами калия — происходит либо сверхнакопление K⁺, либо утрата способности удерживать этот ион. Не исключено, что большинство препаратов Ревича представляют собой средства электронного управления, выполняющие роль кардинальных адсорбатов Линга. Кто, как не Ревич, впервые применил при лечении концепцию многоуровневого дуализма заболеваний, т.е. учел те самые повторяющиеся во времени изменение и распространение электрической поляризации в молекулярных ансамблях, о которых говорит Линг?! Такое совпадение кажется невероятным, но это факт.

Узнать подробности дальнейшего развития теории, а также результаты экспериментов, проводившихся во всех странах мира с целью проверки следствий теории ассоциации-индукции, можно из второй книги Линга «В поисках физической основы жизни» (In Search Of The Physical Basis Of Life, Plenum Publ. Co., New York). Спустя еще восемь лет вышла третья книга Линга, название которой огласило окончательный приговор: «Революция в физиологии клетки» (Krieger Publ. Co., Malabar, Florida).

У каждой их этих трех книг была своя задача. Книга, выпущенная в 1962 году (купить ныне невозможно), впервые представила теорию ассоциации-индукции широкой публике. Книга объемом в 791 страницу, увидевшая свет в 1984 году, обозначила истинные масштабы теории и возможные сферы ее применения. Наконец, книга, датируемая 1992 годом и насчитывающая 378 страниц, подводит скрупулезный итог наступившей революции в науке о клетке. Каждая из трех книг содержит важные сведения о теории АИ, которые порой отсутствовали в предыдущих изданиях. Так постепенно назрела необходимость в четвертой книге, которая обобщила бы опыт и достижения предыдущих изданий, охватив тем самым наиболее широкий круг вопролсов теории. Именно эту книгу (после ознакомления с предыдущими) досконально изучает в настощее время Комната 101. От выполнения этой задачи зависит, сумеют ли сегодняшние ученики и завтрашние исследователи правильно идентифицировать и применять лекарства для лечения рака, СПИДа, коровьего бешенства, лихорадки Эбола и т.д. с такой же легкостью, с какой инженер устраняет неисправность в радиоприемнике.

Эта книга предназначена для исследователей, как начинающих, так и опытных, которые удручены постоянным наблюдением явлений, не укладывающихся в заученные каноны, и испытывают гнетущее разочарование в научной работе. Кроме того, книга призвана помочь врачам, которые при всем старании не могут понять законы, которым подчиняется то или иное заболевание. Врачам, которые впадают в злобный ступор от успехов альтернативной медицины там, где общепринятые методы терпят неудачу. Нельзя забывать и о просто здравомыслящих людях, желающих пожить подольше.

Для тех, кто сведущ в современной биологии клетки, но незнаком с работами Гильберта Линга, эта книга станет потрясением.

Однако мы теперь знаем, что взгляд из другого пространства может обнаружить такие вещи, которые непросто разглядеть тем, кто находится на одной с ними планете. Именно в этом огромная заслуга Гильберта Линга — необыкновенные и уникальные идеи.

Я впервые встретил автора этой книги на небольшой конференции в Венгрии в середине 80-х, хотя уже давно был наслышан о его необычных воззрениях. Эта встреча перевернула всю мою жизнь. Сила его доказательств, логика его аргументов и ощущение полного личного резонанса с его парадигмой подсказывали мне, что он обнаружил новый подход фундаментальной важности.

Новичок в этой области, я не только начал жадно читать его книги и статьи, но и раздал их моим лучшим студентам и сотрудникам, буквально пожиравшим их. Теория Линга, по их общему мнению, как минимум очень близка к истине, что подтверждало мое собственное ощущение. Линг явно приоткрыл завесу над самыми глубинными свойствами клетки.

Не ждите легкого чтения. Отправной точкой развиваемых в книге взглядов является физика и физическая химия, и нетвердые знания этих дисциплин грозят полным непониманием идей автора. Я бы выделил два поразительных отличия теории Линга от общепринятых представлений, ставших, к сожалению, догмами.

Первое — тайну фундаментальных физиологических явлений следует искать в цитоплазме, а не только в клеточной мембране. Линг оспаривает, например, существование мембранных насосов (как, впрочем и самих мембран), хотя биологи не устают «открывать» все новые и новые их разновидности. Надо серьезно отнестись к его доводам, так как лежащие в их основе доказательства не смогли быть опровергнуты. Тем временем, сама идея настолько захватывает, что немалое количество студентов, которым я излагал его аргументы, меняло направление своих исследований — настолько они убедительны.

Второе отличие — внутриклеточная вода упорядочена. Линг оспаривает общепринятое убеждение, что большая часть воды клетки представляет собой обычную жидкую воду.

Так, например, в глазах большинства свободная диффузия веществ в клетке является само собой разумеющейся. Однако если вода в клетке упорядоченная, она будет вытеснять вещества из клетки, как лед вытесняет растворенные вещества, концентрируя их в еще не замерзшей части раствора. Я рад заявить, что наши собственные опыты подтвердили теорию Линга, возможно, даже в большей степени, чем он мог ожидать: у гидрофильных поверхностей толщина упорядоченного слоя воды при некоторых условиях может достигать миллионов молекул. Этот факт подтверждает истинность точки зрения Линга и полностью соответствует его теории, тогда как современной биологии клетки трудно объяснить это свойство воды. Способность воды упорядочиваться у гидрофильных поверхностей свидетельствует о том, что взгляды на клеточную воду, десятилетиями гуляющие по учебникам, в корне ошибочны.

Так что попытайтесь отвлечься от заученных истин и прочесть эту книгу — не упустите возможность узнать о клетке то, чего вы не узнаете нигде больше. Она откроет вам новые перспективы там, где вы ожидали этого меньше всего.

Дополнение от 10 мая 2011 года

Я написал информационное письмо руководителю проекта, кандидату технических наук, лауреату премии Правительства РФ в области науки и техники А. В. Малыгину и научному редактору перевода, давнему другу и стороннику Линга, кандидату биологических наук В. В. Матвееву — двум ключевым фигурам, благодаря которым книга Линга увидела свет в России. Поблагодарил за книгу, дал ясно понять, что не ищу ни спонсоров, ни нужных связей, ни «крышу», ни работу, ни что бы то ни было иное в этом же роде, равно как и не пытаюсь что-то навязать или продать. Сообщил о  Ревиче, который, разработав совершенно другую теорию (липидную), смог, теме не менее, открыть и применять на практике экзогенные кардинальные адсорбаты Линга и прочие вещества, обладающие свойством электронных ключей. Сообщил также о  том, что я продолжаю дело Ревича и имею серьезные практические результаты.

Малыгин не ответил вообще, реакция Матвеева была более чем сдержанная — если в одно предложение, то «рад, что книга Линга служит вам подспорьем». Иными словами, люди, которые потратили столько сил и времени на опубликование голой теории, не проявили никакого интереса к ее практическому воплощению. Подтверждается давнее наблюдение: людям важен не результат, а процесс — дискуссии, конференции, диссертации, кандидатские...

Дополнение от 18 апреля 2012 года

Написал информационное письмо Петру Савченко — просто предложил ознакомиться с этим сайтом, наработками и успехами. Ответная реакция пришла через 3 часа (цитирую дословно):

«Почему вы обратились ко мне? Вокруг незнания можно строить различные теории, и их не нужно доказывать. В этом прелесть нестандартных теорий. Ваше цель? Вы правы, что ваш сайт очень познавателен. Но, он ничем не отличается от стандартной теории. Нового ничего нет — есть представления с другой стороны. Не нужно заниматься исходом заболевания. Излечение лежит в другой плоскости. Ваши методы основаны на знаниях общей онкологии. Это ваше право. Исходя из представленного материала (без обид), вы пытаетесь следовать общепринятым нормам. Для вас скажу удивительную вещь — рак не возникает от мутаций. Готов показать это в эксперименте. Все остальное, что строиться на мутационной теории в корне неверно».

Обратите внимание на то, как человек сразу встает в глухую оборонительную позицию. Теория Линга — стандартная теория? Терапия Ревича — следование общепринятым нормам? Терапия Ревича — знания общей онкологии? Это сайт реально прочитать за 2 часа? Короче говоря, в 101-й раз подтверждается прописная истина — все изобретатели (точно также, как и официальная медицина) панически боятся теорий и методик, не укладывающихся в прокрустово ложе их устоявшихся воззрений. Иными словами, изобретатель изобретателю — волк. Конкуренция, понимаете ли...

Выдержка из второго ответного письма Петра Савченко:

«Почему вы проинформировали именно меня? Откуда знаете мое имя и адрес? Кстати, именно у пациентов на последних стадиях прекращается рак. Люди умирают не от рака, а тех методов, которыми их лечат. Если больному не мешать и обеспечить определенное полноценное питание, то процент поправки будет больше.

Я прекрасно знаком с работами Эммануэля Ревича. Его методы помогали улучшению общего состояния организма, но никак не работали против онкологического процесса. Его теория о раке также как и многие другие оказалась неверна и не раскрыла тайну рака. Он прекрасно говорит о начальных раковых клетках и тут же переходит на мутации. Что ошибочно. Повреждения ДНК бывают только в солидных опухолях. Он сделал большой вклад в науку, но до конца так и не довел. Поэтому его теорию и не приняли, ибо было что опровергать. Да и многие выводы остались в ранге предположений».

Через весь текст опять красной нитью проходит некое подобие паранои и скрытой агрессии. Особенно умиляет сентенция о том, что, де, медицинский клан не принял Ревича потому, что она была неправильной. На самом же деле Ревича не приняли по той же причине, по которой никто не хочет слушать «правильную» теорию Петра Савченко, цитирую:

«С 20001 годы пытаюсь привлечь внимание медицины к тому, что удалось сделать в результате проведения исследований. Но усилия пока тщетны».

Причина та же, по которой никто не хочет слушать Сергея Макарова или Сергея Паталаха с его обращениями к президенту и подобных изобретателей-рационализаторов вообще. Возникает закономерный вопрос: зачем, спрашивается, переть и переть на закрытые ворота годами, десятилетиями? И при этом в каждом третьем предложении недоуменно вопрошать в пустоту: ну, почему же меня никто не хочет признать?! Ведь я такой гениальный!

Обращение Линга к будущим поколениям

Разгадывание кроссворда или охота на лис: две модели научной работы

Научный поиск в чем-то схож с разгадыванием кроссворда. Правда, обычный кроссворд легко может разгадать и один человек. Решить же головоломку Природы сложнее потому, что она родилась не в редакции дешевой газеты, а в глубинах мироздания. В решении такой неимоверно трудной задачи не обойтись без разделения труда. Так наука невольно начала фрагментироваться, впадая в опаснейший недуг — разрушение целостности. У физиологии клетки тоже возникли проблемы.

Если говорить о кроссворде «физиология клетки», то заполнять его надо не буквами или словами, а концепциями, физико-химическими концепциями. Поскольку познание истины происходит не по заранее написанному отточенному сценарию, а в процессе проб и ошибок, преждевременных озарений и запоздалых прозрений, первым физиологам неизбежно пришлось строить свои представления на неверных посылках.

Как и у кроссворда, у загадки Природы может быть только одно верное решение. Но как к нему придти? Это как в охоте на лис: выберешь правильное направление погони — и добыча твоя. В науке направление задает теория, независимо от того, правильная она или нет. Если исследователь совершил ошибку и оказался в болоте заблуждений, он должен обладать смелостью и мудростью, чтобы признать свою ошибку. Но это в теории. На деле же карьера и жизнь, отданнаые ложным целям, безраздельно довлеют над человеком, а стремление сохранить хорошую мину при плохой игре разрушает ценности науки.

Секрет успехов прошлого — в радикальной смене направления научного поиска

Несмотря на значительные трудности, науке удавалось в прошлом совершать радикальные перемены. Эти перемены были названы научными революциями. Почему они удавались? Прежде чем попытаться найти ответ, давайте не будем забывать, что научные революции, вне зависимости от их успешности, никогда не проходили гладко. За свой научный подвиг Бруно был сожжен на костре, Галилей провел остаток жизни в темнице, а Земмельвейс умер в сумасшедшем доме только потому, что требовал от врачей дезинфицировать свои руки. Лишь с наступлением эпохи Просвещения начали появляться выдающиеся люди, которые успевали еще при жизни увидеть торжество своих идей.

Предложение заменить общепринятую, но неверную теорию на истинную обычно вносилось одним или несколькими учеными. Именно это и называется 1-м этапом научной революции. Однако наука — не аморфный конгломерат ученых, новую революционную теорию должно принять достаточно сплоченное научное сообщество. Именно эту перемену во мнении большинства историки называют научной революцией, но на самом деле это лишь 2-й этап революции. Второй этап, понятно, гораздо труднее первого. Великий физиолог и физик Герман фон Гельмгольц в лекции о Фарадее в 1881 году сказал:

«...зачастую умному человеку легче открыть миру новую истину, чем понять, почему остальные ее не принимают».

Чтобы пояснить, как научные революции попадают в историю, приведем два примера.

1. Джозеф Пристли (1733-1804) был и ученым, и министром. Как уже было сказано, он открыл кислород, однако принял его за «дефлогистированный воздух». Пока Антуан Лавуазье не доказал, что это был именно кислород в нашем современном понимании, Пристли сражался с ним всеми доступными средствами, но, в конце концов, понял, что Лавуазье прав. Совершив поворот на 180°, Пристли начал превозносить «химическую революцию» Лавуазье с бьющим через край восхищением и энтузиазмом:

«В науке можно найти совсем немного революций, столь великих, неожиданных и всеохватывающих...».

Тут же новая теория Лавуазье была принята и всеми остальными учеными.

2. Майкл Фарадей (1791-1867) вырос в Лондоне, в бедной семье и не сумел получить регулярного образования. Однако его идеи в области электричества и магнетизма совершили революцию в физике, им был создан первый электрический двигатель. Но почти все коллеги-современники чурались его. Некоторые даже предлагали ему «заново пройти математику за шестой класс, прежде чем соваться в океан Лапласовой физики». Но мир не без проницательных людей.

Уильям Томсон (лорд Кельвин) и, в особенности, Джеймс Клерк Максвелл по достоинству оценили вклад Фарадея в науку. Максвелл позже сам совершил один из величайших прорывов в физике, предложив знаменитую волновую теорию света, согласно которой, свет представляет собой электромагнитные волны. Однако он всегда настаивал на том, что именно идеи Фарадея легли в основу его теории поля. Так завершилась другая научная революция.

Через 89 лет после смерти Фарадея, Альберт Эйнштейн — вероятно, величайший ученый всех времен — писал:

«Нам, впитавшим идеи Фарадея, так сказать, с молоком матери, трудно оценить по достоинству все их величие и мужество их творца».

Самое удивительное, что Фарадей совершил все это, не воспользовавшись ни одной математической формулой.

Эти два исторических примера учат нас, что секрет успеха научных революций прошлого крылся в глубочайшей приверженности их главных действующих лиц и научного сообщества в целом принципам честной игры, спортивного поведения. Можно спросить: неужели эта формула успеха столь трудна, что ее соблюдения нельзя ожидать от простых людей?

Да, это так. В самом деле, спортсмен участвует в соревнованиях с намерением победить в честной борьбе без всякой задней мысли. Правда, время от времени сообщается, что кто-то пользовался запрещенными препаратами или пытался переубедить арбитра применением физической силы, но это лишь редкие исключения. Все спортсмены овладевают наукой побеждать и проигрывать. Именно в соблюдении общепринятого морального кодекса честной игры и заключен сам дух спорта. Однако этот дух не приходит сам. Ребенок начинает учиться ему в тот день, когда впервые участвует в игре — у родителей, тренеров и всех тех, кто бескорыстно любит игру, понимает ее и своим примером прививает остальным законы спортивной чести, зная, что без них торжество игры немыслимо. В спорте честная игра поощряется еще и тем обстоятельством, что любой зритель может вполне уверенно судить о ее честности.

Увы, спортивный дух, столь же важный для науки, как и для спорта, едва теплится в такой научной сфере, как физиология клетки, начиная со второй половины XX века. Упадок нравов начался тихо и незаметно, когда в 1940-е годы государство начало финансировать научные исследования через систему грантов. Чтобы проводить отбор тех, кому поддержку оказывать, а кому нет, была введена система экспертных оценок.

Само по себе государственное финансирование — огромное благо для науки и ученых. Однако люди, избираемые в экспертные комиссии, в отличие от арбитров в спорте, сами участвуют в соревнованиях за призы, которые присуждают. Часто они забывают, что науке не выжить без честной игры, и видят в неумолимо надвигающейся научной революции угрозу своей личной выгоде и авторитету. Пользуясь доверенной им властью, они пытаются ее сдержать. В отличие от спорта, деятельность этих арбитров обычно скрыта от зрителей и даже анонимна.

Фрагментация — угроза будущему науки

В своей «Истории физиологии» Карл Ротшух указал, что с ростом числа физиологов количество научных журналов возросло до такой степени, что «физиология перестала быть единым предметом для преподавания, что фактически равноценно концу этой дисциплины как области научного поиска с четкими границами».

Это было сказано в 1973 году по поводу так называемой органной физиологии — физиологии почек, физиологии пищеварения и т. д. Однако в физиологии клетки дела обстоят не лучше. Она тоже потеряла целостность очертаний, распавшись на биохимию, биофизику, фармакологию, биологию клетки, молекулярную биологию, математическую биологию, и т.д. Введение системы экспертных оценок раздробило эту область еще больше — по числу экспертов, мнению которых жизненно необходимо соответствовать.

Всеобъемлющая теория, которая могла бы собрать Шалтай-болтая

«Извечная тайна мира — его познаваемость» (Иммануил Кант). И познаваемость его во многом обязана тому, что природа часто оказывается проще, чем наше представление о ней. Это обстоятельство породило принцип «бритвы Оккама»:

«То, что можно объяснить посредством меньшего, напрасно выражать посредством большего».

Возвращаясь к раздробленности науки, узкого специалиста можно уподобить астроному, изучающему небо со дна колодца. Не увидев целого, невозможно понять внутренней простоты и логичности Природы. Как же остановить развивающийся кризис? Ответ один: начать с объединяющей теории.

Мембранная теория одно время была такой теорией. К сожалению, с появлением новых данных не осталось сомнений в том, что мембранная теория уводит нас с верного пути. Тогда появились теории, в основе которых лежало представление о клетках как о плотных телах, состоящих из протоплазмы. Увы, физиологи протоплазматического направления не смогли тогда создать объединяющую теорию — ее время еще не наступило.

Не было ни развитых фундаментальных наук физико-химического направления, ни технологий, таких как меченые атомы, которые сыграли решающую роль в проверке истинности конкурирующих теорий. К тому же ученые прошлого не могли воспользоваться благами государственной поддержки науки, которая в тех же США появилась лишь к концу Второй мировой войны.

К моменту создания теории ассоциации-индукции (ТАИ) ситуация немного изменилась к лучшему, но станет ли ТАИ той единственной объединяющей теорией — покажет только будущее. Однако нельзя отрицать, что эта теория — первая в истории физико-химическая теория жизни на клеточном и субклеточном уровне, а книги ее автора — ясное свидетельство ее достоверности.

Система образования — ключ к будущему биологии

Начнем с того, чего преподаватель не желает. Ни один достойный своего звания учитель не желает сознательно выдавать ложную теорию за правду, или прививать своим ученикам красивые картинки вместо системного знания.

Однако великий учитель делает нечто большее. Кроме чистого знания, он утверждает учеников в глубоком понимании законов честной спортивной борьбы точно так же, как любящие отцы или тренеры обучают детей правилам и навыкам спортивной игры. Им удается вдохнуть в учеников непреходящую любовь к изучаемому предмету, подготовить их к служению науке, которое не может не вдохновлять. Чтобы понять, как это удается некоторым учителям, вернемся снова к жизни Майкла Фарадея.

В 14 лет Майкл работал учеником в небольшой переплетной мастерской. Он вполне мог продолжить эту карьеру и прожить жизнь безбедно. Но этого не случилось. Что же зажгло в маленьком переплетчике мечту о жизни, подобной жизни подвижников науки — Галилея и Ньютона? Все началось с двух статей об истории науки.

Когда старательный ученик-переплетчик склеивал разорванные страницы одного из томов Британской энциклопедии, что-то привлекло его взгляд. Это была статья под названием «История электричества», автором которой был Джеймс Тайтлер. Тот, в свою очередь, большую часть материала позаимствовал из книги Джозефа Пристли «История и современное состояние учения об электричестве». Фарадей был так взволнован прочитанным, что начал ставить опыты прямо на каминной полке в мастерской своего хозяина. Роль лабораторного оборудования сыграли две стеклянные бутылки, которые продал ему старьевщик за 6 пенсов и 1 пенни. Вскоре он уже защищал свою теорию электричества перед друзьями в целях «совершенствования их разума». К сожалению, чем жарче становилась его любовь к науке, тем призрачнее — перспектива стать профессиональным ученым. Его обучение переплетному делу близилось к завершению, и он оказался на перепутье.

Неожиданно в его судьбе произошел счастливый перелом. За драку был уволен швейцар Королевского института, где работал тогда такой прославленный ученый, как сэр Гемфри Дэви, и на страже парадного подъезда встал молодой Майкл Фарадей. Вот с этого незначительного эпизода началось восхождение Фарадея как исследователя, ставшего одним из величайших ученых в истории.

Сначала он просто помогал Дэви и другим ученым, но вскоре стал работать самостоятельно. Несмотря на напыщенное название, Королевский институт не имел постоянных источников дохода. Как и остальным сотрудникам, Фарадею приходилось самому зарабатывать на опыты. Одним из его заработков было чтение публичных лекций. Ему пришлось немало потрудиться, чтобы овладеть лекторским искусством, что удалось ему до такой степени, что порой школьники сбегали даже с празднования рождества, чтобы послушать его лекции, одна из которых называлась так: «Химическая история свечи».

Вокруг Фарадея, в институтской среде, постоянно обсуждали историю того или иного вопроса. Может быть, в истории есть нечто особенное, что делает ее столь притягательной для юности? В этом, видимо, нет ничего удивительного, ведь английское слово history (история) одного корня со словом story (рассказ). Неспроста ребенку читают рассказы и истории. Они всегда так динамичны и последовательны. В них рассказывается о вещах, понятных юным слушателям, а конец всегда такой сладостно-счастливый.

А что можно рассказать про физиологию клетки? На протяжении своей истории она неуклонно деградировала (появились даже голоса, что близится закат науки вообще). Раздробленная, растасканная по углам узкими специалистами, упорствующими в своих заблуждениях, некогда неделимая физиология клетки уже не способна предложить ничего, кроме отрывков из обрывков целостного знания. Если такое положение дел не будет исправлено, ее конец и в самом деле близок, потому что питающих науку юных дарований нечем зажечь, нечем пробудить в них искреннего интереса к науке, разбитой на тысячи осколков. Но, может быть, еще есть надежда?

ТАИ впервые сделала физиологию клетки по-настоящему последовательной. Каждый может самолично убедиться в том, что подлинная история физиологии клетки является поистине интригующим рассказом, способным привлечь внимание юных фарадеев.

ТАИ рассчитана не только на учителей и учеников — в равной мере она адресована всем заинтересованным ученым, в особенности связанным с биологией и медициной, которые хотят освежить свои фундаментальные знания. Она может заинтересовать молекулярных биологов, ищущих ускользающие связи генетики с клеточной и субклеточной физиологией. Физики, ищущие новые сферы применения своим талантам, смогут найти в ней отправные точки для своих исследований. Биотехнологам и фармакологам, пытающимся найти новые способы лечения заболеваний и новые лекарства, знакомство с ТАИ может быть особенно полезным. Тем не менее, главную роль должны сыграть именно учителя и преподаватели вузов вместе с их подопечными. Только взращивание поколений людей с действительно широким кругозором сохранит нам надежду, что мы когда-нибудь вырвемся из порочного круга давно отживших идей.

«Предел науки — бесконечность», мысль, которая всегда будет маяком для истинного исследователя

Прошло 55 лет с тех пор, как советник президента по науке Ваннавер Буш направил президенту Франклину Делано Рузвельту доклад, озаглавленный «Предел науки — бесконечность». Те, кого убедила книга Хоргана «Конец науки», могут решить, что Буш все-таки ошибался, и наука действительно должна иметь свое завершение. Те же, кто прочел эту книгу, почувствует, возможно, в себе силы признать правоту Ваннавера Буша, выразившего глубокую мысль в столь блистательной форме.

Например, изобретение МРТ — это не только знаменательный этап в развитии физиологии клетки, оно доказывает, что физика жива как никогда. Более того, именно физика и есть сверхсовременная физиология клетки. И наоборот, физиология клетки придает физике совершенно новое дыхание, открывает перед ней новые горизонты. В конце концов, благодаря именно физиологическим процессам в триллионах нервных клеток физиков и была сотворена сама физика.

Каковы перспективы физиологических исследований? Приведем лишь два примера.

1. Во-первых, ТАИ поможет понять, что забытые ныне работы многих поколений ученых, пылящиеся на полках библиотек, на самом деле являются замечательными открытиями в биохимии, биофизике и молекулярной биологии. И пусть какие-то из них будут противоречить ТАИ — главное, что эти противоречия (действительные или мнимые) дадут новый импульс для дальнейшего развития физиологии клетки.
2. Во-вторых, пора ответить на вопрос, которым начиналось наше знакомство с ТАИ: как найти путь к новым технологиям создания средств против рака, СПИДа и других смертельных заболеваний, угрожающих человечеству? Эти средства — лекарственные препараты, спроектированные рационально, в соответствии с требованиями теории, а вовсе не методом научного тыка.

Странно слышать на политических дебатах обещания предотвратить неминуемое банкротство программ бесплатного медицинского страхования, несмотря на неуклонное старение населения США.

Огромные средства бросаются на ветер, в то время как в бедных странах больные СПИДом остаются умирать, как брошенные кошки или собаки.

Можно ли надеяться на улучшение ситуации, если мы будем и дальше упрямо следовать мембранной теории, которую физиологическая роль содержимого клетки на теоретическом уровне не интересует? Механизм действия лекарств, излагаемый в учебниках, остается неизменным на протяжении десятилетий: это все тот же ключ с замком. Действие лекарства начинается и заканчивается взаимодействием с рецептором, но к чему сводится это взаимодействие, кроме стерических соответствий, остается настолько туманным, что об этом все предпочитают молчать. Такой уровень понимания действия лекарств уже привел фармакологию в глухой тупик.

С другой стороны, одно только название конкурирующей теории — теория ассоциации и индукции — предлагает совершенно новый механизм действия лекарств. Он, по своей сути, электронный. На основе обнаруженной зависимости между плотностью зарядов (плотностью электронов) на ключевых функциональных группах белков, благодаря которой происходит смена их избирательности с К⁺ на Na⁺ (свободные карбоксильные группы) или с фиксированных катионов на молекулы воды (группы пептидной связи), можно в несложных опытах определить, является ли какое-либо лекарство или иной кардинальный адсорбат электроноакцепторным (ЭАКА) или электронодонорным кардинальным адсорбатом (ЭДКА). Одно это — уже огромный шаг вперед, подобного которому прежде не было.

Такой подход уже начал приносить плоды в виде новых данных об особенностях ряда клеток, как нормальных, так и злокачественно измененных. Среди кардинальных адсорбатов, к которым относятся все без исключения лекарства, самым важным является АТФ. Согласно полученным нами данным о ее влиянии на клетки, АТФ является ЭАКА. Уабаин, напротив, является ЭДКА.

Чтобы понять, почему же АТФ играет в клетке роль ЭАКА, а уабаин — ЭДКА, потребуются самые напряженные усилия будущих поколений биологов, химиков и физиков, в особенности тех, кому будут по силам все эти дисциплины вместе. Хочется надеяться, что ТАИ будет способствовать появлению таких ученых. Но это все дело будущего. А пока вернемся на наш, еще крайне примитивный, уровень знаний.

Повторим еще раз: ответственнейшим этапом проверки любой теории в физиологии клетки является проверка теоретических положений на неживых, искусственных моделях. Такая модель должна обладать основными физико-химическими характеристиками настоящих клеток, и потому эти характеристики легко будет изучить и убедиться, верна теория или нет. К 1992 году почти все положения ТАИ получили подтверждение на искусственных моделях, за одним заметным исключением.

До сих пор не удавалось найти модель, на которой было бы видно, как лекарства и прочие кардинальные адсорбаты в ничтожных концентрациях способны вызывать перераспределение электронной плотности в макромолекуле с соответствующим изменением селективности ее ключевых функциональных групп.

Но теперь Линг, вместе со своими сотрудниками доктором Чжэнь-дун Чэнь и Маргарет Оксенфельд, с гордостью могут объявить, что несколько таких неживых моделей найдено, и предсказанные ТАИ изменения в них ориентировочно подтверждены. Следует добавить, что зарегистрированные изменения хоть и весьма невелики, но статистически достоверны. В конце концов, это всего лишь модели, а не настоящие клетки.

В заключение позвольте дать напутствие молодому поколению физиологов, опирающееся на опыт непопулярных, так сказать, ученых: никогда не изменяйте своему призванию, повсюду следуйте за своим увлечением, будьте упорны в достижении целей, в которые вы верите, будьте в согласии с самим собой. Сейчас у вас гораздо больше возможностей для этого, чем у Майкла Фарадея, который был невыразимо счастлив даже тогда, когда стал мальчиком на побегушках в Королевском институте, казавшемся ему, без сомнения, волшебным миром физики.

Азы теории Линга

Всякого здравомыслящего человека, желающего пожить подольше, беспокоит вопрос: почему, несмотря на все декларируемые перед публикой достижения современной медицины и громогласные заявления о невероятных успехах в лечении, заболеваемость во всем мире упорно продолжает не только расти, но и молодеть? Никак что-то приход с «расходом не сходится.

Как ни странно это прозвучит для многих людей, но одним из фундаментальных вопросов жизнедеятельности клетки является вопрос: «В каком состоянии находится внутриклеточный K⁺ — в свободном (растворенном в воде цитоплазмы) или в связанном?»

Понимание (или, наоборот, непонимание) практически всех свойств клетки целиком и полностью зависит от ответа именно на этот вопрос. Существующая наука о клетке дает на него неправильный ответ — в частности именно поэтому медицина и бессильна против большинства заболеваний, точно также как ошибка в расчетах фундамента высотного здания приводит к его обрушению со всем его многомиллионным содержимым.

Не утруждая читателя историей исследования этого вопроса, сразу дадим правильный ответ: ионы калия в здоровой, интактной клетке находятся в связанном состоянии, а избирательность клетки к ионам К⁺ и способность аккумулировать (накапливать) его определяется наличием центров связывания.

Связывание К⁺ клеточными белками является основным положением теории Линга, и вся физиология клетки строится именно на этом, прочном и надежном фундаменте. Будучи катионом (положительно заряженным ионом), К⁺ взаимодействует с фиксированными в пространстве отрицательно заряженными центрами, представляющими собой, главным образом, свободные карбоксильные группы остатков бикарбоновых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой), входящих в состав белков.

Элементарной жизнеспособной структурой является отнюдь не целая клетка, а ее часть — протоплазма, представляющая собой белково-водо-ионный комплекс. При этом белки являются «арматурой» всего комплекса, определяющей все его основные свойства. Для того, чтобы успешно справляться со своей задачей, белковая молекула должна иметь три ключевые структурные особенности:

1. Наличие свободных карбоксильных групп, необходимых для связывания катионов.
2. Геометрически правильное чередование пептидных связей, обладающих дипольным моментом.
3. Наличие центров связывания для управляющих лигандов — АТФ, Ca²⁺, гормонов и т.д.

Молекула белка линейной формы с геометрически правильным чередованием диполей пептидных связей (кислород — отрицательный диполь, азот — положительный) является идеальной матрицей, благодаря которой внутриклеточная вода структурируется и становится похожей на раствор желатина в воде, т.е. на желе или гель. Дипольные заряды всех пептидных связей белка, взаимодействуя с дипольными молекулами воды, ориентируют их в пространстве и резко ограничивают подвижность. Первый слой ориентированных и связанных белком молекул воды является, в свою очередь, матрицей для следующего водного слоя и т.д. В результате вокруг белка образуется многослойная водная шуба. Чем большая доля пептидных связей данной белковой молекулы доступна воде (что зависит от ее конформационного состояния), тем эффективней такой белок структурирует (желирует) воду.

При связывании АТФ электронная плотность на карбоксильных группах меняется так, что повышается их сродство к К⁺ и он начинает аккумулироваться в клетке. Сам белок при этом «распрямляется», большая часть его пептидных связей начинает взаимодействовать с водой, что приводит к образованию вокруг белковой молекулы водяного кокона. Соседние коконы сливаются — это приводит к резкому повышению содержания в клетке связанной воды. В такой структуре могут оставаться только молекулы и ионы малого размера, которые легко вписываются в «кристаллическую» решетку многослойной системы ориентированных молекул воды. Тот же Na⁺, например, из-за слишком большой гидратной оболочки в эту систему не вписывается и, в конечном счете, вытесняется из клетки.

≡≡≡ Небольшое отступление в помощь пониманию происходящего.

1. О наступлении морозов мы узнаем не только по термометру или по прогнозу погоды, но и по замерзшим лужам. А более любопытные при этом еще и пытаются выяснить, как это на поверхности грязной лужи образуется такой прозрачный лед?
2. Эскимосы при приготовлении питьевой воды берут морской лед, прекрасно понимая, что получат из него пресную воду. Почему?
3. В Японии во время зимних праздников создают ледяные скульптуры. Они прозрачны, как и подобает быть льду. Все попытки японцев получить цветной лед не увенчались успехом, так как ввести в кристаллическую решетку льда вещества-красители практически невозможно. Почему?

Ясно одно — кристаллы льда не допускают внутрь себя каких-либо других молекул, кроме молекул воды. Поэтому становится прозрачным и лед, образовавшийся на поверхности грязной лужи. Поэтому и лед, образующийся из морской воды, вытесняет из себя все минеральные соли, имеющиеся в ней. И естественно, что из такого льда получается пресная вода.

При расщеплении АТФ события развиваются в обратном направлении — К⁺ и вода сбрасываются, значительная часть пептидных связей белка уходит от контакта с водой, Na⁺ замещает K⁺ в центрах связывания, в результате чего может наступить гибель протоплазмы или даже всей клетки.

Циклы связывания/расщепления АТФ и соответствующие этому изменения в структуре и свойствах белково-водо-ионного комплекса (вместе с вкладами от других управляющих лигандов) являются основой функционирования всех белков, клеточных структур, органелл и всей клетки в целом.

Перейдем теперь к четырем фундаментальным свойствам клетки и взглянем на них с позиций не научной фантастики, вошедшей в учебники, но теории Линга:

1. Клетка полунепроницаема потому, что структурированная клеточная вода (хоть в так называемой «мембране», хоть в цитоплазме) является хорошим растворителем для одних веществ и плохим для других. А вовсе не потому, что где-то там есть какие-то дырки, поры, помпы или насосы.
2. В клетке аккумулируются только те вещества, для которых имеется достаточное количество центров связывания. Чем больше таких центров и чем выше их сродство к данному иону, тем больше разница между внутриклеточной и внеклеточной концентрацией данного иона.
3. Осмотическое равновесие клетки со средой есть результат связывания воды с белками. Осмотическая активность белка определяется величиной доли пептидных связей, доступных для взаимодействия с водой.
4. Электрический потенциал клетки представляет собой адсорбционный потенциал, т.е. результат связывания ионов с белками поверхностного слоя клетки, непосредственно контактирующего с внешней средой. Величина этого потенциала определяется сорбционными свойствами белков пограничного слоя — плотностью фиксированных зарядов, их избирательностью и сродством к противоионам.

И, наконец, распределение между клеткой и окружающей ее средой кислорода, K⁺, аминокислот, углеводов и всего остального имеет в своей основе не разные механизмы, как сегодня принято считать, а один и тот же. Имя этому механизму — сорбция на внутриклеточных структурах, т.е. на клеточных белках, пронизывающих все тело клетки. По сути, механизм накопления клеткой К⁺ и механизм накопления эритроцитом кислорода являются схожими.

Резюме

Теория Линга несет с собой смерть принятой во всем мире, считающейся незыблемой мембранной теории, объясняющей 4 фундаментальных свойства клетки свойствами ее мембраны, которая в воображении горе-ученых аналогична презервативу, изрешеченному дырочками и заполненному неким жидким раствором. Этими фундаментальными свойствами являются

1. полупроницаемость
2. способность избирательно аккумулировать вещества
3. способность сохранять осмотическую стабильность
4. способность генерировать электрические потенциалы.

Фундаментальными эти свойства являются потому, что наше понимание (а точнее непонимание) механизмов, лежащих в их основе, определяет наши представления практически о любой стороне жизнедеятельности клетки и, естественно, способности (точнее неспособности) влиять на таковую.

Теория Линга основывается не на свойствах несуществующей мембраны, а на сорбционных свойствах белков, пронизывающих всю клетку по аналогии с тем, как волокнистая ткань пронизывает сочный стебель сельдерея, не имеющий выраженной шкурки, т.е. мембраны.

Прежде всего, речь идет о связывании самых массовых компонентов клетки — воды и ионов K⁺. Разумеется, сорбционные свойства белков не остаются неизменными, а зависят от окружающих их условий.

Вода сорбируется полипептидным остовом — общим элементом абсолютно всех белков (различия обусловлены лишь боковыми цепями). Он представляет собой геометрически правильное чередование диполей, положительные и отрицательные полюсы которых выстроены в шахматном порядке, пространственно комплементарных молекулам воды.

Ионы K⁺ избирательно связываются карбоксильными группами остатков бикарбоновых аминокислот. Избирательность определяется электронной плотностью на карбоксильных группах, которая является суммарным итогом взаимодействий белка с малыми молекулами. Наиболее сильным модификатором распределения электронной плотности в белке является АТФ, обладающая сильным электроноакцепторным действием. В покое АТФ адсорбирована на ключевых белках клетки, что приводит к образованию комплекса

(АТФ)_m(белок)_n(H₂O)_p(K⁺)_q

где n может быть настолько большим, что в состав комплекса могут войти ключевые белки всей клетки. При расщеплении АТФ этот комплекс разрушается с образованием

m(АДФ) + m(P_i) + p(H₂O) + q(K⁺)

где P_i — ортофосфат. Иными словами, вода и K⁺ десорбируются, а белковая молекула сворачивается таким образом, что ее пептидные связи становятся недоступными растворителю — образуются вторичные структуры белка. Карбоксильные группы белка теряют избирательность к K⁺ и обретают селективность к Na⁺.

Роль диффузионного барьера на «входе» в клетку играет связанная, гелеподобная вода (а вовсе не липидная мембрана), а избирательное связывание K⁺ белками клетки упраздняет необходимость выдумывать не только натриевый насос, но и все остальные.

Кроме всего прочего, Линг показал, что Na,K-АТФаза также представляет собой никакой не насос (как это принято считать в существующих научных кругах), а ионный рецептор, и объяснил, почему этот фермент может селективно связываться с ионами Na⁺ и K⁺, и почему избирательность к этим катионам может меняться.

		Часть 1		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Когда-то каждый из нас был одной-единственной клеткой — и с этой малости нам пришлось начинать. Это была крошечная оплодотворенная яйцеклетка размером меньше росинки. Затем она поделилась пополам — получилось две клетки, каждая из которых начала расти, и вскоре тоже поделилась надвое. И так повторялось снова и снова. В какой-то момент вновь образованные клетки оказались непохожими друг на друга — началась дифференцировка. Спустя девять месяцев деления, роста и дифференцировки из одной оплодотворенной яйцеклетки образовались триллионы клеток всевозможных форм и функций — все вместе они составили младенца, которым когда-то являлись вы, я и каждый из живущих ныне или живших прежде людей. И так будет всегда.

По улыбке, смеху и некоторым другим признакам мы можем определить, как младенец чувствует себя или, говоря неуклюже, как чувствуют себя триллионы клеток, принявшие в своей совокупности форму младенца. Иногда ребенок болеет — это также дает повод сказать, что часть клеток младенца (или все они) больны. Стараясь вылечить ребенка (как, впрочем, и взрослого), мы надеемся, что наше лекарство сделает больные клетки снова здоровыми. К сожалению, уверенность в успехе сопровождает нас далеко не всегда. Почему? Давайте для примера разберем такое заболевание как рак.

В США риск женщины заболеть на протяжении своей жизни раком составляет 1 шанс из 3; мужчины — 1 шанс из 2. Только в Соединенных Штатах, несмотря на одну из лучших систем здравоохранения в мире, от рака ежедневно умирает 1500 взрослых и детей. 25-летняя кампания «борьбы с раком», развернувшаяся в 70-е годы, не просто не принесла победы — напротив, смертность от онкологии возросла со 158 на 10.000 населения в 1970 году до 210 на те же 10.000 в 1997 (т.е. прирост составил 33%). Конечно, в какой-то мере это объясняется тем, что население в целом постарело, а чем старше человек, тем выше риск заболеть раком. Однако это не объясняет, почему нация, так далеко продвинувшаяся в других, не менее сложных областях науки, — будь то высадка человека на Луну, создание компьютера или расшифровка генома человека, — тотально проигрывает в борьбе с болезнями от обычной простуды до рака. В интересах науки мы должны знать «виновника» столь масштабных провалов — кто они, или какие обстоятельства привели к столь горьким последствиям?

Одна из кандидатур предложена профессором Альфредом Бюргером, который написал в своем фундаментальном труде «Химия лекарств»:

«Нам покорились бы почти все проблемы химии лекарств, имей мы хотя бы отдаленное представление о взаимодействии препаратов с химическими компонентами организма».

Под химическими компонентами организма профессор Бюргер подразумевал, прежде всего, химические компоненты клеток. Неспособность получить даже отдаленное представление о механизмах действия любых лекарств обусловлена одним, мало кому известным обстоятельством — иллюзорностью знаний о том, как функционирует живая клетка в принципе и как она реагирует на лекарства, в частности. Более того, эту иллюзию знаний под вывеской «Клеточная физиология» внедряют в сознание людей на всех этапах образования.

В результате, магическая формула современной науки, создавшая сверкающий всеми красками мир знаний, оказалась бессильна найти научную истину в вопросе о природе живой клетки. Эта магическая формула родилась в своей первозданной чистоте в Европе в XVII веке и известна под названием «научного метода».

Научный метод подразумевает 5 этапов:

1. Фиксация и описание явления.
2. Объяснение причины этого явления — иными словами, создание гипотезы или теории, следствия которой можно проверить.
3. Экспериментальная проверка следствий теории.
4. Вывод на основе результатов эксперимента — истинна теория или ложна.
5. Теория, опровергнутая многочисленными экспериментами, должна быть заменена на другую, более правдоподобную. Еще лучше — на теорию, получившую неопровержимые экспериментальные подтверждения.

Так вот 5-й этап обычно замалчивают, хотя без него все 4 предыдущих тупо повисают в воздухе. Нынешнее вопиющее незнание подлинной физиологии клетки напрямую вытекает из отказа от последовательного выполнения этого 5-го этапа, несмотря на очевидные предпосылки к этому.

Наука о том, как функционирует клетка — клеточная физиология, — ныне изучаемая более или менее подробно на самых разных этапах образования, основана на устаревшей теории, которой давно перевалило за сотню лет, и которая известна под названием «мембранной теории». Позднее, после доработки, она превратилась в «теорию мембранных насосов». Еще полвека назад Гильберт Линг опубликовал серьезные сомнения в том, что клетка способна обеспечить энергией работу насосов, на чем, собственно, энергетика теории мембранных насосов и зиждется. Первое и единственное возражение, тут же парированное Лингом, сменилось гробовым молчанием оппонентов. Проходили годы, опровержения теории мембранного насоса становились все многочисленнее и убедительнее. Тем не менее, ничего не подозревающие преподаватели школ и вузов во всем мире продолжают подавать теорию мембранных насосов как единственно правильную. И до сих пор эта теория служит доверчивым, в силу их узкой специализации, ученым сомнительным фундаментом для исследований рака, СПИДа и других смертельных заболеваний. Понятно теперь, почему эти болезни до сих пор неизлечимы?

Подавляющее большинство преподавателей, студентов и ученых даже не догадывается о существовании неоднократно проверенной и подтвержденной альтернативной теории, которая существует и постоянно совершенствуется вот уже около 40 лет. Ее название — теория ассоциации-индукции Линга. В отличие от теории мембранных насосов, этот подход, основанный на последних достижениях физики и химии, предлагает четкое объяснение фундаментальных принципов взаимодействия клетки с различными веществами, в том числе с лекарственными препаратами.

Трудно оценить, насколько мы были бы сейчас ближе к победе над раком, СПИДом и другими смертельно опасными болезнями, если бы на поддержку проектов, опирающихся на теорию ассоциации-индукции, была потрачена хотя бы половина денег, усилий и талантов, бесследно и бездарно поглощенных многочисленными исследованиями, в основу которых была положена теория мембранных насосов.

Однако время показывает, что прогресс фундаментальной науки иногда все же находит отклик в новых ценных изобретениях.

1. Через 50 лет после того, как Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, появились первые электростанции (1880).
2. Спустя 30 лет после того, как Максвелл выдвинул единую теорию электромагнитных волн (1867-1873), Маркони запатентовал в Великобритании свое право на производство радиооборудования (1900).
3. Всего через 15 лет (в 1977) после опубликования теории ассоциации-индукции Лингом (1962) Рэймонд Дамадьян совершил прорыв в медицине, создав технологию, ныне известную как магнитно-резонансная томография, или МРТ.

Ни классическая мембранная теория, ни ее модификация в виде теории мембранных насосов, несмотря на свою гораздо более длительную историю, так и не сумели дать человечеству что бы то ни было полезное с точки зрения понимания фундаментальных основ жизни.

Некоторые фундаментальные выводы из ситуации:

1. Никто из тех, кому доверено спасение человеческих жизней, не ведает, что творит, ибо все они воспитаны на тотально обветшавших, ложных «знаниях».
2. Обращаться за медицинской помощью в подобные инстанции можно только в случае абсолютно безвыходных ситуаций, граничащих с летальным исходом, т.е. когда, в принципе, уже не так важно, от чего умереть, лишь бы оттянуть этот момент.
3. Никто точно не знает, как именно лекарственные препараты, которыми завалены все аптеки, взаимодействуют с живыми клетками человеческого тела. Поэтому приема любых лекарств следует избегать до последнего.

		Часть 2		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Наследие полузабытых первопроходцев

Гистологи 60-х годов XIX века полностью осознали ошибочность представлений о клетке как о пузырьке с раствором веществ, окруженном мембраной. Результатом этого осознания явилась протоплазматическая доктрина Макса Шульце, опубликованная в 1861 году. А Томас Хаксли в своих лекциях называл протоплазму физической основой жизни еще в 1868 году. К концу века появилось новое поколение физиологов, испытавших влияние протоплазматической школы. Основные силы они бросили на изучение набухания клеток, а также на исследования избирательного накопления ионов калия (К⁺) в присутствии ионов натрия (Na⁺), наблюдавшегося у большинства клеток.

Сторонники мембранной теории вначале объясняли асимметричное распределение К⁺ и Na⁺ между средой и красными клетками крови непроницаемостью их мембран для обоих ионов. Это предположение, хоть и наивное, объясняло, почему Na⁺ не входит в клетку, а К⁺ не выходит из нее.

Бенджамин Мур из Ливерпульского университета в 1906 году вкратце изложил возражения против этой гипотезы. Двумя годами позже он и Герберт Роуф изложили свои доводы уже в развернутом виде. Первый контраргумент состоял в том, что содержание К⁺ в клетке остается в пределах физиологической нормы на протяжении всего ее жизненного цикла. Однако, если мембрана всех клеток, а не только эритроцита, остается непроницаемой для этого иона, возражали они, клетке было бы практически невозможно поддерживать постоянную внутреннюю концентрацию К⁺ по мере ее роста и деления.

В качестве альтернативного объяснения Мур и Роуф предположили, что протоплазма обладает особым сродством, или адсорбирующей силой в отношении К⁺, и не обладает таковой в случае Na⁺. В свою поддержку они привели пример избирательного поглощения кислорода красными кровяными тельцами (эритроцитами) и предпочтительного поглощения К⁺ в присутствии Na⁺ почвами, что было уже ближе к обсуждаемой проблеме. Однако они так и не предложили молекулярного механизма избирательной адсорбции ни для клеток, существование избирательности у которых лишь предполагалось, ни для почв, избирательность которых была уже известным фактом.

Чарльз Овертон, больше известный своей теорией липоидных мембран, обнаружил в 1902 году новые факты, ставящие под сомнение утверждение, что клетки представляют собой всего лишь мембранный пузырек с раствором. Перенеся портняжную мышцу лягушки из изотонического для холоднокровных животных раствора NaCl (0,7%) в гипотонический с вдвое меньшей концентрацией NaCl (0,35%), он обнаружил, что масса разбухшей мышцы вовсе не удваивается при этом, как следовало бы из мембранной теории, а увеличивается лишь на треть. Овертон сделал вывод, что, по меньшей мере, часть клеточной воды должна  быть Quellungswasser (т.е. ассимилированной).

В 1907 и 1909 годах Мартин Фишер, тогда профессор медицины в Оклендской медицинской школе (Калифорния), утверждал, что набухание клеток — это не осмотическое мембранное явление, как тогда считалось, а результат сильного сродства коллоидов протоплазмы к воде, какое наблюдается у фибрина и желатина. Развивая эту мысль, он предложил теорию отека, а также опубликовал по этому вопросу пространное исследование. В работе, датированной 1909 годом, он обрисовал несколько свежих идей об асимметричном распределении ионов и других веществ между клеткой и средой, проиллюстрировав их примером распределения К⁺ и Na⁺.

Фишер подчеркивал, что концентрация растворенных веществ в коллоидной массе (протоплазме) может быть как выше, так и ниже по сравнению с окружающей средой. При этом более высокая концентрация может быть объяснена адсорбцией, а более низкая — законом распределения (также известным как закон распределения Бертло-Нернста; его частным случаем является закон Генри: растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором, — прим. наше). Однако Фишер не стал развивать эти важнейшие идеи.

Помимо существенного вклада Мартина Фишера в физиологию клетки, в историю также вошли его необычайная доброта и благородство. Так, в конце Первой мировой войны он за счет собственных средств поддерживал даже своих научных оппонентов в Германии. Поздравляя Фишера с 60-летним юбилеем, коллоидный химик Вольфганг Оствальд процитировал Шопенгауэра: «Как факелы и фейерверки блекнут и исчезают при свете солнца, так ум и даже гений и красоту затмевает доброта сердца».

Наш соотечественник, В. В. Лепешкин также отвергал гипотезу, что клетки — это всего лишь мембранные пузырьки с раствором. В 1926 году Лепешкин поставил простой опыт, в котором он раздавливал молодые клетки водоросли Bryopsis в морской воде. В результате из них вытекало множество несмешивавшихся с водой мелких капель протоплазмы. При разбавлении морской воды дистиллированной эти шарики сильно увеличивались в размерах, а внутри возникали вакуоли. При возвращении же в морскую воду шарики уменьшались до исходного размера, а вакуоли исчезали.

По оценкам Лепешкина, общая поверхность этих мельчайших шариков, получаемых при встряхивании, тысячекратно превосходила поверхность клетки, из протоплазмы которой они были получены. Однако количество липоидов, якобы основного строительного материала клеточной мембраны, ограничено, и его никак не может хватить на покрытие сплошным липидным слоем поверхности в 1000 раз большей поверхности клетки. Следовательно, эти факты противоречат теории непрерывной липидной пленки, возникшей из объединения теории липоидных мембран Овертона с представлениями об их необыкновенной способности к регенерации. Итог такого обобщения оказался крайне странным: каждая из тысяч капель протоплазмы должна быть покрыта такой же липидной мембраной, как и сама клетка, из которой эти капли получены. Поскольку это требование оказалось невыполнимым, Лепешкин пришел к выводу, что эти мельчайшие шарики могут быть покрыты лишь веществом самой протоплазмы. Это согласуется с предположениями Франца Лейдига и Макса Шульце, что поверхность клетки состоит из тех же веществ, что и ее протоплазма. Что интересно, подобную точку зрения разделял даже сам Вильгельм Пфеффер.

В пользу теории Лепешкина говорят и наблюдения Паули и Роны. Они показали, что солевой раствор желатина при нагревании до 30 °С образует стабильный коацерват. Поскольку в желатине нет ничего, кроме желатины, то и «мембрана» коацервата, — если называть поверхностный слой коацервата мембраной, — может состоять лишь из желатина.

Как уже говорилось, Лепешкин одним из первых выдвинул утверждение, что протоплазма является коацерватом. Он также предложил теорию строения живого вещества, согласно которой оно представляет собой комплексы белков и липидов, чувствительные к внешним воздействиям, и названные витапротеидами, или витаидами. Эта теория, впрочем, нещадно критиковалась и далее им не отстаивалась.

Затем свой вклад внес Росс Гортнер (1885-1942), более четверти века возглавлявший кафедру агробиохимии в Миннесотском университете, который был видным сторонником представления о существовании в клетках связанной воды. Он однажды отправил на заседание Общества Фарадея обращение к группе ученых, непосредственно изучавших различные проблемы воды, которое было опубликовано в Новостях общества Фарадея под заголовком: «Состояние воды в коллоидных и живых системах». В этом обращении Гортнер изложил гипотезу, что, по меньшей мере, часть воды в клетках находится не в обычном жидком состоянии, а в связанном.

Одним из критериев, отличающих связанную воду от обычной, по Гортнеру, является ее сниженная растворяющая способность по сравнению с обычной водой. Отсюда другое название связанной воды из лексикона Гортнера и его сотрудников — «нерастворяющая вода».

Забегая вперед, хочется упомянуть, что Гортнер ссылался на экспериментальные доказательства существования многослойной адсорбции воды в неживых системах. Правда, позже он трусливо занял сдержанную позицию:

«К сожалению, свойства воды, организованной в упорядоченные адсорбционные слои, охарактеризованы еще недостаточно полно, чтобы можно было с уверенностью сказать, та ли это вода, которую биолог мог бы назвать связанной».

Обращение Гортнера было благосклонно принято на заседании Общества Фарадея. Большинство его участников проявили интерес к его предположениям, причем некоторые выразили особый энтузиазм. Однако среди них был и знаменитый нобелевский лауреат Арчибальд Хилл, чьи весомые доказательства существования свободной клеточной фактически убили все альтернативные идеи.

Хилл фактически единолично остудил всеобщее воодушевление в отношении идеи «связанной воды» и не оставил от коллоидного подхода к физиологии клетки камня на камне. В этом инквизиторском порыве он опирался на результаты своего единственного опыта с мочевиной, для которой, как он показал, растворяющая способность клеточной и внеклеточной воды были одинаковыми. Следовательно, «нерастворяющей» воды в клетках нет. Позднее другие ученые установили, что этиленгликоль также хорошо растворим в воде мышечных клеток и эритроцитов, как и в простой воде. Если клеточная вода действительно не отличается от обычной, то веществами, создающими осмотический противовес среде, содержащей такие осмолиты, как свободные Na⁺ и Cl^-, могут быть лишь свободный К⁺ и свободные анионы внутри клетки. Выходит, что все говорит в пользу обоих постулатов мембранной теории: внутри клеток нет ни связанной воды, ни связанных ионов К⁺.

Енё Эрнст, венгерский биофизик, присутствовавший при этих событиях, вспоминал, как научные авторитеты, определявшие общественное мнение того времени — У. Фенн и Ф. Бюхтал (в том числе Рудольф Хёбер, чьи собственные исследования электропроводности доказывали обратное!) — единодушно отреклись от гипотезы связанной воды и К⁺, и полностью присоединились к теории, что клетки представляют собой мембранные пузырьки с разбавленным раствором осмолитов, подчиняющиеся осмотическому закону Вант-Гоффа. Каждый признал, что изменить свою позицию его побудили однозначные результаты эксперимента Хилла с мочевиной и его убедительная логика.

В 1940 году ведущий англоязычный журнал, посвященный коллоидной химии — Journal of Colloidal Chemistry (Журнал коллоидной химии), — был объединен с Journal of Physical Chemistry (Журналом физической химии). Несколько лет после объединения журнал еще носил название Journal of Physical and Colloidal Chemistry (Журнал физической и коллоидной химии). Затем слова «и коллоидной» тихо исчезли. Правда, кончина ведущего периодического издания еще не означала конец самой коллоидной химии. Еще продолжали выходить такие периодические издания, как Zeitschrifts fur Kolloid Chemie, Kolloid Beihefts и даже Protoplasma, Однако едва окрепшему коллоидно-протоплазматическому направлению в физиологии клетки был нанесен незаслуженный и тяжелейший удар.

Итоги разгрома

Последствия разгрома клеточных физиологов протоплазматического толка, учиненного Арчибальдом Хиллом, были катастрофическими. Свежие, зачастую блестящие идеи и смелые голоса Мартина Фишера, Герберта Роуфа, Бенджамина Мура, Росса Гортнера, В. В. Лепешкина исчезли с научной сцены. Именно в мертвой тишине тех лет начиналась в Чикаго карьера физиолога Гильберта Линга.

Лишь годы спустя после защиты диссертации Линг мало-помалу стал понимать, что у мембранной теории и тогда была альтернатива. А еще позже Лингу стало известно, как однажды физиологи протоплазматического направления Америки и Европы на мгновение с надеждой подняли было голову, но вскоре снова ушли в тень. Исключением оставались лишь две изолированные группы ученых в далекой коммунистической Восточной Европе. Одну в Венгрии, в городе Печ, возглавлял Енё Эрнст; другую — в Советском Союзе, в Ленинграде, — Дмитрий Насонов.

Венгерская группа под руководством Енё Эрнста

Подобно Фишеру, Муру, Роуфу и другим предшественникам, Енё Эрнст (1895-1981) считал мембранную теорию ошибочной. Он также не был согласен с тем, что клеточная вода — обычная вода из-под крана, а клеточный К⁺ находится в свободном состоянии.

С его точки зрения, К⁺ в клетке существовал по большей части в неионизированной, недиссоциированной и негидратированной форме. Эрнст разделял взгляды Макаллума и др., что К⁺ в поперечнополосатых мышечных волокнах не распределен равномерно, а сосредоточен в А-дисках, и что значительная часть клеточной воды представляет собой «отёчную воду» или «ассимилированную воду» (Schwellungswasser, Quellungswasser), «скованную» белками мышечных клеток. В доказательство Эрнст и его сотрудники показали, что хотя и NaCl, и желатин снижают относительное давление водяного пара, желатин в этом отношении во много раз эффективнее. А раз так, утверждали они, мышца лягушки больше напоминает желе, чем разбавленный раствор NaCl.

Предваряя работу, которая будет описана ниже, уже сейчас хочется пояснить, что Эрнст изучал сорбцию воды в мышцах лягушки и желатине при гораздо меньших значениях относительного давления пара, чем это имеет место в физиологических условиях. Фактически, большая часть данных его опытов на мышцах лягушки относится к свойствам лишь 10% клеточной воды, если не меньше. А немногие экспериментальные значения, полученные при более высоком давлении пара, определены со слишком большой экспериментальной ошибкой, чтобы можно было уверено судить об их достоверности. Возможно, такой разброс обусловлен весьма малым временем, отведенным экспериментатором для установления диффузионного равновесия — от 2 до 3 дней, на самом деле для этого может потребоваться гораздо больше времени.

Профессор Эрнст скончался в 1981 году. Его работы в Печском университете продолжил ученик Йожеф Тидьи, а затем и Миклош Келлермайер со своей группой. В 1994 году Гильберт Линг был удостоен почетной докторской степени университета города Печ. 

Ленинградская школа Насонова-Трошина

Дмитрий Николаевич Насонов (1895-1957) родился в Варшаве, в семье профессора зоологии. Свою научную деятельность он начал гистологом, одно время обучался в Колумбийском университете в Нью-Йорке под руководством цитолога Эдмунда Уилсона. За доблесть, проявленную при обороне осажденного Ленинграда во время Второй мировой войны, Насонов был удостоен военных наград. После войны он вернулся в науку. В 1957 году основал Институт цитологии и стал его первым директором.

Благодаря солидному гистологическому фундаменту научную деятельность Насонова в области физиологии клетки отличала стойкая убежденность, что понимание физиологии клетки немыслимо без понимания ее анатомии. А также, что понимание анатомии клетки немыслимо без принятия во внимание того важного обстоятельства, что клетка является сплошным телом, фазой, материалом которой является протоплазма. Общее направление научной деятельности его самого и его ближайших сотрудников можно проиллюстрировать на примере его белковой теории повреждения и возбуждения клетки.

Насонов также предложил фазовую теорию проницаемости и биоэлектрических потенциалов: он утверждал, что у клеток нет мембран с их изменчивой проницаемостью, и что разность электрических потенциалов по сторонам клеточной поверхности может возникать лишь при повреждении протоплазмы; у клеток в покое такой разности потенциалов нет. Сам Насонов объяснял это так:

«С нашей точки зрения электродвижущая сила создается лишь в момент повреждения или возбуждения, когда электролиты освобождаются от связи с белковым субстратом. В этом отношении наша точка зрения приближается к старой альтерационной теории Германа (1885)».

Взгляды Гильберта Линга в разной степени расходятся с этими идеями Насонова. Так, двухкратное повышение проницаемости для сахарозы «раневой» поверхности клетки (в опытах с рассечением мышечных волокон) свидетельствует о том, что диффузионный барьер (или клеточная мембрана) на поверхности клетки все же существует. А результаты опытов со стеклянными микроэлектродами Джерарда-Грэхем-Линга заставляют признать существование разности потенциалов на мембране и у покоящейся клетки. К тому же это согласуется с «теорией предсуществования» клеточных потенциалов, предложенной учителем Лудимара Германа, Эмилем Дюбуа-Реймоном. Позднее мы вернемся к вопросу, почему Насонов считал, что клеточной мембраны не существует.

Несмотря на расхождение взглядов по отдельным вопросам, Линг неоднократно выражал глубокое восхищение отвагой и незаурядностью этого выдающегося ученого. Его работа, выполненная в соавторстве с Айзенбергом и Камневым, показавшая, что сморщивание (сжатие) клеток в гипертонических растворах вещества происходит несмотря на то, что это вещество проникает в клетку — лишь одно из целого ряда открытий, которыми он и его сотрудники обогатили науку. О других заслугах советской школы перед физиологией клетки можно узнать из монографии Насонова «Местная реакция протоплазмы и распространяющееся возбуждение» и монографии его ученика, А. С. Трошина (1912-1985), которая будет рассмотрена далее.

Институт цитологии в Ленинграде выжил и после смерти Насонова в 1957 году: пост директора перешел к его лучшему ученику, Афанасию Семеновичу Трошину.

Сорбционная теория Трошина

Свои взгляды на проблему клеточной проницаемости А. С. Трошин изложил в монографии, опубликованной в 1956 году, впоследствии она была переведена на немецкий, китайский и английский языки. Английское издание носит название «Problems of Cell Permeability». Однако содержание этой книги не совсем соответствует ее названию. Проницаемость — это кинетический процесс, а в монографии речь, по большей части, идет о распределении веществ между клеткой и средой, которое и Трошин, и другие ученые, включая меня, исследовали как равновесное явление. Возможно, Трошин специально определил предмет книги как «проблему проницаемости», чтобы расширить свою аудиторию — ведь подавляющее большинство ученых являлось сторонниками теории мембранного насоса и ошибочно считало равновесное распределение веществ следствием проницаемости именно мембраны с ее особой ролью в клетке.

Трошин особо подчеркивал в предисловии к русскому изданию, перепечатанном и в переводе на английский:

«Мы пришли к заключению, что теория эта (мембранная, — прим. наше) дает совершенно превратное представление о строении клетки и о состоянии содержащихся в протоплазме веществ. Вместе с тем мембранная теория, вследствие кажущейся простоты и схематичности в способах объяснения многих загадочных явлений, приобрела большую популярность среди физиологов и, как нам кажется, повела их по ложному пути теоретических исканий».

А вот как Трошин сам представил свою книгу:

«Согласно теории, созданной Лепешкиным, Насоновым, Фишером и рядом других ученых, большая или меньшая проницаемость клетки для любого вещества объясняется не большей или меньшей способностью этого вещества проникнуть через клеточную мембрану, а различиями в растворимости вещества в воде протоплазмы и окружающей водной среде, и различиями в способности веществ, проникших в клетку, адсорбироваться клеточными коллоидами или химически связываться с ними».

Несмотря на эти скромные слова, можно смело утверждать, что именно Трошину принадлежит львиная доля заслуг в создании «сорбционной теории» распределения веществ в клетках. Конечно, и Мур с Роуфом, и Фишер, и Лепешкин, и Насонов, и все остальные высказывали ее основные идеи и до него, и каждый из этих пионеров также достоин всяческих почестей. Но лишь Трошину удалось объединить все эти идеи в рамках количественных измерений и придать им форму математических выражений. Но прежде, чем перейти к работам Трошина, стоит познакомиться с более ранними опытами И. Е. Камнева.

В 1938 году Камнев опубликовал в русскоязычном журнале «Архив анатомии, гистологии и эмбриологии» скромную, но очень важную статью под названием «Проницаемость поперечнополосатой мышцы лягушки для сахаров». Он сообщил в ней, что при погружении живой мышцы в раствор Рингера с сахарозой или галактозой оба сахара легко проникали в мышечные волокна, достигая в них некой постоянной концентрации, которая оказывалась ниже их концентрации в окружающем растворе. В погибших же волокнах концентрация сахарозы либо галактозы почти выравнивалась с их концентрацией в окружающей среде.

Камнев, анализируя полученные результаты, исходил из допущения, что межклеточное пространство составляет 9% от объема мышцы, и что вся обнаруженная в мышце сахароза (или галактоза) сверх того количества, что заполнило межклеточное пространство, очевидно, находилась внутри мышечных волокон. Однако в литературе можно найти и другие данные об объеме межклеточного пространства в мыщце, — вплоть до 35%, — так что правомерность выводов Камнева целиком, зависит от того, правильной ли была цифра в 9%.

Результаты работ, проведенных в лаборатории Линга, свидетельствуют о его правоте. Так, в период с 1967 по 1975 год Лингом с сотрудниками величина доли внеклеточного пространства была исследована пятью независимыми методами, четыре из которых были совершенно новыми: проба с инулином в низких концентрациях — 10,3%; проба с полиглутаматом — 8,9%; моноволоконный сахарозный тест — 9%; метод анализа выхода ⁸⁶Br — 8,2%; метод центрифугирования — 9,4%. Среднее значение доли межклеточного пространства мышцы лягушки составило 9,2% со среднеквадратичным отклонением ±0,69%, что почти соответствует тем 9%, из которых исходил Камнев. Полученные командой Линга доказательства способности сахарозы проникать в мышечные клетки лягушки подтверждают ключевой вывод Камнева о способности сахарозы преодолевать поверхностный диффузионный барьер клетки.

Камнев пришел к заключению, что равновесный уровень сахаров в мышечных клетках определяется не мембранными механизмами, а их растворимостью в саркоплазме, чем придал высказанной ранее мысли Мартина Фишера более универсальный характер. Камнев высказал убеждение, что саркоплазма ведет себя по отношению к воде окружающей среды как фаза, и ее свойства как растворителя отличаются от обычной воды.

Через десять лет после статьи Камнева Трошин продолжил эту мысль, указав, что не только концентрация галактозы и сахарозы, но и других неэлектролитов внутри клетки может быть только ниже, чем концентрация этих веществ в окружающей среде. Именно высокая и на удивление одинаковая скорость проникновения этих веществ в мышцы лягушки и в другие клетки, но при этом разная конечная (равновесная) внутриклеточная концентрация побудила, видимо, Насонова предположить, что клеточной мембраны вовсе не существует. Как уже говорилось, Линг не разделяет этого мнения Насонова. Здесь, правда, необходимо отметить, что он оценивает рассматриваемую проблему уже с высоты знаний, полученных благодаря технологии радиоактивных меток, которой во времена Насонова и Трошина еще не было.

Вслед за Бунгенберг-де-Йонгом, Лепешкиным, Дюкло, Гийермоном, Опариным и остальными Трошин предположил, что клетки по своей физико-химической природе близки к комплексным коацерватам. Опираясь на результаты работы лаборатории Бунгенберг-де-Йонга, наряду со своими собственными данными, Трошин продемонстрировал, что концентрация различных веществ в воде простого желатинового коацервата, как и в клеточной воде, ниже, чем в окружающем растворе. Однако ни Камнев, ни Трошин не предложили какого-либо объяснения, почему вода внутри клеток отличается от обычной объемной воды, и почему сахароза и галактоза хуже растворяются в клеточной воде. Они также не смогли объяснить, почему мочевина и этиленгликоль, напротив, распределяются так, что их равновесная концентрация по обе стороны клеточной поверхности одинакова.

Вот что писал Трошин о влиянии метаболизма на распределение веществ:

«Сорбционная способность протоплазмы поддерживается на определенном уровне благодаря метаболизму... При прекращении метаболизма этот уровень меняется: растворимость веществ в протоплазме возрастает, а связывание некоторых веществ клеточными коллоидами снижается».

Он, однако, не высказал каких-либо предположений о механизме увеличения растворяющей способности воды протоплазмы и снижения ее сорбционной способности после прекращения метаболизма. Четырьмя годами ранее Насонов свою главу «Биоэлектрические потенциалы и клеточный метаболизм» завершил выводом о том, что энергия, очевидно, необходима для существования некоторых неустойчивых химических соединений, в том числе для поддержания структуры белков. Однако он, опять же, не объяснил, каким именно образом энергия поддерживает структуру белков и других неустойчивых веществ.

Созвучно идеям, впервые высказанным Мартином Фишером (и отчасти Муром и Роуфом), Трошин делил все вещества внутри клетки на две категории: адсорбированные (или связанные каким-то иным образом) и растворенные в клеточной воде. Он также предложил уравнение, в которое вошел линейный параметр, характеризующий концентрацию растворенного в клеточной воде вещества в соответствии с законом Генри (или, точнее, — в соответствии с законом распределения Бертло-Нернста, лишь частным случаем которого для газов является закон Генри), а также «функция с насыщением» — изотерма адсорбции Ленгмюра. Трошин также показал, как описывать равновесное распределение разных веществ между клеткой (или коацерватом) и средой, используя это уравнение. Гильберт Линг неоднократно предлагал назвать это уравнение «уравнением Трошина» в честь его автора, умершего от рака в 1985 году.

После смерти Трошина дух и философия протоплазматически ориентированной цитофизиологии в Институте цитологии начали угасать. Только с приходом в него в 1997 году Владимира Васильевича Матвеева, ранее работавшего в Институте биологии моря Академии наук СССР и получившего образование в Лаборатории физиологии клетки Ленинградского государственного университета под руководством учеников Насонова — И. П. Суздальской и В. П. Трошиной, в Институте появился человек, который пытается не дать погибнуть научному наследию школы Насонова. Однако вернемся в 1951 год, когда молодой Трошин опубликовал серию из пяти коротких статей о распределении веществ между коацерватами/клетками и средой. В том же году Линг написал небольшую работу, где представил суть того, что позже будет названо теорией фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ).

		Часть 3		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Теория фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ)

Мы уже упоминали, что обучение Линга цитофизиологии начиналось в известном на весь мир отделе физиологии Чикагского университета под руководством профессора Ральфа Джерарда. Подобно всем своим ровесникам, Линг был полностью убежден, что мембранная теория — это единственная путеводная звезда на небосклоне науки. Логично, что его первые серьезные публикации, написанные в соавторстве с профессорами Джерардом и Вудбери, были посвящены «мембранному потенциалу», сам термин и концепция которого рождены логикой мембранной теории.

Вскоре после проведения на кафедральном семинаре презентации «теории натриевого насоса», подготовленной Лингом исключительно на основе данных литературы, он уже и сам начал проводить несложные опыты. Его целью было проверить, на самом ли деле, как следует из этой теории, одновременное воздействие метаболических ядов и низкой температуры (0 °С) резко снижает уровень К⁺ в мышце лягушки. Результат оказался весьма неожиданным. Вплоть до окончания пятичасового эксперимента уровень К⁺ оставался неизменным. И чем дальше Линг углублялся в этом новом направлении, тем больше он сомневался в основах теории натриевого насоса.

Линг потратил массу времени и фантазии, чтобы придумать какой-нибудь альтернативный энергосберегающий механизм распределения К⁺ и Na⁺ между клеткой и средой взамен принятому на веру невероятно расточительному натриевому насосу. Проходили годы, а он все топтался на месте. Но однажды Линг копался в библиотеке Уэлча Медицинской школы Джонса Хопкинса в Балтиморе, и вдруг его осенило. Возникшая идея стала основой того нового подхода, который впоследствии был назван теорией фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ), явившейся первым шагом к созданию единой теории цитофизиологии — теории ассоциации-индукции (ТАИ). Суть этой теории будет изложена здесь, а также и в будущем.

Мысль о том, что калий внутри клетки адсорбируется предпочтительней натрия, была впервые высказана в 1908 году Гербертом Роуфом и Бенджамином Муром. Тем не менее, как уже подчеркивалось ранее, до появления ТФЗЛ ни они, ни кто-либо другой не предложил количественного молекулярного механизма, объясняющего столь странную способность клетки делать различие между этими столь близкими по свойствам ионами. Также никто не попытался объяснить, как белкам, — наиболее вероятным кандидатам на роль субстрата, избирательно связывающего К⁺ в присутствии Na⁺, — удается выполнять эту функцию в живой клетке, и почему неоднократные попытки воспроизвести это явление in vitro (в пробирке) неизменно проваливались. Никто не смог также объяснить на молекулярном уровне, почему способность к избирательной адсорбции (если она существует) мгновенно теряется при гибели клетки. Теория фиксированных зарядов Линга — результат попыток ответить на эти вопросы.

Теория избирательного накопления К⁺ в присутствии Na⁺

Для создания логически последовательной теории (ТФЗЛ) предпочтительной адсорбции К⁺ и сопряженных с этим явлений, о которых кое-что уже сказано выше, были введены три новые теоретические концепции. В библиотеке Лингу тогда пришла в голову лишь одна из них — под номером 3.

1. Усиление ассоциации противоионов (или нейтральных молекул) с центром связывания, если он становится неподвижным, фиксированным

Эта концепция была представлена в 1952 году. Она заключается не в утверждении самого факта существования фиксированных зарядов, — он был установлен гораздо раньше, — а в том, что фиксированное состояние заряда приводит к такому усилению его взаимодействия со свободными противоионам, которое создает предельное насыщение пространства вокруг него этими противоионами (теория полной ассоциации), такими, например, как К⁺ или Na⁺. Именно эта концепция и отличает ТФЗЛ и ТАИ от всех остальных «теорий фиксированных зарядов» прошлого и настоящего. Ведь без предельного сближения противоионов избирательная адсорбция К⁺ в присутствии Na⁺, в соответствии с предложенной Лингом моделью избирательности (см. ниже п. 3) и соответствующих механизмов, которые будут рассмотрены позже, была бы попросту невозможна.

Под влиянием великих теорий ионной диссоциации Аррениуса, а также Дебая и Хюккеля, принято считать, что в разбавленном водном растворе (в клетке, например) одновалентные ионы одного электрического заряда и одновалентные ионы противоположного знака полностью диссоциированы вне зависимости от того, фиксирован ли один из этих ионов в пространстве или нет. В полном соответствии с верой во всемогущество ионной диссоциации, влиятельный датский ученый Кай Ульрик Линдерстрём-Ланг, занимавшийся химией белков и возглавлявший Карлсбергскую лабораторию в Копенгагене, описывал молекулу белка как эллипсоид, электрический заряд которого равномерно распределен по его поверхности, окруженный диффузным облаком противоионов, количество которых соответствует избытку зарядов противоположного знака на молекуле белка. По мнению Линдерстрёма-Ланга, белки не вступают в непосредственный контакт с противоионами. Этот пример покажет читателю, насколько резко точка зрения Линга, которая будет изложена ниже, выбивается из общего потока мнений.

Одной из двух названных Лингом в 1952 году причин усиления ассоциации противоионов при пространственной фиксации одного из них независимо от его знака было перекрытие электрических полей соседних фиксированных зарядов противоположных знаков. Это перекрытие — ничто иное, как микроскопическая реализация так называемого закона макроскопической нейтральности. При перекрытии полей не только возрастает прочность связывания иона, но и диссоциировавший противоион надежнее удерживается на близком расстоянии от фиксированных ионов. Это пространственное ограничение его подвижности означает снижение энтропии диссоциации противоиона и увеличение, в конечном счете, вероятности его связанного состояния. Действительно, если К⁺ связывается с фиксированным анионом, окруженным фиксированными катионами, то энергия его связывания с анионом возрастает из-за того, что диссоциация в направлении к одноименным фиксированным зарядам становится менее энергетически выгодной. Кроме того, и достаточно плотное расположение фиксированных анионов также значительно увеличивает вероятность связанного состояния К⁺ или другого катиона.

Вторая причина усиления ассоциации, также высказанная Лингом в 1952 году, — чисто кинетическая по своей природе. Однако именно здесь и сейчас впервые будут детально изложены ее особые механизмы. Считается, что шанс образования ассоциированной пары катион-анион почти не зависит от того, фиксирован ли один из них в пространстве. Однако в случае фиксации одного из ионов вероятность диссоциации пары под ударами молекул воды, например, уменьшается как минимум вдвое из-за того, что фиксированная часть пары остается на месте, не движется навстречу другой молекуле, в результате скорость их столкновения значительно снижается (по меньшей мере, на 50%), соответственно снижается и вероятность того, что налетевшая молекула выбьет связанный катион. Результат, опять же, — усиление ассоциации. Обратите внимание, что первая причина (перекрытие полей) относится лишь к заряженным частицам (т. е. ионам), тогда как вторая (кинетическая) не зависит от заряда и, таким образом, относится к любому локальному акту адсорбции — ионов, воды и других веществ.

Теория усиления ассоциации противоионов (и нейтральных адсорбатов) с фиксированными центрами связывания в последующие годы неоднократно рассматривалась в публикациях Линга. Ее решающее значение для возникновения прочной ассоциации в живых системах отражено и в самом названии итоговой теории — теории ассоциации-индукции (ТАИ). Не успела она появиться на свет, как стало ясно, что факты, которые она предсказывает, уже имеются в литературе о состоянии ионов и воды в модельных системах. Вот один из них.

Керн продемонстрировал, что коэффициент активности Na⁺ в растворах натриевой соли изомасляной кислоты (СН₃СНСООНСН₃) концентрацией 12,5-200 мМ варьирует от 0,90 до 1,00, то есть не менее 90% Na⁺ находится в свободном состоянии. Если же мономеры изомасляной кислоты соединены в линейный полимер — полиакриловую кислоту (СН₂СНСООНСН₂)_n, — то карбоксильные группы оказываются в этом случае зафиксированными в пространстве, вернее, их подвижность по сравнению с мономером, оказывается в этом случае значительно более ограниченной. Коэффициент активности Na⁺ в том же самом диапазоне молярных концентраций полимера падает до 0,168-0,315, то есть 68-83% ионов Na⁺ оказывается связанными карбоксильными группами полимера.

2. Теория белковых солевых связей и значение АТФ в их динамике

Как гласит ТФЗЛ, отрицательно заряженные β- и γ-карбоксильные группы изолированных нативных белков участвуют большей частью в образовании солевых связей с фиксированными катионами (например, с положительно заряженными ε-аминогруппами и гуанидиновыми группами остатков соответственно лизина и аргинина), что лишает их способности адсорбировать свободные катионы, в частности, К⁺. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), связываясь с кардинальными центрами адсорбции, играющими ключевую регуляторную роль, приводит к разрыву солевых связей между остатками аминокислот и освобождает фиксированные заряды соответствующих белков для взаимодействия с ионами К⁺ и другими заряженными частицами.

В этих ранних представлениях механизм действия АТФ сводится к тому, о чем уже писали Райзман и Кирквуд, когда объясняли, почему АТФ препятствует самосокращению или спонтанному укорочению сократительных белков (таких, как миозин), которые эту кислоту связывали: АТФ, связанная in vitro с белками, придает им значительный отрицательный заряд, который препятствует сворачиванию полипептидной цепи, удерживая ее в «спрямленном» состоянии. Позднее, в теории ассоциации-индукции, Линг предложил несколько иной (хотя и сходный) механизм. АТФ, бесспорно, является аккумулятором энергии. Ее решающее значение в поддержании избирательной адсорбции К⁺ белками, согласно ТФЗЛ, объясняет, почему при повреждении или гибели клетки, когда метаболизм в ней замедляется или прекращается вовсе, прекращается и синтез АТФ, кардинальные центры адсорбции освобождаются от взаимодействия с АТФ, в белках снижается количество свободных для взаимодействия фиксированных зарядов, и К⁺ выходит из клетки.

3. Электростатическая модель избирательного накопления в клетке К⁺ в присутствии Na⁺, созданная в 1952 году

Приняв во внимание явление диэлектрического насыщения, возникающее при электростатическом взаимодействии между фиксированным анионом и свободным одновалентным катионом в реальной среде, а не в вакууме, можно вычислить вероятность, с которой он может находиться на том или ином расстоянии от отрицательно заряженного атома кислорода (β- или γ-карбоксильной группы остатков соответствующих аминокислот (кривая 2 на рис.). Резкое снижение относительной диэлектрической проницаемости среды при сближении заряженного центра и иона, также показано на рис. (врезка в правом верхнем углу). При удалении заряженных частиц друг от друга, между ними оказывается все больше и больше молекул воды, относительная диэлектрическая проницаемость, или постоянная, которой приближается к 80 (диэлектрическая постоянная показывает, напомним, во сколько раз взаимодействие между зарядами слабее в данной среде, чем в вакууме).

Схема, объясняющая природу избирательной адсорбции К+ в присутствии Na+ фиксированным анионом. Эта модель впервые представлена в 1952 году как составная часть ТФЗЛ. При расчетах учтено не только расстояние между зарядами, но и снижение относительной диэлектрической проницаемости среды по мере сближения зарядов (показано на врезке). Кривая 2 показывает зависимость вероятности нахождения одновалентного катиона (к примеру, К+ или Na+) на определенном удалении от кислородсодержащей кислотной группы (О, в левом нижнем углу графика) в зависимости от расстояния между их центрами (в Å, ось абсцисс). О — кислород карбоксильной группы остатка бикарбоновой аминокислоты. В нижней части рисунка схематически изображены гидратированные ионы Na+ и К+. Обратите внимание, что лишь гидратированный ион К+, имеющий меньший радиус, может войти в «область высокой вероятности ассоциации» с атомом кислорода (3-4 Å) и, в результате, избирательно адсорбироваться, тогда, как центр более крупного гидратированного иона Na+ остается за пределами этой области (дальше 4 Å от атома кислорода).

В нижней части рис. приведены диаметры гидратированных ионов — К⁺, меньшего по размеру, и на 40% более крупного иона Na⁺. Обратите внимание, что гидратированный ион К⁺ способен подойти так близко к фиксированному аниону, что вероятность его захвата будет гораздо больше, чем у Na⁺, отделенного от аниона более толстой гидратной оболочкой. В этом и кроется секрет избирательного связывания К⁺, которому присутствие Na⁺ помехой быть не может.

То, что изображено на рис., — первый количественный молекулярный механизм избирательной адсорбции К⁺ в присутствии Na⁺. Прежде чем перейти к более подробному описанию этого механизма, хотелось бы выразить его простыми словами: из-за того, что фиксированный анион и К⁺ разделяет меньшее расстояние, чем в случае с Na⁺, ионы К⁺ оказываются в области с большей напряжённостью электростатического поля не только в силу закона Кулона, но и из-за меньшего значения диэлектрической постоянной среды. В результате ион К⁺ адсорбируется на β- и γ-карбоксильных группах более прочно по сравнению с ионом Na⁺, в чем и заключается количественный молекулярный механизм избирательного накопления клетками К⁺ в присутствии Na⁺, не требующий непрерывного потока энергии для поддержания асимметричного распределения ионов между клеткой и средой.

Необходимо отметить, что миозин мышечных волокон несет множество β- и γ-карбоксильных групп (как и другие белки, сходные с ним в этом отношении). При адсорбции АТФ на регуляторные кардинальные центры миозина количество β- и γ-карбоксильных групп, способных связывать либо К⁺, либо Na⁺ значительно возрастает. Но поскольку размеры гидратированного иона К⁺ меньше, чем Na⁺, адсорбция первого энергетически более выгодна. В результате К⁺ избирательно накапливается клеткой, в отличие от Na⁺.

Остается добавить, что именно с этой мысли в 1952 году начались ТФЗЛ и ТАИ. Предложенные тогда механизмы остаются в силе и по сей день.

Работа над экспериментальной проверкой ТФЗЛ заняла более 40 лет. Подробное описание экспериментальных подтверждений ТФЗЛ и доказательств положений ТАИ по понятной причине занимает чрезвычайно много времени и выходит за рамки скромных отобразительных возможностей нашего сайта. Кроме того, вдумчивое ознакомление с подобным описанием потребовало бы от читателя очень серьезных умственных усилий, упорства, специальных знаний, а главное — желания разбираться в скучной науке, изобилующей цифрами и графиками. Поэтому мы не будем издеваться над читателями, а просто кратко резюмируем все результаты.

1. Структурой, обеспечивающей избирательное накопление К⁺ в присутствии Na⁺, является вовсе не клеточная мембрана с ее гипотетическими насосами, а протоплазма в целом.
2. Избирательной адсорбции ионов щелочных металлов β- и γ-карбоксильными группами так называемых «нативных» (т.е. фактически мертвых) глобулярных белков in vitro (в пробирке) препятствует образование в таких белках солевых связей между фиксированными анионами и фиксированными катионами (своего рода трупное окоченение на молекулярном уровне).
3. Особенности электропроводности клеток в покое, низкая мобильность внутриклеточного К⁺, данные рентгеновского микроанализа, а также коэффициенты активности К⁺, измеряемые К⁺-селективными микроэлектродами — все указывает на связанное состояние клеточного К⁺.
4. Исследования конкурентных отношений между одновалентными катионами щелочных металлов, обладающих различными характеристиками ближнего взаимодействия, доказали, что связывание обеспечивается прямым взаимодействием «один ион — один адсорбционный центр».
5. Обработка карбодиимидом, приводящая к исчезновению β- и γ-карбоксильных групп, а также титрование центров адсорбции доказывает, что внутриклеточный К⁺ связывается β- и γ-карбоксильными группами остатков дикарбоновых аминокислот, как это и следует из ТФЗЛ (и ТАИ).
6. Авторадиография, просвечивающая электронная микроскопия (на различных препаратах, включая тонкие лиофилизированные срезы мышечных волокон), дисперсионный рентгеновский микроанализ, как и более ранние методы внутриклеточного осаждения калия — все они свидетельствуют, что К⁺ в поперечнополосатых мышечных волокнах адсорбирован именно на β- и γ-карбоксильных группах, принадлежащих соответственно остаткам аспарагиновой и глутаминовой кислот белка миозина, особенно в той части его молекулы, которая расположена между Н-зоной и краем А-диска. Клеточный К⁺ адсорбируется также белками Z-линии, хотя и в меньшем количестве, но зато с высокой плотностью.
7. Изменение уровня К⁺ вдоль волокна портняжной мышцы лягушки, начиная с усеченного конца, сопряжено с соответствующим изменением уровня АТФ. Равновесные концентрации К⁺ в мышечных волокнах, которые подверглись действию 10 разных токсинов с разной степенью ингибирования метаболизма:
   • глицериновый альдегид
   • малоновая к-та — кальциевая соль малоновой кислоты в больших количествах содержится в корнеплодах свеклы
   • арсенит — небезызвестный Фаулеров раствор (на основе мышьяка), общетонизирующее средство
   • парахлормеркуриобензоат
   • йодацетат
   • азид — газообразующий компонент во многих системах подушек безопасности
   • хлопромазин — он же знаменитый Аминазин, входящий в перечень так называемых жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов
   • цианид — кто же не знает, что это такое
   • 2,4-динитрофенол — детонирующее вещество динамита и, заодно, эффективный жиросжигатель и непревзойденный ускоритель метаболизма
   • О-йодозобензоат
   также коррелируют с уровнем АТФ в этих мышцах: чем меньше в клетке АТФ, тем ниже в ней содержание К⁺. Это полностью подтверждает постулат ТФЗЛ (и ТАИ), что именно присутствие адсорбированной на белках АТФ определяет количество К⁺, избирательно адсорбируемого β- и γ-карбоксильными группами миозина и других внутриклеточных белков.

Как уже говорилось, ТФЗЛ — это тот центр кристаллизации, из которого выросла теория ассоциации-индукции, основные положения которой будут подробно рассмотрены в дальнейшем. А сейчас пришло время рассказать еще об одной вспомогательной теории — теории многослойной организации поляризованной воды в клетке (ТМОПВ), которая была включена в состав ТАИ через 3 года после выхода в свет ее первой версии.

		Часть 4		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Теория многослойной организации поляризованной воды в клетке (ТМОПВ)

Прежде чем начать рассказ о ТМОПВ, давайте окинем взглядом те гипотезы об упорядочивании воды вокруг белковых и других макромолекул, которые появились раньше.

История вопроса

Бертил Якобсон кратко в 1953, и более развернуто в 1955 году, предложил свою «гипотезу структуры воды», пытаясь объяснить диэлектрическое поведение водных растворов макромолекул. Он писал:

«Если на поверхности макромолекулы имеется много атомов кислорода и азота, причем их расположение идеально соответствует пространственной решетке воды, это производит сильный эффект упорядочивания и создает почти идеальную структуру, где каждая молекула воды соединена с четырьмя другими».

Образующиеся при этом гидратные оболочки Якобсон назвал «льдоподобными», чтобы акцентировать внимание на особенностях этой структуры, в отличие от структуры обычной воды, в которой имеются отдельные ассоциаты, каждая молекула в которых также может быть связана водородными связями с четырьмя другими, но доля таких ассоциатов в общем объеме невелика, а сами ассоциаты непрочны.

Двумя годами позже лауреат Нобелевской премии Альберт Сент-Дьёрдьи развил идею воды, подобной льду. Согласно «теории айсберга» Сент-Дьёрдьи, молекулы белков в клетках окружены кристаллами льда. Кроме того, идею льдоподобной воды вокруг белков также поддерживал Клотц. Однако против всех теорий айсберга есть серьезное возражение.

Чамберс и Хейл, изучавшие замораживание переохлажденных мышц лягушки, обнаружили (а Миллер и Линг подтвердили), что в точках контакта кристаллов обычного льда с цитоплазмой переохлажденного мышечного волокна лягушки мгновенно образуются кристаллы льда. От них к концам мышечного волокна быстро вырастают длинные ледяные неветвящиеся лучи, прямые или искривленные в зависимости от того, вытянуто волокно или искривлено. Этот пример показывает, что если бы в живой клетке постоянно существовали кристаллы льда, как утверждает теория айсберга, то ее переохлаждение сопровождалось бы спонтанным образованием льда вокруг этих кристаллов, как центров кристаллизации, и быстрым оледенением всей клетки, чего в реальности не наблюдается.

Тем не менее, и Якобсону, и Альберту Сент-Дьёрдьи — пусть их предположения и не оправдались — надо отдать должное за прекрасную аргументацию и интересные эксперименты, которые вновь привлекли внимание к столь важной проблеме, почти уже канувшей в лету после опытов Хилла с мочевиной.

ТМОПВ в клетке и ее мировое признание

ТМОПВ в клетке, неотъемлемая часть теории ассоциации-индукции (ТАИ), была опубликована спустя три года после выхода в свет собственно ТАИ. Однако лучше будет сначала рассказать о ТМОПВ, а потом уже — о собственно ТАИ, так как ТМОПВ, как и ТФЗЛ, касается статических свойств живых клеток. Динамические же, или индуктивные их свойства, которые всегда являются производными свойств статических, будут представлены позже при рассмотрении ТАИ.

Согласно ТМОПВ, вся или почти вся вода покоящейся клетки имеет отличную от обычной воды структуру динамичного характера, возникающую главным образом благодаря взаимодействию воды с сетью «полноразвернутых» белковых цепей, присущей всем клеткам.

Под полноразвернутым состоянием молекулы белка следует понимать такое ее состояние, при котором ни одна NH- или СО-группа полипептидной цепи не участвует в образовании иных водородных связей, кроме как с водой. Не следует путать полноразвернутую конформацию с «развернутой», как иногда называют β-складчатую конформацию белка. При некоторых допущениях полноразвернутую конформацию можно отождествить с так называемым «случайным клубком» и с тем, что Бунгенберг-де-Йонг называл линейной конформацией. Однако, по ТМОПВ, полноразвернутые белки и вода, которую они вокруг себя организуют, распределены в клетке отнюдь не беспорядочно.

Пептидный остов (цепь пептидных связей) белковых молекул представляет собой не что иное, как геометрически правильное чередование электрических диполей: отрицательно заряженных СО-групп (обозначаемых как N-центры, «отрицательные центры») и положительно заряженных NH-групп (обозначаемых как Р-центры, «положительные центры»), каждая из которых доступна клеточной воде, если белковая цепь полностью развернута, то есть не содержит элементов вторичной структуры. Одномерную (линейную) систему центров обозначим NP-системой. Двухмерную систему (поверхность) N- и Р-центров, расположенных в шахматном порядке, обозначим как NP-NP-систему. Трехмерную сеть (или матрикс) подобных полноразвернутых белковыух цепей можно назвать системой NP-NP-NP-типа, или NP-NP-NP-системой. Системой NO-NO-NO или РО-РО-РО-системой назовем трехмерную систему отрицательных (N) или положительных (Р) зарядов, правильно чередующихся с незаряженными (нейтральными) функциональными группами — О.

Наличие нейтральной группы между двумя ближайшими N- или Р-центрами оказывает сильное влияние на свойства матрикса потому, что от этих «вставок» зависит расстояние между соседними N- или Р-центрами.

Структура молекулы воды такова, что ее атомы располагаются в вершинах треугольника с атомом кислорода в вершине тупого угла. Каждая из связей кислорода с водородом представляет собой диполь с положительным (водород) и отрицательным (кислород) полюсами. Поскольку положительно заряженные полюса находятся относительно атома кислорода асимметрично, молекула воды имеет дипольный момент, равный в вакууме 1,85 дебая. Однако важно помнить, что эта величина не остается постоянной, она изменяется в зависимости от природы межмолекулярных контактов. Так, дипольный момент воды в жидком состоянии выше (2,9 дебая), чем в газообразном потому, что в присутствии других диполей или зарядов степень поляризации данного диполя обычно возрастает, он поляризуется.

Все N- и Р-центры полипептидного остова, расположенные вдоль него в геометрически правильном порядке, доступны воде, если белковая молекула полностью развернута. Взаимодействие этих центров с водой поляризует ее, делая водородные связи с другими молекулами более прочными, а NP-матрица определяет структуру первого слоя связанной воды таким образом, что дипольные моменты соседних молекул направлены в противоположные стороны (см. рис.). Этот первый слой, представляющий в свою очередь упорядоченную матрицу из полюсов диполей, адсорбирует следующий слой воды, дипольный момент которых при этом также возрастает. Формирование многослойной структуры будет продолжаться до образования мощной динамичной структуры поляризованных и ориентированных в пространстве молекул воды, «скрепленных друг с другом» более прочными водородными связями, чем в объемной воде. Структура, показанная на рис., — лишь стоп-кадр непрерывных изменений, способный создать ложное впечатление, что слои поляризованной воды предельно упорядочены и устойчивы.

Возникновение многослойной структуры поляризованной воды (кружки) под влиянием линейного матрикса из цепей полимера с чередующимися положительно и отрицательно заряженными фиксированными центрами (NP-система). Водные структуры, образовавшиеся на параллельно расположенных поверхностях (NP-NP-поверхность, не показана; ее плоскость перпендикулярна плоскости страницы) с чередующимися в шахматном порядке положительно и отрицательно заряженными фиксированными центрами (панель А) могут объединяться с образованием более толстых слоев поляризованной воды. На панели В показано, что многослойные структуры из поляризованной воды могут образовываться и на линейном матриксе, имеющем пробелы между заряженными группами (NO-система). В данном случае, на месте, где должен находиться положительный заряд, нет значимой для рассматриваемого процесса группы (NO-NO-поверхность не показана; ее плоскость перпендикулярна плоскости страницы). Совокупность плоских матриц образует трехмерную матрицу, заполненную ориентированными молекулами воды, организованными в многослойные структуры. Начало формированию такой структуры кладут взаимодействия фиксированных зарядов/диполей белка или другой макромолекулы с диполями воды, а сама водная сеть стабилизируется латеральными (внутрислойными) и радиальными (межслойными) водородными связями между самими молекулами воды. Первый слой адсорбированной воды, является матрицей для образования второго слоя и т. д. Поляризация молекул воды белком, передающаяся от слоя к слою, приводит к упрочению водородных связей и, соответственно, к увеличению устойчивости многослойной структуры связанной воды в целом (электростатические взаимодействия показаны стрелками). По этому принципу выстраивается кооперативная структура связанной воды (по Лингу).

Необходимо лишний раз обратить внимание на понятие «поляризованная вода». Что оно означает в данном контексте? Поскольку молекула воды обладает дипольным моментом, то она уже поляризована. Однако принципиальным положением ТМОПВ является следующее: при взаимодействии с другими диполями или зарядами асимметрия зарядов в молекуле воды усиливается, ее дипольный момент возрастает. Именно эта дополнительная поляризация объясняет все свойства связанной воды в клетке и в модельных системах, отличающие ее от свойств объемной воды. Главным фактором, усиливающим дипольный момент воды, является полипептидный остов белков, и чем большая его часть доступна воде, тем больше воды будет модифицировано, будь то в клетке или в модельной системе. В полной мере это относится к любым другим макромолекулам, способным усиливать дипольный момент молекул воды и служить, как белки, матрицей для упорядоченной их адсорбции. Для простоты словоупотребления под «поляризованной водой» мы будем понимать воду с увеличенным дипольным моментом (наведенная поляризация), несколько превышающим дипольный момент молекул объемной воды.

В клетке (например, в мышечном волокне лягушки) толщина слоя поляризованной воды между соседними полноразвернутыми цепями белков составляет в среднем шесть молекул. Казалось бы, немного, однако на самом деле этого хватает, чтобы связать всю воду внутри мышечного волокна, превратив ее в многослойную динамичную структуру. А что значит «динамичная структура», спросите вы?

Тадж Махал не может сдвинуться со своего места — это пример статической структуры. Журавлиный клин — совсем другая структура: каждый ее элемент беспрестанно перемещается относительно некой средней позиции, но вместе они образуют всегда узнаваемую динамичную структуру. Точно так же, согласно ТМОПВ, ведет себя и вода в клетке. Испытаем теперь эту теорию в эксперименте.

В такой сложной науке, как физиология клетки, создание и проверка новых теорий значительно упрощается, если уже на ранних этапах исследований имеется хорошая искусственная модель, демонстрирующая явления, предсказываемые теорией. Само существование убедительной искусственной модели, отвечающей требованиям теории, которая при этом, несмотря на свою простоту в сравнении с исследуемым живым прототипом, недвусмысленно воспроизводит то или иное его свойство — свидетельство истинности теории. И наоборот, если упорные поиски искусственной модели не увенчались успехом, это должно наводить на мысль об ошибочности теории — что, собственно, и имеет место, например, в случае с теорией мембранных потенциалов, о чем речь пойдет позже. История ТМОПВ в этом смысле была совершенно иной. Уже с первых шагов был найден целый ряд интересных модельных систем в ее поддержку.

По причинам, которые будут изложены позже, желатин, другие белки, денатурированные мочевиной и NaOH, а также линейные полимеры, несущие распределенные закономерным образом атомы кислорода или азота со свободной парой электронов — такие, как полиэтиленоксид (ПЭО), поливинил-пирролидон (ПВП), поливинилметиловый эфир (ПВМЭ) и полиэтиленимин (ПЭИ), — все являются полноразвернутыми соединениями. Благодаря этому, любой участок их молекулы доступен воде и легко с ней взаимодействует. Такие полностью открытые для взаимодействия с водой макромолекулы будем называть экстравертными моделями.

Молекула полиэтиленоксида (ПЭО) (—СН₂СН₂O—)_n служит наглядным примером важности постулата ТМОПВ о значительном влиянии, которое оказывает расстояние между заряженными центрами полимера (атомами кислорода в данном случае) на характер его взаимодействия с водой. ПЭО, в молекуле которого атомы кислорода разделены двумя метиленовыми группами, хорошо растворим в воде и способен связывать и поляризовать ее на своей поверхности. Однако удаление одной метиленовой группы из повторяющегося звена полимера, либо добавление новых делает полимер нерастворимым в воде. Это свидетельствует об особой комплементарности ПЭО и воды, о том, что геометрия расположения атомов кислорода в цепи ПЭО играет важную роль в образовании водородных связей с молекулами воды, а между структурой связанной воды и положением атомов кислорода в полимере имеется стерическое соответствие.

Большинство же нативных глобулярных белков, а также белки, денатурированные SDS и n-пропанолом, относятся к интровертным моделям, так как NH- и СО-группы их полипептидной цепи включены в α-спиральные или β-складчатые конформации и становятся недоступными воде.

По всему миру проводились исследования замечательных физико-химических свойств воды внутри клеток и клеточных моделей. Немало таких работ выполнено и в лаборатории Линга, но, в отличие от остальных исследователей, изучавших либо клетки, либо модели, группу Линга интересовала связь между ними.

У нас есть возможность провести сравнение результатов исследования клеток и модельных систем, полученных разными исследователями, по следующим направлениям (этот список мог бы быть значительно шире, если бы важность этой проблемы была очевидной для большего числа ученых):

1. осмотическая активность
2. набухание и сжатие
3. понижение температуры замерзания воды
4. поглощение пара при его парциальном давлении, близком к насыщению
5. время вращательной корреляции ЯМР (τ_r)
6. время диэлектрической релаксации Дебая (τ_D)
7. коэффициент вращательной диффузии по данным квазиупругого рассеяния нейтронов
8. растворимость веществ.

После сравнения результатов этих исследований стало очевидно, что вода, связанная экстравертными моделями, обладает точно теми же свойствами, что и вода в покоящейся клетке, тогда как у воды в интровертных моделях эти свойства отсутствуют или очень слабы — как это и следует из ТМОПВ. По понятной причине детальное обсуждение каждой из перечисленных характеристик не представляется возможным в рамках этого сайта. Однако мы постараемся ответить на два очень важных вопроса: сколько свободной воды имеется в типичной клетке, — к примеру, в мышечном волокне лягушки, — и какая доля воды в мышечном волокне поляризована и структурирована. Отвечая на эти вопросы, мы фактически подвергнем строгой проверке саму ТМОПВ, согласно которой вся или почти вся вода внутри клеток, находящихся в состоянии покоя, включена в упорядоченные слои, а свободная вода практически отсутствует.

Ответ на вопрос о количестве свободной воды напрямую вытекает из сопоставления результатов двух простых экспериментов. Линг и Уолтон разработали метод удаления межклеточной жидкости центрифугированием: 4 минуты вращения в герметичном контейнере с ускорением 1000g приводит к удалению всей свободной воды из межклеточного пространства портняжной мышцы лягушки, не затрагивая воду внутри мышечных волокон. С помощью этого метода они попытались выжать всю воду из портняжной мышцы, разрезанной на фрагменты длиной 2 и 4мм. Оказалось, что количество выделенной таким образом воды равно количеству воды во внеклеточном пространстве. Поскольку сверх этого количества из нарезанной мышцы выжать ничего не удалось (то есть внутриклеточная вода из разрезов не выходила), значит, свободной воды внутри самих мышечных волокон нет. Возможное возражение, что на поверхности разрезов быстро регенерировала мембрана, которая и заперла свободную воду во внутриклеточном пространстве, опровергается другим простым экспериментом, с очевидностью показавшим, что мышечные волокна лягушки не способны регенерировать плазматическую мембрану на усеченном конце. Итак, в мышце была обнаружена только одна фракция свободной воды — вода межклеточного пространства, свободное состояние которой ни у кого не вызывает сомнений.

Прежде же чем ответить на вопрос, какая часть клеточной воды организована в упорядоченные слои, коротко остановимся на истории изучения сорбции газов.

Зависимость количества газа, сорбируемого твердым телом, от парциального давления данного газа часто представляет собой S-образною кривую. Вначале она идет круто вверх, затем следует плато, переходящее во второй крутой подъем. Прежде этот второй подъем поглощения в области предельных значений парциального давления объясняли капиллярной конденсацией. Но в 1934 году де Бур и Цвиккер предложили новое объяснение, основанное на их теории поляризации. Эта теория предполагает, что первый слой молекул газа адсорбируется на заряженные центры, расположенные в шахматном порядке на поверхности сорбента. При этом адсорбированные молекулы газа становятся электрическими диполями и, в свою очередь, поляризуют следующий слой молекул. Так адсорбируются все новые и новые слои молекул газа, образуя, в конце концов, многослойную структуру на поверхности твердого тела.

В 1952 году Брунауэр, Эмметт и Теллер подвергли теорию де Бура и Цвиккера резкой критике, указывая на то, что в результате электростатической поляризации может быть адсорбирован только один слой молекул, но не более того. Они предложили собственную теорию, известную по первым буквам их фамилий как теория БЭТ. Согласно теории БЭТ, первый слой молекул газа адсорбируется в соответствии с изотермой Ленгмюра. Остальные молекулы наслаиваются на первый вследствие обычной конденсации, поэтому их состояние напоминает состояние жидкого газа.

Однако Брунауэр и его коллеги при этом ясно дали понять, что их критика теории де Бура и Цвиккера касается лишь адсорбции газов, близких по свойствам к благородным, — то есть не обладающих собственным дипольным моментом. А механизмы адсорбции газов, чьи молекулы обладают значительным собственным дипольным моментом (именно их исследовал Бредли), под их критику не подпадают (напомним, что молекулы воды тоже обладают собственным дипольным моментом).

В 1965 году, представляя ТМОПВ применительно к клетке, Линг отметил, что теория БЭТ способна удовлетворительно объяснить лишь ограниченный круг сорбционных явлений, таких как поглощение воды овечьей шерстью и коллагеном при очень низком парциальном давлении водяного пара. Данные же о поглощении воды различными белками и полипептидами в широком диапазоне парциального давления водяного пара, полученные Меллоном, Корном и Гувером, соответствуют изотерме Бредли. Хотя Брунауэр и его коллеги не нашли аргументов против взглядов Бредли на сорбцию молекул газов с собственным дипольным моментом, они не стали углубляться в эту проблему. Возможность многослойной адсорбции молекул воды, обладающих значительным собственным дипольным моментом, определяется сочетанием двух важных факторов — поляризацией и ориентацией ее молекул матрицей N- и Р-центров. Именно благодаря этой поляризации-ориентации исходный дипольный момент воды может несколько увеличиться. В результате адсорбированные молекулы воды ориентируются таким образом, что способны в свою очередь поляризовать и ориентировать в пространстве следующий слой молекул воды, а за ним еще и еще. В идеальных условиях — при достаточной плотности заряда на N- и Р-центрах, и при температуре абсолютного нуля — энергия взаимодействия молекул воды в поляризованных и структурированных слоях будет оставаться неизменной на любом удалении от поляризующей поверхности. Хотя в реальности эти условия недостижимы, распространение эффекта поляризации и ориентации на сверхдлинные расстояния теоретически возможно, о чем уже есть сообщения (правда, ТМОПВ нет необходимости выдвигать столь суровые температурные и другие требования для того, чтобы обеспечить свою работоспособность).

Как уже говорилось, изотерма адсорбции Бредли имеет дело с многослойной адсорбцией, причем каждый слой представляет собой мозаику из «кусочков» правильной формы — молекул, сориентированных в определенном направлении в результате взаимодействий как с соседями по своему слою, так и с соседями из других слоев; такая модель работает, если адсорбированные молекулы имеют собственный дипольный момент, а на сорбционной поверхности имеются фиксированные заряды/диполи, расположенные на ней в правильном порядке (например, как клеточки шахматной доски). Согласно ТМОПВ, в нормальных клетках, находящихся в состоянии покоя, большая часть воды, если не вся, адсорбирована по Бредли (как и вода в экстравертных моделях на основе желатина или других сходных по свойствам макромолекул).

Для проверки этого предположения Линг и Негенданк исследовали в стерильных условиях при 25 °С равновесную сорбцию воды тонкими пучками мышечных волокон, выделенных из изолированных портняжных мышц лягушки. Время установления диффузионного равновесия оказалось равным 7-8 суткам. Давление пара варьировали почти от нуля (0,043) до почти полного насыщения (0,996) с помощью растворов NaCl и серной кислоты разных концентраций. Полученные данные доказывают, что состояние 95% воды в мышечных волокнах соответствует, как и предсказывала ТМОПВ, сорбционной модели Бредли. Остальные 5% также связаны, но свойства этой фракции отвечают требованиям однослойной адсорбции Ленгмюра; эта вода характеризуется прочной связью с адсорбентом — очевидно, полярными боковыми цепями клеточных белков.

Данные Юлиуса Катца о сорбции воды желатином, опубликованные в 1919 году, также охватывают весь диапазон влажности. Сделанный Лингом анализ этих данных показал, что и они подчиняются изотерме Бредли.

В предыдущей статье мы рассказывали об исследованиях Енё Эрнста, Иозефа Тидьи с сотр. равновесной сорбции воды портняжными мышцами лягушки. Большая часть их экспериментальных данных была получена на мышцах с содержанием воды не более 10% от нормы и характеризует поэтому только воду, прочно связанную белками.

Бегло рассмотрев основные экспериментальные данные в пользу ТМОПВ, перейдем теперь к теоретическим и практическим следствиям, вытекающим из ее принципиальных положений.

Следствия ТМОПВ для теории и практики и их подтверждение

1. Изобретение магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Молекулы поляризованной воды, образующие многослойную динамичную структуру, постоянно перемещаются, меняются друг с другом местами и т.д. Но если бы нам удалось сделать стоп-кадр, то оказалось бы, что взаимодействие большинства молекул с соседями (а также, опосредованно, с группами пептидной связи — СО и NH, — организующими и поддерживающими всю эту структуру) сильнее и устойчивее, чем в обычной воде именно благодаря поляризации — увеличению дипольного момента молекул воды. Существование такой сети межмолекулярных связей ограничивает и замедляет как поступательное, так и вращательное движение молекул воды. Ограничение свободы перемещения молекул воды и входящих в их состав атомов водорода (или протонов) в многослойных структурах — одно из важнейших следствий ТМОПВ.

Фриман Коуп, получивший физическое образование в Гарварде и медицинское в Медицинской школе Джонса Хопкинса, одним из первых осознал, что, если утверждение ТМОПВ насчет ограниченной подвижности молекул воды в клетках истинно, то это можно обнаружить при помощи такого физического прибора как спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Этот прибор позволяет измерить время вращательной корреляции (τ_r) атомов или протонов водорода в молекулах воды, или время их релаксации Т₁ и Т₂. Не вдаваясь в детали, скажем, что фиксация молекул воды (а следовательно и ядер атомов водорода) и ориентация их в пространстве облегчает размагничивание протонов, известное как релаксация. Согласно ТМОПВ, протоны клеточной воды менее мобильны, чем протоны обычной воды, поэтому время T₁ и Т₂ для них должно быть короче. Вскоре Коуп подтвердил эту догадку. Впрочем, не он один.

Одновременно с ним другой молодой физиолог Карлтон Хейзелвуд, также из Медицинской школы Джонса Хопкинса, сделал со своими коллегами это же открытие. Затем на сцену вышел третий молодой ученый по имени Реймонд Дамадьян. Взяв на время нужный ему прибор и выпросив у Института Слоуна и Кеттеринга несколько крыс, больных раком, он сделал выдающееся открытие.

Дамадьян показал, что вода в разных тканях отличается по временным параметрам Т₁ и Т₂. А в злокачественных опухолях Т₁ и Т₂ протонов воды значительно больше, чем в клетках тканей, из которой эти опухоли произошли. Так, протоны воды в опухоли печени — гепатоме — имеют гораздо большие T₁ и Т₂, чем протоны в нормальной печеночной ткани.

Дамадьян сразу понял, что это различие в Т₁ и Т₂ может лечь в основу нового медицинского прибора, которого еще не существовало, и который позволит обнаруживать злокачественные опухоли, не нанося никакого вреда организму больного.

Таким образом, сбылись пророческие слова Альберта Сент-Дьёрдьи о том, что раковые клетки имеют «меньше водных структур», сказанные им в 1957 году в примечании к одной из его работ. Его мысль о меньшем количестве структурированной воды в опухолевых клетках вполне согласуется с ТМОПВ. Однако дальнейшие исследования показали, что увеличение доли свободной воды — лишь одна из причин увеличения Т₁ и Т₂ в опухолевых тканях.

Еще не успели стихнуть насмешки критиков, когда Дамадьян с двумя аспирантами — Ларри Минкоффом и Майклом Голдсмитом — запустили девятый по величине сверхпроводящий электромагнит в мире и в мгновение ока соорудили на его основе первый аппарат ЯМР, окрещенный «Непобедимым» и ныне стоящий в одном ряду с другими историческими изобретениями человечества.

А 15 июля 1988 года Дамадьян вместе с Полом Лотербуром, предложившим более совершенную технологию получения ЯМР-изображения, удостоились от президента Рональда Рейгана Национальной технологической премии за изобретение нового метода исследования, ныне известного как магнитно-резонансная томография, или МРТ. Дамадьяну, кроме того, 12 февраля 1989 года была посвящена церемония посвящения его в изобретатели Национального зала славы изобретателей США.

Но лучше всего мечтательную и благородную натуру этого человека характеризует следующее письмо, которое он написал Гильберту Лингу 9 ноября 1977 года:

«Утром 3 июля, в 4:45 утра... мы в великом ликовании получили первое в мире МРТ-изображение тела живого человека. Это достижение стало возможным благодаря современным концепциям биофизики водных растворов, великим пионером в которой стали Вы с Вашим классическим трудом — теорией ассоциации-индукции».

Немногие написали бы такое письмо другу (а тем более — неизбежному сопернику в науке). Но это благородство претворилось в еще нечто более важное — в поступок, когда он и созданная им компания Fonar, производящая аппараты МРТ, предложили поддержку и пристанище Лингу и его коллегам Маргарет Оксенфельд и Чжэнь-дон Чэню после того, как лаборатория Линга была закрыта на пике своей продуктивности по инициативе его научных оппонентов и примкнувшего к ним Национального института здоровья США. В 1988 году Лингу с сотрудниками пришлось распрощаться с Пенсильванским госпиталем в Филадельфии, первой больницей в истории США и пристанищем для группы Линга и их исследований на протяжении 27 лет.

Вскоре молодой компании Fonar пришлось изо всех сил биться за выживание с такими гигантами мировой индустрии, как General Electric, Siemens, Phillips, Hitachi, Toshiba, не говоря уже о множестве других компаний поменьше. Однако в США сложилась самая совершенная на сегодня патентная система в мире, которая не только защищает и вознаграждает как мелких, так и крупных изобретателей, но и, что не менее важно, обеспечивает, благодаря своей открытости, широкий доступ к своим патентам по всему миру, что служит интересам научно-технического прогресса. В 1997 году Верховный суд США, утвердив решения суда низшей инстанции и Апелляционного суда, предписал компании General Electric, гиганту из гигантов индустрии, выплатить компании Fonar 128,7 миллионов долларов за нарушение ее патента на новаторский метод диагностики рака, а также еще одного патента. Правда, немалая часть этих денег ушла адвокатской конторе «Robins, Kaplan, Miller and Ciresi», отстаивавшей иск Fonar.

Все то, что ныне нам известно о клеточной воде, стоило больших жертв и другим ученым. Один из первых исследователей клеточной воды методом ЯМР, Карлтон Хейзелвуд пережил гонения и суровые лишения за непоколебимость своих научных взглядов. Джим Клег, среди прочих своих научных достижений, подтвердил ограниченную подвижность клеточной воды, исследуя ее диэлектрические свойства в ультравысокочастотном электрическом поле. Бад Роршах стал инициатором исследований коэффициентов вращательной диффузии методом квазиупругого рассеяния нейтронов. Трагедией стало самоубийство Фримана Коупа в 1982 году, после того, как была прекращена финансовая поддержка его научной работы.

		Часть 5		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Немного истории

В 1902 году Паули и Рона обнаружили, что добавление нейтральных солей в раствор желатина при 30 °С приводит к его разделению на два слоя (фазы) с четкой границей между ними. В нижнем слое содержание желатина было высоким, в верхнем — низким. В 1929 году Бугенберг-де-Йонг (1893-1977) и Х. Крюйт предложили назвать это явление коацервацией (от лат. acervu — скопление и приставки co — вместе). Фаза, богатая коллоидом, была названа коацерватом. Если в стабилизации структуры коллоида важную роль играют солевые связи между фиксированными анионами и фиксированными катионами коллоида, коацерват называется комплексным.

В прошлом коллоидные химики называли все белки коллоидами. Это наводило на мысль, будто любой белок может образовывать коацерват. Однако это не так. Оказалось, что к коацервации способны лишь белки, которые Бугенберг-де-Йонг назвал линейными белками — такие, как желатин. Большая же часть глобулярных белков в тех условиях, в которых линейные белки образуют коацерваты, кристаллизуется. Это различие очень важно, и о нем следует помнить. Дело в том, что большая часть исследованных природных белков относится к глобулярным белкам. На этом фоне желатин уникален в том отношении, что постоянно находится в линейной или, как называет такие конфигурации Линг, в полноразвернутой конформации. Как возникает такая конформация и каким образом обеспечивается ее стабильность, долгое время было неясно.

Уникальные свойства желатина — ключ к новому пониманию коллоидов

При всей кажущейся «примитивности» и обыденности этого вещества, коллоидные свойства желатина вплоть до недавнего времени оставались необъяснимыми. Вообще, своим названием коллоиды обязаны именно желатину, да и исторически это самый «заслуженный» коллоид. Вне всяких сомнений, несостоятельность определения коллоидов немало способствовала снижению интереса к коллоидной химии и ее невысокой оценке как науки со стороны определенной части научного сообщества.

Уникальные свойства желатина стали поддаваться объяснению после двух событий.

1. Первое — установление своеобразного аминокислотного состава желатина, благодаря которому не менее 56% его полипептидной цепи постоянно находится в полноразвернутой конформации и потому полностью доступно воде. Это объясняется тем, что желатин на 13% состоит из остатков пролина и на 10% — из гидроксипролина, аминокислот, неспособных к образованию α-спиральной или β-складчатой структуры ввиду отсутствия атома водорода у их пирролидинового атома азота. Кроме того, 33% аминокислотных остатков принадлежит глицину — «разрушителю спиралей», а отсутствие в молекуле желатина дисульфидных мостиков (—S—S—), стабилизирующих третичную структуру, — еще одна причина открытости полипептидного остова этого белка воде.
2. Вторым событием стало появление и признание ТМОПВ, объясняющей характерные свойства коллоидов формированием на их основе поляризованной и ориентированной воды.

С учетом сказанного и идей прошлого родилось новое определение коллоидов:

«Коллоид — это кооперативный ансамбль полноразвернутых макромолекул (или их агрегатов) и полярного растворителя (например, воды). Макромолекулы, формирующие коллоидную систему, характеризуются геометрически правильным чередованием диполей (групп NH и СО пептидной связи белков или диполей иной природы) или фиксированных зарядов вдоль полимерной цепи. При растворении такие макромолекулы взаимодействуют с полярным растворителем, ограничивая подвижность его молекул в результате многослойной адсорбции на своей поверхности, правильно расположенные заряды которой ориентируют их в пространстве и поляризуют. Поляризованность (увеличение дипольного момента молекул растворителя) — важнейшая предпосылка для формирования многослойной структуры связанной воды».

Обратите внимание, что, согласно этому определению, коллоидом является экстравертная модель, тогда как интровертная им не является или ее коллоидные свойства выражены слабо. Большинство «нативных», то есть глобулярных белков интровертны, большая часть их полипептидной цепи недоступна воде, поэтому их нельзя отнести к истинным коллоидам. Проведенное нами разграничение повторяет взгляды Томаса Грэма, заявлявшего, что вещества, образующие кристаллы, — не коллоиды, а кристаллоиды. Вот и в случае белков, оказалось, что нативные глобулярные белки способны формировать кристаллы в тех условиях, в которых линейные или полноразвернутые белки образуют коллоидную систему — коацерваты. В дальнейшем мы увидим, что живые клетки являются коллоидами, тогда как мертвые утрачивают большую часть коллоидных свойств живой протоплазмы.

При этом можно не сомневаться в том, что, несмотря на любые наши усилия, нам вряд ли удастся полностью избавиться от наследия прошлого — череды вопиющих ошибок и закоренелых представлений в этой области — и убедить существующий научный истеблишмент в правильности именно такого определения. Как бы то ни было, оно послужит важной цели — сосредоточит наше внимание на том, что коллоиды — это не только вещество (макромолекулы), но еще и поляризованная вода (или другой полярный растворитель), образующая многослойную структурированную оболочку вокруг этого вещества, несущего определенным образом организованную систему зарядов.

Объяснение феномена коацервации, основанное на ТМОПВ

Коацервация — это расслоение гомогенного водного раствора на две несмешиваемые фазы с четкой границей между ними. Такой раствор непременно должен содержать полноразвернутые цепи макромолекул, к примеру, желатина (но не глобулярных белков), в достаточной концентрации. Как правило, процесс коацервации запускается повышением температуры. Хотя этот вопрос некогда был весьма популярен, до сих пор не существует объяснения, что представляет собой коацерват на самом деле, и почему он вообще образуется. Два взаимоисключающих определения коацерватов, предложенные творцом коллоидной химии и коацервации Бунгенберг-де-Йонгом, опровергнутые его же собственными экспериментами, говорят о том, что этот вопрос далек от решения.

Взглянем на эту застарелую проблему иначе: коацервация — это автокооперативный переход, во время которого одновременно протекает три процесса:

1. Стягивание молекул воды вокруг поверхности полноразвернутой экстравертной молекулы (к примеру, желатина) и их ориентация и поляризация полярными группами макромолекулы (таких, как СО и NH пептидных связей) с образованием многослойной структуры вдоль макромолекулы. Затем отдельные водо-белковые комплексы сливаются в единый ассоциат, в котором все макромолекулы целиком включены в общий водный «кокон».
2. Вытеснение части избыточной воды ассоциата в фазу, бедную экстравертным веществом, в результате оптимизации структуры ассоциата.
3. Формирование поверхности коацервата из линейных макромолекул (со связанной и структурированной водой), ориентированных перпендикулярно поверхности раздела фаз и образующих с такими же соседними макромолекулами непрерывную структурированную водную оболочку вокруг коацервата. Таким образом формируется граница между богатой экстравертным веществом коацерватной фазой и бедной экстравертным веществом фазой растворителя, молекулы которого по степени упорядоченности не отличается от обычной объемной воды. Таким образом, граница раздела фаз — это граница раздела между двумя состояниями воды.

Причина, по которой процесс коацервации запускается при повышении температуры, состоит в вытеснении наименее поляризованных молекул воды из коацерватной фазы в среду в результате «стремления» поляризованных водных оболочек макромолекул к слиянию между собой, так как энергия взаимодействия поляризованных молекул воды между собой выше, чем «обычных» в силу более прочных водородных связей. В результате прирост энтропии системы коацерват-среда, связанный с выходом молекул воды из конденсированной фазы (так как доля структурированной воды в системе при этом снижается), начинает перевешивать вклад в термодинамику системы процесса слияния структурированных водных оболочек, снижающих энтропию и свободную энергию системы. Этот термодинамически выгодный процесс завершается дополнительным усилением поляризации молекул связанной воды и, как следствие, — утолщением водных слоев в пространстве между макромолекулами. Таким образом, рост энтропии системы в результате перераспределения воды между коацерватом и дисперсионной средой является движущей силой коацервации. В силу автокооперативности этот переход подчиняется правилу «все или ничего». Увы, точное количественное описание феномена трехмерного кооперативного перехода (частным случаем которого является коацервация) — одна из труднейших задач теоретической физики, которая все еще ждет своего решения.

Ранее мы назвали NP-NP-системой двухмерную сеть положительных (Р) и отрицательных (N) центров, расположенных в шахматном порядке (элементарная NP-NP-система — две параллельно расположенные полноразвернутые макромолекулы). Две параллельные NP-NP-системы образуют элементарную трехмерную NP-NP-NP-систему. Предположим, что коацерват представляет собой систему NP-NP-NP, где имеется несколько параллельных полимерных цепей или несколько параллельных друг другу плоскостей. Введем обозначения: то, что раньше выглядело как система NP-NP, будет выглядеть как (NP)². Цепи желатина в коацервате, таким образом, будут обозначаться (NP-NP-NP)ⁿ, где индекс n соответствует некоторому среднему количеству цепей, объединенных общей водной оболочкой, идущих параллельно друг другу и сгруппированных вокруг общей оси симметрии. Коацерват на основе поливинилметилового эфира ([—СН₂СН(OСН₃)—]_n), содержащий вместо Р-центров незаряженные группы (О-центры), следует обозначить так: (NO-NO-NO)ⁿ; это значит, что коацерват образован на основе полимера, который представляет собой череду отрицательно заряженных атомов (в данном случае — кислорода), перемежающихся с нейтральными группами.

Представленная выше модель коацервации является ключом к пониманию ряда явлений.

1. Во-первых, она дает объяснение резкой очерченности границы коацервата, а значит, и его способности не смешиваться с окружающей обычной водой. До сих пор никому не удавалось предложить молекулярного механизма этой несмешиваемости.
2. Во-вторых, модель объясняет, почему только полноразвернутые белковые цепи (или линейные белки, как их называл Бунгенберг-де-Йонг), могут образовывать коацерваты: согласно ТМОПВ, получившей всесторонние убедительные подтверждения, лишь полноразвернутые белковые цепи могут связывать воду в форме многослойной структуры поляризованных молекул, объем которой может быть значительным.
3. В-третьих, она отвечает на вопрос, почему протоплазма из поврежденных клеток — от инфузории Дюжардена до клеток Bryopsis Лепешкина — не смешивается с водой: она просто представляет собой коацерват, что давно подозревал и Лепешкин, и другие ученые, хотя они и не предложили этому физико-химического объяснения.

Читатель, вероятно, еще помнит, что электронно-микроскопические исследования с радиоактивной меткой позволили установить неспособность к регенерации мембраны клетками с плотной желеобразной протоплазмой как у мышечных волокон лягушки. Однако эти данные не исключают возможности регенерации мембран клетками с менее вязкой протоплазмой. Теперь, вооружившись новым определением коацервата, продолжим исследовать эту тему.

Регенерация мембран была центральной темой «Осмотических исследований» Пфеффера. Он искренне верил, что протоплазма обладает способностью мгновенно образовывать новую мембрану, как только приходит в соприкосновение с «другим водным раствором». Именно этот аргумент был разящим оружием в руках сторонников мембранной теории в их борьбе с Кайтом, который утверждал, что клетки содержат несмешивающуюся с водой протоплазму. Однако обратимся к интересному наблюдению: в 50%-м растворе поливинилметилового эфира (ПВМЭ) при умеренном повышении температуры (до 34 °С), как и в растворе желатина, возникают коацерваты, но, в отличие от желатина, в раствор ПВМЭ не нужно добавлять соль или гуммиарабик. При охлаждении коацерваты на основе ПВМЭ снова переходят в раствор. Эти опыты доказывают, что первопричина данных изменений лежит не в самом факте контакта субстрата с водным раствором, который «однозначно» запускает процесс формирования «мембраны», а в чем-то другом: ведь полимер контактирует с водой и до, и после перехода в коацерватную фазу.

Как будет показано позже, протоплазма любой клетки в состоянии покоя, согласно ТМОПВ, представляет собой матрикс NP-NP-NP-типа из параллельно ориентированных развернутых белковых цепей и уже в силу этого не способна смешиваться с водой. При таком понимании нет необходимости в особых барьерах, отделяющих клетку от внешней среды. Интересную иллюстрацию этого утверждения мы находим у Лепешкина в его опыте с раздавленными клетками морской водоросли Bryopsis, из которых выделялись капли протоплазмы, способные в гипотоническом растворе образовывать внутри себя вакуоли. Обратите внимание на то, что новая «водостойкая» граница вакуоль/протоплазма образовывалась вовсе не тогда, когда соответствующий участок протоплазмы «соприкасался с другим водным раствором». Никакого «другого раствора» тут не было. Вакуоль возникает в объеме протоплазмы и содержит либо воду, выделившуюся из нее самой (гипотония — фактор повреждающий), либо воду, проникшую из окружающей среды.

Не менее значимо наблюдение Лепешкина, что вакуоли в каплях протоплазмы Bryopsis, возникнув, исчезают при добавлении в гипотонический раствор морской воды для восстановления изотоничности среды. Из этого наблюдения с очевидностью следует, что если мембрана и возникает на поверхности раздела протоплазма/вакуоль, то она обладает фантастической способностью не только с легкостью появляться, но и бесследно исчезать. Вместо того, чтобы искать успокоения в бредовых утверждениях об удивительных свойствах мембраны, лучше еще раз обратится к простой и понятной модельной системе — раствору ПВМЭ, в котором, как и в протоплазме Bryopsis, запуск коацервации или обратного процесса определяется исключительно активностью воды в протоплазме (ее связанным или свободным состоянием) и чувствительностью этого состояния к физическим условиям среды (температуры, в данном случае), а не формированием такого сложного и стабильного надмолекулярного комплекса, каким учОным всегда представлялась мембрана.

Несмешиваемость коацервата с водой не означает, что вблизи новой поверхности протоплазмы не происходит вторичной перестройки ее структуры. Как показали выдающиеся опыты Уеды, Инуе и их коллег по Хоккайдскому университету в Японии, образование новых поверхностей в каплях протоплазмы Nitella действительно влечет за собой вторичную перегруппировку. Однако не эта перегруппировка обеспечивает несмешиваемость протоплазмы с водой. Будь протоплазма обычным водным раствором, она бы неизбежно стала растворяться в окружающей воде, особенно при встряхивании, и вместо тысяч мельчайших нерастворимых в воде капелек (которые наблюдал Лепешкин) мы получили бы, в конце концов, протоплазматический бульон.

Итак, не мгновенная регенерация мембраны является причиной устойчивости капель протоплазмы. Протоплазма, как коацерват в силу своей внутренней структуры, а не только структуры поверхности, независимо от своей вязкости, не способна смешиваться с водой — что и предположил в общей форме Феликс Дюжарден, впервые описавший живое желе, выделенное из простейших и названное им саркодой.

		Часть 6		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

А теперь вернемся в XVIII век, к тому вопросу, с которого берет свое начало физиология клетки — а именно, к вопросу о регуляции клеточного объема. Как мы уже знаем, вещества, проникающие через мембрану, способны, вопреки мембранной логике, вызывать стойкое сжатие клетки в гипертонических растворах, а значит, механизм регуляции объема, предложенный Вант-Гоффом и Пфеффером, основанный на идее абсолютной непроницаемости мембраны для сахарозы, хлорида натрия и других осмотически активных веществ, оказался несостоятельным. Ниже мы расскажем о новом механизме регуляции клеточного объема, основанном на ТМОПВ.

Одно время была весьма популярна теория бомбардировки Вант-Гоффа. В конце концов, было доказано, что она неверна. Как известно, осмотическое давление раствора нелетучего вещества связано с давлением пара растворителя следующим уравнением:

πV₁ =RT In (р°/р),

где π — осмотическое давление, V₁ — парциальный молярный объем нелетучего вещества в растворе (растворитель в данном случае — вода), R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, р° — давление насыщенного пара чистого растворителя, р — давление насыщенного пара растворителя над раствором. Крушение теории бомбардировки, установление связи между осмотическим давлением и давлением водяного пара означает, что механизм регуляции объема клетки необходимо искать в самой клеточной воде, а не в гипотетических свойствах мембраны, принимающей на себя удары молекул растворенных веществ.

Поскольку величина р°/р, обратная величине относительного давления пара (р/р°), является мерой активности воды, значит, осмотическая активность сахарозы, NaCl и других веществ объясняется тем, что они понижают активность воды, а не бомбардируют полупроницаемую клеточную мембрану. В 0,7% растворе NaCl мышечные волокна лягушки сохраняют свой обычный объем потому, что ионы Na⁺ и Cl^-, концентрация каждого из которых составляет 0,118 моль/л, понижают давление пара над раствором до физиологического давления пара над живой тканью, а именно до 99,64% от давления пара над чистой водой.

При этом возникает новый вопрос: что внутри клеток играет роль противовеса ионам изотонического раствора NaCl или раствора Рингера, уравнивающего парциальное давление пара внутри- и внеклеточной среды?

Что снижает активность воды в клетке до активности воды раствора Рингера?

Когда в 1896 году Юлиус Катц сообщил, что мышцы позвоночных содержат большое количество ионов К⁺ и фосфатов, многие решили, что именно эти компоненты и являются главными «осмотически активными» составляющими клеток, в том числе и мышечных.

Однако расcмотренные нами ранее данные не оставляют сомнений в том, что основная масса клеточных ионов К⁺ и анионов (например, АТФ, креатинфосфата) адсорбированы (см. также у Ментен свидетельства локализованной адсорбции хлоридов и фосфатов в мышцах). Адсорбированные ионы не могут понижать активность воды, в отличие от свободных. Значит, эту роль в клетке выполняет что-то другое. И это «что-то», согласно ТАИ, — в первую очередь полноразвернутые внутриклеточные белки. Поляризуя и ориентируя воду внутри клетки, они понижают ее активность или, что то же, — относительное давление пара.

Следовательно, экстравертные модели, воспроизводящие свойства постулированных полноразвернутых белков клетки, адсорбирующие и поляризующие внутриклеточную воду, должны адсорбировать столько воды при физиологическом давлении пара, сколько это необходимо для достижения физиологического парциального давления пара, характерного для внутриклеточной среды.

Однако наши ожидания, что количество адсорбированной макромолекулами воды будет столь большим, как этого требует наш подход, резко противоречат традиционным взглядам на количественные характеристики гидратирования белков.

Как известно, мышца лягушки на 20% состоит из белков, и на 80% — из воды. Если вся эта вода адсорбируется всеми белками клетки, то 1г сухого белка в среднем должен адсорбировать 4г воды, что намного больше общепринятых значений — 0,2-0,3г воды на 1г сухого белка.

Чтобы внести ясность, Лингу с сотрдниками пришлось опытным путем определить, сколько же воды адсорбируется на самом деле экстравертными моделями, такими как желатин и ПЭО, в состоянии диффузионного равновесия при физиологическом давлении пара. Как вы, вероятно, помните, Енё Эрнст уже предпринимал некоторые шаги в этом направлении, сравнивая сорбцию воды мышцами лягушки и желатином. Однако необходимо обратить внимание на то, что он и его коллеги работали при относительном давлении пара много ниже физиологического, так что их результаты мало нам помогут. А изучение сорбции воды при физиологическом давлении пара сопряжено с большими техническими трудностями.

Хотя исследование сорбции воды изолированными белками уже давно стало привычным делом, пределом относительного давления пара для большинства экспериментов остается лишь 95% насыщения. При этом в растворе Рингера (и в клетках лягушки, находящихся с ним в равновесии) относительное давление пара гораздо ближе к насыщению пара чистого растворителя и равно 99,64%. Несущественная, казалось бы, разница между давлением пара 95% и 99,64% (какие-то 4,64%) оказывается на самом деле весьма значительной для исследований такого рода. Так, при давлении пара 95% от насыщения равновесное содержание воды в мышечном волокне лягушки составляет лишь 0,88г на 1г сухого веса против 4г на 1г сухого веса при давлении пара над раствором Рингера — 99,64% от равновесного давлении пара чистой воды, то есть волокно обезвожено почти на 80%!

До выхода в 1987 году статьи Линга и Ху было известно лишь две публикации о гидратации биоматериалов при равновесном давлении пара чистой воды или при близких к этому пределу значениях. Имеются в виду опыты Спикмена с овечьей шерстью и другими материалами, опубликованные в 1944, а также опыты Юлиуса Катца на различных биоматериалах, опубликованные еще в 1919 году. Несмотря на огромную важность для физиологии таких экспериментов, немногие решались проводить их — очевидно, по причине медленного установления равенства давления пара между объектом и раствором с физиологическим равновесным давлением пара.

Действительно, опыты Юлиуса Катца продолжались месяцами, но и этого времени оказалось недостаточно. Линг и Ху показали, что даже по истечении 319 суток при относительном давлении пара 0,99858 от насыщения над чистым растворителем масса экстравертной модели — поливинилпирролидона (ПВП-360) — продолжала расти. Чтобы решить эту проблему, Линг и Ху предложили новый метод. Названный методом нулевой точки, он уменьшил длительность каждого опыта до 5 дней и позволил получить следующие данные.

При относительном давлении пара над раствором Рингера (0,9964) экстравертные модели ПЭО, ПЭГ-800, ПВП-360 и желатин сорбируют от 300 до 400 и более грамм воды на 100г полимера или белка, что близко к физиологическим 400г воды на 100г белков мышц лягушки. Даже интровертные модели, такие, как нативный гемоглобин и бычий сывороточный альбумин, связывают в этих условиях от 90 до 150г воды на 100г белка, или 0,9-1,5г воды на 1г белка, что значительно выше цифр, получивших распространение в литературе (0,2-0,3 г/г).

Ни в одном опыте на экстравертных или интровертных моделях in vitro не было сделано попыток выстроить молекулы белка или полимера параллельно друг другу, кроме эксперимента с ПВП. Остальные же полимеры и белки не были организованы параллельно, поэтому их состояние существенно отличалось от тех параллельно организованных полноразвернутых белков в клетках, существование которых постулирует ТМОПВ. Параллельная ориентация усиливает поляризацию воды и увеличивает число ее слоев, что доказано опытным путем. Именно это усиление поляризации и ориентации воды при упорядочении белков могло бы еще более приблизить содержание воды в экстравертных моделях (3,0-4,0г на 1г белка или полимера) к содержанию воды в мышечных волокнах лягушки (4г на 1г клеточного белка).

Подтвердив экспериментально предположение, что желатин и другие экстравертные модели способны оказывать существенное влияние на активность воды, приближая ее к активности воды, связанной постулируемыми полноразвернутыми экстравертными белками клеток, хотелось бы ответить на другой вопрос: можно ли на диализных мешках с растворами экстравертных моделей продемонстрировать in vitro набухание или сжатие, поместив их в раствор веществ, для которых их мембрана проницаема. Успех подобной демонстрации объяснил бы сразу два явления, которые оказалась не способна объяснить теория мембранного насоса:

1. Как клетки могут оставаться набухшими или сжавшимися в растворах ионов или иных веществ, для которых их мембрана полностью проницаема?
2. Почему вырезанные из мышцы сегменты набухают в гипотонических растворах также, как и неповрежденные клетки, хотя поверхности срезов лишены мембран?

Обратимое осмотическое сжатие содержимого диализных мешков с растворами экстравертных моделей, погруженных в концентрированные растворы веществ, для которых их мембрана полностью проницаема

Один из основных принципов мембранной теории гласит: лишь вещества, не проникающие через мембрану, способны вызвать стойкое сжатие клетки. Насонов, Айзенберг и Камнев это опровергли. Еще раньше Мартин Фишер продемонстрировал набухание и сжатие кусочков желатина и фибрина, не обладающих мембраной.

ТМОПВ пошла еще дальше: она не только предложила физическое объяснение, почему желатин ведет себя подобно клетке, но и дала количественную молекулярную теорию равновесного объема как желатина, так и клетки.

Согласно ТМОПВ, стойкое сжатие клетки под действием концентрированного раствора вещества, проникающего в нее, является результатом сочетанного действия трех противоборствующих факторов:

1. Перманентная способность клеточных белков адсорбировать новые и новые слои воды, вызывая набухание.
2. Образование в клеточных белках внутри- и межмолекулярных солевых связей, сдерживающих набухание.
3. Низкая растворяющая способность внутриклеточной воды, благодаря которой в ней меньше осмотически активных веществ (Na⁺ и Cl^- и других свободных компонентов), чем в среде. За счет этого фактора активность клеточной воды оказывается выше, чем снаружи (в гипертоническом растворе), и в результате она начинает оттекать во внешнюю среду — клетка начинает сжиматься. Согласно «правилу размера», можно предположить, что чем крупнее молекула основного осмолита (осмотически активного вещества), тем сильнее должна сжиматься клетка.

В экспериментах было показано, что растворимость сульфата или цитрата натрия в воде диализного мешка с ПВМЭ снижена. Как показали другие опыты, полиэтиленоксид (ПЭО) ведет себя точно так же. Если же переместить диализный мешок с ПЭО из раствора цитрата натрия одной концентрации (после установления диффузионного равновесия) в раствор более низкой или более высокой концентрации, содержимое мешка соответственно увеличится в объеме или уменьшится, и будет оставаться в таком состоянии, несмотря на то, что его мембрана полностью проницаема для цитрата натрия (рис.). Следовательно, ссылка на непроницаемость мембраны для цитрата натрия не может служить объяснением стойкого сжатия содержимого мешка, которое вызывает более концентрированный омывающий раствор этой соли. Это противоречит мембранной теории, настаивающей в таких случаях на непроницаемости мембраны, зато полностью соответствует поздним наблюдениям Хёфлера, а также Насонова, Айзенберга и Камнева.

Стойкое обратимое набухание и сжатие содержимого диализных мешков, заполненных раствором полиэтиленоксида (ПЭО) с начальной концентрацией 30%, после инкубации в растворах цитрата натрия (концентрации указаны на рис.). ПЭО — это нейтральный полимер и его набухание и сжатие нельзя объяснить электростатическими взаимодействиями, например, эффектом Доннана (по Лингу).

Все, что делает мембрана диализного мешка — препятствует выходу ПЭО в окружающую среду. Способностью обратимо набухать и сжиматься обладали все исследованные экстравертные модели, в частности, желатин, а также денатурированный мочевиной и NaOH бычий сывороточный альбумин. В других экспериментах показано, что незаряженные вещества — D-глюкоза и D-сорбит — способны влиять на объем растворов экстравертных моделей так же, как и цитрат натрия. Теперь, когда мы располагаем обширными (хотя и косвенными) свидетельствами тому, что некоторые или все белки мышц лягушки, эритроцитов и, судя по всему, остальных клеток находятся в полноразвернутой конформации, мы можем объяснить осмотическое сжатие мышц лягушки в концентрированных растворах сахарозы и галактозы, наблюдавшееся Насоновым, Айзенбергом и Камневым.

В отличие от мышц и экстравертных моделей, диализные мешки с раствором нашивного бычьего сывороточного альбумина — интровертной модели — в концентрированных и разбавленных растворах цитрата натрия своего объема не меняют, что также полностью согласуется с ТМОПВ.

До сих пор мы рассматривали то, что традиционно называется осмотическим набуханием и сжатием, и как при этом взаимодействуют два из трех вышеупомянутых факторов — первый и третий. Позднее мы расскажем, как можно влиять на объем клетки воздействием на фактор номер два — сдерживающую силу солевых связей.

Как уже говорилось, ТМОПВ позволила Лингу вывести уравнение равновесного связывания воды клеткой, позволяющее рассчитывать содержание воды в ней в граммах на 100г сухого белка. Это уравнение не только объяснило наблюдения Насонова, Айзенберга и Камнева, согласно которым вещества, проникающие через мембрану способны, тем не менее, вызывать сжатие клеток и удерживать их в этом состоянии, но и явилось хорошим аналитическим выражением эмпирических зависимостей, описывающим равновесное содержание воды в клетках, погруженных в растворы проникающих через мембрану веществ с различными значениями коэффициента распределения q. В высоких концентрациях вещества с низким значением коэффициента q, такие как сахароза и NaCl, вызывают сжатие клетки, заставляя воду выходить из нее. Вещества же, подобные этиленгликолю, для которых характерны коэффициенты q, близкие к 1, напротив, заставляют клетку поглощать воду, в результате чего ее вес становится больше, чем исходный в растворе Рингера или тканевой жидкости.

Оценив принципиальные положения имеющихся альтернатив мембранной теории, — от теории Бенджамина Мура до ТФЗЛ и ТМОПВ, — продолжим наш разговор о теории натриевого насоса и о мнимых мембранных насосах вообще.

		Часть 7		Теория ассоциации-индукции Линга [в 7 частях]

Теория мембранных насосов, на которой выстроена вся современная медицина, и ее главные противоречия

Читатель, дойдя до этой страницы, уже успел основательно ознакомиться с вопросами избирательного накопления клетками ионов К⁺ в присутствии Na⁺, большей частью в контексте гипотез Мура и Роуфа, Фишера, ТФЗЛ и ТМОПВ Линга.

Трактовка мембранной теорией этого важнейшего физиологического явления претерпела ряд метаморфоз. Сначала было решено, что клеточная мембрана непроницаема как для ионов К⁺, так и Na⁺ . Это вызвало критику со стороны Мура и Роуфа, о которой мы рассказывали ранее. Тогда была предложена версия Монда-Амсона-Бойля-Конвея: мембрана проницаема для К⁺, но непроницаема для Na⁺. В конце концов, пришлось признать, что и для ионов Na⁺ клеточная мембрана проницаема. Но если и К⁺, и Na⁺ могут проходить через мембрану, их внутриклеточная концентрация должна быть такой же, как и вне клетки, что на самом деле не так.

Назревал кризис, и вот тут-то возникла теория натриевого насоса. Как уже говорилось, на протяжении всей истории науки время от времени выносились на рассмотрение идеи различных метаболических насосов (или помп, как их еще называют — см. образец ненаучной фантастики, скармливаемой доверчивым «хомячкам», на фото справа). Очередная версия теории насосов объясняла низкий уровень клеточного Na⁺ непрерывной работой постулируемого мембранного насоса, выкачивающего ионы Na⁺ наружу, в противовес его постоянной диффузии внутрь клетки. Но непрерывная работа требует непрерывного притока энергии.

Биохимические исследования энергетического обмена клеток в 1930-х годах установили, что его конечным продуктом является аденозинтрифосфорная кислота (также известная как аденилпирофосфат) или АТФ. Мегоф и Ломанн вычислили теплоту дефосфорилирования АТФ (с образованием АДФ), которая составила -12,0 ккал/моль. Эти и другие данные позволили Липману предложить новую физиологическую доктрину, согласно которой одна из двух конечных фосфатных связей в молекуле АТФ содержит дополнительное количество свободной энергии. Эта энергия может быть высвобождена для выполнения биологической работы при помощи расщепляющего АТФ фермента — АТФазы. Эти необычные связи были названы «высокоэнергетическими (макроэргическими) фосфатными связями» и стали обозначаться ~Р.

Датский биохимик Йене Кристиан Скоу обнаружил в «мембранной фракции» гомогената нервов краба особый вид АТФазы, для наибольшей активности которой требуется присутствие как К⁺, так и Na⁺, — отсюда произошло ее название: Nа,К-активируемая АТФаза. Скоу предположил, что этот и аналогичные ферменты, находящиеся в мембранах, способны высвобождать и использовать «энергию» высокоэнергетических фосфатных связей АТФ для переноса ионов Na⁺ из клетки наружу, а К⁺ — внутрь против своих градиентов концентрации. Иными словами, идея состояла в том, что эта мембранная Nа,К-зависимая ATФаза и есть тот самый гипотетический натриевый насос.

На развитие этой теории была затрачена огромная масса времени, талантов и ресурсов, а кульминацией явилось присуждение профессору Скоу в 1997 году Нобелевской премии по химии именно за его работу, связанную с натриевым насосом. В результате этого ответственное за принятие этого решения большинство Нобелевского комитета оказалось в крайне неловком положении, о котором, впрочем, оно не подозревает.

Нетрудно понять, почему это так. Любого факта, лежащего в основании ТФЗЛ и ТМОПВ, достаточно, чтобы обесценить доводы, приводимые в поддержку теории натриевого насоса, или поставить под серьезное сомнение саму достоверность этой теории. Однако попытаемся конкретизировать это заявление, приведя четыре группы фактов, свидетельствующих о главных противоречиях теории натриевого насоса.

1. Минимальная потребность в энергии гипотетического натриевого насоса в мышце лягушки при неукоснительном соблюдении всех физиологических условий, по меньшей мере в 15-30 раз превышает максимальное количество энергии, которое клетка способна выработать. На протяжении почти полувека, прошедшего после публикации этих данных, никто так и не рискнул оспорить то простое утверждение Линга, что теория натриевого насоса противоречит основному закону физики — закону сохранения энергии. За эти же годы, с другой стороны, достоверность выводов Линга была дважды подтверждена независимыми исследователями.
2. Натриевый насос — лишь один из множества насосов, удерживающих клетку «на плаву». Линг, Миллер и Оксенфельд в 1973 году решили подсчитать, сколько же всего было предложено различных насосов. Неполный, к сожалению, список уже насчитывал 18 насосов, но зато некоторые из них представляли собой целые насосные ансамбли! В их числе оказались также всевозможные насосы для сахаров, свободных аминокислот и даже веществ, которые в обычном организме вообще не встречаются.
   
   Но это только насосы поверхностной мембраны. А ведь органеллам клетки тоже нужны насосы. Одним только натриевым насосам саркоплазматического ретикулума поперечнополосатых мышечных волокон, площадь мембраны которого огромна, потребовалось бы в 50 раз больше энергии, чем всем насосам на поверхности клетки. А теперь вспомним первый пункт: клетка не в состоянии обеспечить энергией работу даже одного насоса поверхностной мембраны — натриевого.
   
   Было проведено сравнение минимальной потребности в энергии гипотетического натриевого насоса мышечных волокон лягушки с максимальным количеством доступной энергии, определяемой после подавления дыхания и гликолиза. Метаболизм подавляли сочетанием низкой температуры (0 °С), замещения кислорода среды чистым азотом, добавлением в среду 1 мМ NaCN и 1 мМ иодацетата натрия. В таких условиях единственным доступным для мышечных волокон источником энергии остаются только запасы АТФ, АДФ и креатинфосфата на момент начала действия ядов. Вклад следов гликолиза, не подавлявшегося полностью в этих условиях, измерялся по образованию лактата и учитывался при вычислении окончательного энергетического баланса. Скорость откачивания натрия из клетки, как это называет теория натриевого насоса, определяли на тонких пучках мышечных волокон, выделенных из полусухожильной мышцы североамериканских леопардовых лягушек (Rana pipiens pipiens, Schreber). Откачивание проходило против как градиента электрохимического потенциала (т.е. потенциала покоя, измеренного микроэлектродами Джерарда-Грэхем-Линга), так и против градиента концентрации (вычислявшегося по концентрации меченого Na⁺ внутри и снаружи клеток). Методические подробности этих экспериментов содержатся в специальной литературе.
3. За год до того, как Скоу представил свою теорию натриевого насоса, Подольский и Моралес показали, что на повестке дня стоит вопрос о девальвации макроэргических связей. Оказалось, что так называемая «высокоэнергетическая фосфатная связь» не аккумулирует в себе много энергии. Подольский и Моралес пришли к такому выводу, более точно измерив теплоту гидролиза АТФ, сделав остроумную поправку на теплоту нейтрализации кислоты, освобождающейся при гидролизе. К такому же выводу пришли Джордж и Рутман: в так называемой высокоэнергетической фосфатной связи «высокой» энергии не оказалось.
   
   В связи с несостоятельностью концепции «высокоэнергетической фосфатной связи», дефицит энергии в клетке, создаваемый непомерными потребностями гипотетического натриевого насоса мышечных волокон лягушки, обостряется теперь в еще большей степени.
   
   Таким образом, если в фосфатных связях АТФ не содержится той энергии, на которую все так рассчитывали, значит Na,К-зависимая АТФаза, как и любая другая АТФаза, не может совершать работу по перекачиванию ионов Na⁺ и К⁺, предписываемую ей мембранной теорией.
4. Техника удаления цитоплазмы, или аксоплазмы, из гигантского аксона кальмара была отработана в 1961 году в двух лабораториях. При этом мембрана аксона сохраняла нормальную электрическую активность (несмотря на отсутствие аксоплазмы), что свидетельствовало о ее жизнеспособности. Если перевязать концы этого мембранного мешка, заполнив его предварительно морской водой со всеми веществами, необходимыми для нормального функционирования препарата (включая АТФ), то получится идеальная модель для проверки истинности теории мембранных насосов. Есть решительно все основания ожидать, что помпа тут же начнет выкачивать Na⁺ из этого мешка и закачивать К⁺ извне против градиентов концентрации этих ионов; все это должно произойти при условии, что теория мембранных насосов верна. На деле даже самые искусные исследователи так и не смогли продемонстрировать на этих идеальных препаратах активный транспорт К⁺ или Na⁺.
   
   Точно также отсутствует активный перенос К⁺ или Na⁺ против градиентов концентраций в тенях эритроцитов, из которых удалены все цитоплазматические белки, но присутствует АТФ. Тени эритроцитов, содержащие АТФ, могут, однако, аккумулировать К⁺ и вытеснять Na⁺ в среду, но только тогда, когда в них содержится заметное количество белка. При этом оказывается, что количество накапливаемого К⁺ прямо пропорционально количеству белка, оставшегося в тенях (в основном это гемоглобин). А уровень, до которого снижается концентрация Na⁺, обратно пропорционален содержанию внутриклеточного белка. Таким образом, все дело в количестве остаточного белка, а не в насосе.

Если мембрана, созданная самой Природой, отказывается следовать мембранной теории, то что тогда говорить об искусственных мембранах со встроенными в них «мембранными насосами» в виде изолированной Na,К-АТФазы? Только одно: попытки показать на таких моделях реальность активного транспорта К⁺ и Na⁺ против градиента концентрации обречены на провал. Сообщения об успехах таких попыток ошибочны и ошибка таится в недостаточном контроле за утечкой изотопов из нагруженных ими везикул, когда везикулы пропускаются через колонку с сефадексом для отделения их от маточного раствора изотопа. На эту очевидную опасность уже обращали внимание в 1980 году Линг и Негенданк.

Линг и Негенданк также, между прочим, указывали, что данные, поспешно расцененные как доказательство активного транспорта, питаемого АТФ, все-таки не лишены ценности. Они наводят на мысль, что вода в мембране везикул может связываться, поляризоваться и ориентироваться самой Na,К-зависимой АТФазой, что подразумевает ее хотя бы частично развернутую конформацию, которую она приобретает под влиянием АТФ как кардинального адсорбата (об этом позже). Меченый Na⁺ хуже проходит сквозь структурированную воду мембраны, поэтому его выход из везикул в колонке с сефадексом может замедлиться. В результате, внутри пузырьков остается большее количество меченого Na⁺, чем в отсутствии АТФ.

Приняв во внимание все эти данные, нетрудно придти к выводу, что избирательное накопление К⁺ в присутствии Na⁺ нервными и мышечными волокнами, эритроцитами и другими клетками не может быть результатом работы гипотетического насоса, встроенного в их плазматические мембраны. Нет моделей, искусственных или полуискусственных, которые доказывали бы это. Следовательно, теория натриевого насоса (равно как и всех остальных помп) не представляет никакой ценности и ее давно уже пора оставить как ложную.

Правда, в 1976 году двое бывших выпускников Линга и один начинающий репортер журнала Science попытались убедить своих читателей в том, что теория натриевого насоса все еще жива. Но при тщательном анализе этой публикации обнаружился ее низкий уровень из-за голословных ссылок на некие несуществующие в реальности «решающие эксперименты» и упреков в адрес Линга о сокрытии правды. Надуманный оптимизм этой статьи Линг развеял в 1997 году в статье «Разоблачение мифа о воскрешении теории натриевого насоса».

Ранее мы выяснили, что идея «насоса» явилась последней попыткой сохранить мембранную теорию на плаву. Отказ от теории натриевого насоса означает конец господства парадигмы «клетка — разбавленный раствор электролитов, окруженный мембраной» — парадигмы, владевшей умами горе-ученых на протяжении всей истории физиологии клетки. А конец парадигмы означает и песец существующей медицине. Жаль только не доживем до этого радостного дня.

Это — ОН. Пока еще не такой полный, но вполне упитанный и уже подкрадывается.

Однако не все в мембранной теории оказалось ошибочным. Есть веские данные о реальном существовании диффузионного барьера на поверхности клетки, на чем всегда настаивала мембранная теория. Этот барьер, в разное время называвшийся протоплазматической кожей, плазматической мембраной и клеточной мембраной, будет предметом следующих статей.

Жизнь и смерть на уровне клетки (5 заметок)

1. Живое состояние

В теории Линга жизнь и смерть клетки определяются на основе концепции «живого состояния». Поэтому начнем с того, что выясним: живое состояние — что это вообще такое?

Сам термин «живое состояние» использовали время от времени и раньше, но лишь как замену слову «жизнь». Однако были и исключения. Например, идея Аристотеля о жизни как «форме» или организации. В Эпоху Возрождения (с XIV по XVII век) ученые заметили, что в неблагоприятных условиях организм может перейти в состояние спячки (анабиоза), не уходя при этом из жизни. Это также привело их к мысли, что неотъемлемой составляющей жизни является ее организация. Но еще более содержательной была апелляция Жана Батиста Ламарка (1744-1829) к «état de chose» (положению вещей), и понятие Лепешкина — «состояние жизни», появившееся два столетия спустя после Ламарка.

«État de chose» Ламарка, как и «состояние жизни» Лепешкина — предтечи «живого состояния», как оно понимается в теории Линга. Однако живое состояние в теории Линга радикально отличается от более ранних идей тем, что его можно выразить четкими физико-химическими терминами.

Прежде чем перейти к определению живого состояния, как оно видится в теории Линга, нам необходимо выяснить — что есть мельчайшая единица живой материи? Большинство людей, не знающих о кризисе теории мембранных насосов, полагает, что живой может быть только целая клетка, и не менее чем целая клетка. Однако это не так.

Несложно найти признаки жизни и на субклеточном уровне. Так, участок нервного отростка — аксона, отделенный от тела нервной клетки с ядром, никак не может рассматриваться в качестве целой клетки. Но при этом он сохраняет все свои электрические функции, и именно на нем получена основная часть нынешних сведений о функционировании нервного волокна. Как же можно считать его мертвым? Капля эндоплазмы водоросли Nitella может три дня прожить в подходящей среде. А ведь она тоже никак не может считаться целой клеткой.

С точки зрения теории Линга, наименьшая единица живой материи — не клетка, а ее структурный материал — протоплазма. Именно после появления такой концепции живого состояния впервые обрела жизнеспособность сама концепция протоплазмы, выдвинутая еще полтора века назад Дюжарденом, фон Молем и остальными. Конечно, лишь протоплазма, поддерживаемая в живом состоянии, может служить «физической основой жизни», как ярко выразился Томас Хаксли. Смерть протоплазмы — это и есть конец жизни.

Однако необходимо подчеркнуть, что, в контексте теории Линга, структурная организация протоплазмы может принимать самые разные формы. Это не всегда описанное Дюжарденом, фон Молем и другими гистологами вязкое, но текучее «живое желе», которое коллоидные химики называют «гелем» или «коацерватом». Если мы рассечем мышцу лягушки, либо аксон кальмара, вязкая желеобразная консистенция протоплазмы не даст ей вытечь наружу — в противоположность эндоплазме поврежденной клетки водоросли Nitella. Несмотря на различия в консистенции, любая протоплазма обладает способностью существовать в живом состоянии и переходить в мертвое состояние, если к этому принуждают изменения окружающей среды.

Представить физико-химическое определение живого состояния поможет простая модель — цепочка стальных гвоздей, свободно разбросанных на стекле, соединенных друг с другом гибкой проволочкой и посыпанных железными опилками. Очевидно, что цепочка из гвоздей имеет случайную конфигурацию и не взаимодействует с железными опилками. Если теперь снизу поднести к стеклу сильный магнит — все, что лежит на нем, намагничивается и фиксируется. В результате этого простого действия не только цепочка гвоздей приобретает более жесткую и упорядоченную (спрямленную) «конформацию» — намагничиваются также хаотично разбросанные вокруг железные опилки, которые притягиваются к цепочке гвоздей поодиночке или скоплениями, т.е. множеством поляризованных слоев. В итоге образуется единая система из сцепленных гвоздей, железных опилок и магнита, свободная энергия которой выше, чем у исходной, а энтропия (хаотичность, дезинтеграция, разупорядоченность) такой системы ниже, чем у системы невзаимодействующих элементов. Удаление магнита размагничивает гвозди и железные опилки — система распадается, возвращаясь в исходное высокоэнтропийное состояние с более низким уровнем свободной энергии и подверженностью любым изменениям. Первое, низкоэнтропийное называется «живым» (с высокой потенциальной энергией), а второе, высокоэнтропийное — «мертвым» (с низкой потенциальной энергией).

Так вот протоплазма — будь то вязкая жидкость или плотный гель — является тесно ассоциированной и кооперативно связанной системой элементов — белков, ионов и воды. Белок — аналог цепочки гвоздей. Ионы К⁺ и молекулы воды — железные опилки. И, наконец, аналогом магнита является главный кардинальный адсорбат — АТФ. Протоплазма, поддерживаемая в живом состоянии — подобно модели с магнитом, гвоздями и опилками — имеет низкую энтропию и высокую потенциальную энергию, но в протоплазме вместо намагничивания и размагничивания имеет место электронная поляризация и деполяризация (или, проще, индукция).

Живое состояние может быть различным. Протоплазма может существовать в покоящемся живом состоянии или в активном живом состоянии, которые перекликаются соответственно с пассивным и активным состоянием жизни в трудах Лепешкина. В активном живом состоянии потенциальная энергия ниже, а энтропия выше, чем в покоящемся. Переход из покоящегося состояния в активное — суть большинства физиологических явлений, и этот переход, как правило, приводится в действие энтропией. Иными словами, именно прирост энтропии в первую очередь является движущей силой перехода протоплазмы из покоящегося состояния в активное.

Однако утверждение, что движущей силой физиологических процессов является рост энтропии, справедливо лишь для процессов, совершающихся однократно — при переходе из покоящегося состояния в активное. Если же речь идет о циклическом процессе, в результате которого система постоянно возвращается в исходное состояние покоя, энтропия и энергия этой системы остаются неизменными. В этом процессе совершается лишь работа за счет энергии, полученной из питательных веществ.

Предельной альтернативой живому состоянию является мертвое состояние, в котором протоплазматический ансамбль достигает самого низкого уровня потенциальной энергии и крайних, высоких, значений энтропии. Таким образом, движущей силой смерти также является рост энтропии. Вот почему жизнь чрезвычайно чувствительна к превышению определенных температурных пределов. Например, мышца лягушки погибает при 41 °С, хотя эта температура тела обычна для многих птиц.

Все возможные состояния живой системы разделены энергетическими барьерами различной высоты. Эти барьеры исключают спонтанный переход клетки или протоплазмы из одного состояния в другое. Сами эти переходы, как правило, резки и подчиняются правилу «все или ничего». Причину этого мы исследуем в других публикациях.

2. Элементарная живая машина

В 1939 году Энгельгардт и Любимова взбудоражили мировое сообщество физиологов простым экспериментом. Оказывается, АТФ, конечный продукт метаболизма питательных веществ, вызывает укорочение нагруженной белковой нити, полученной из сократительного белка мышечных волокон — актомиозина. При этом АТФ подвергается гидролизу вследствие АТФазной активности данного сократительного белка. Этот опыт наглядно показал, как скрытая химическая энергия, содержащаяся в высокоэнергетических фосфатных связях АТФ, может переходить в механическую работу.

Однако концепция высокоэнергетической фосфатной связи была опровергнута еще в середине 1950-х — ни одна фосфатная связь АТФ не содержит энергии, которую можно было бы использовать. Вскоре после этого революционного открытия такие ученые, как Райзман и Кирквуд, а также Моралес и Боттс, принялись за поиски иного способа, каким бы АТФ могла осуществлять свою ключевую роль в клетке. В своей книге Линг рассказывает о том, как он однажды использовал идею Райзмана и Кирквуда, чтобы объяснить роль АТФ в избирательном накоплении К⁺ клетками, и как впоследствии заменил первую модель своей теории другой — индуктивной.

В новой модели к прямому электростатическому эффекту (D-эффекту), распространяющемуся в пространстве согласно закону Кулона (как и в модели Райзмана-Кирквуда), добавлен более прецизионный индуктивный эффект (I-эффект), распространяющийся по цепи атомов. Так как в большинстве физиологических явлений, происходящих в протоплазме, явно преобладает именно индуктивный компонент, имеет смысл продолжать называть индукцией то, что, строго говоря, следовало бы называть прямым F-эффектом, как это делал Линг в своих первых работах (поскольку на практике I- и D-эффекты трудно различать, их суммарное действие обозначается в теории Линга как F-эффект).

На приводимом рисунке изображена схема минимального фрагмента протоплазмы, который обладает всеми необходимыми чертами живого состояния покоя и способен к структурным изменениям, необходимым для перехода в альтернативное, обратимое, активное, живое состояние, и необратимое — мертвое состояние. Иными словами, это схема элементарной живой машины.

Слева и справа — альтернативные состояния молекулы белка, определяющие альтернативные состояния протоплазмы: состояние покоя (справа) и активное или мертвое состояние (слева). Различия между этими двумя последними состояниями будут рассмотрены ниже. Адсорбция активным белком — его кардинальным АТФ-связывающим центром — кардинального адсорбата АТФ, а также «помощников», в том числе конгруэнтных анионов (показанных здесь как «адсорбировавшийся конгруэнтный анион») и белка X (отмеченного знаком «Z»), разворачивает интровертную (свернутую) вторичную структуру белка. В ходе этой трансформации рвутся солевые связи, и освобождающиеся β- и γ-карбоксильные группы (помеченные в правой части рисунка как «карбоксильная группа») начинают избирательно сорбировать ионы К⁺, а освободившиеся от участия в формировании вторичных структур NH- и CO-группы пептидных связей начинают взаимодействовать с водой, формируя многослойную структуру из поляризованных и ориентированных молекул воды — одного из ключевых факторов в поддержании живого состояния покоя.

Теоретически, чтобы вдохнуть жизнь в умирающую элементарную живую машину и вернуть ее в покоящееся живое состояние, нужно развернуть интровертную активную либо мертвую протоплазму, и снова превратить ее в экстравертную (развернутую). Для этого нам нужна, кроме АТФ [1], поляризованная и ориентированная вода [2], способная ослабить внутри- и межмолекулярные водородные связи между NH- и CO-группами полипептидного остова и «развернуть» их для взаимодействия с водой. Кроме того, нам нужен К⁺ [3] для разрыва солевых связей между β- и γ-карбоксильными группами и фиксированными катионами (ε-аминогруппами и гуанидиновыми группами). Но К⁺ не сможет сделать это один — чтобы помочь К⁺ ослабить солевые связи, нужны особые «конгруэнтные» анионы [4], способные оттеснять фиксированные катионы и фиксированные анионы друг от друга.

Конгруэнтные анионы в разных клетках — разные. В эритроцитах это, по большей части, Cl^-, в мозге и сетчатке морской свинки — L-глутамат, в аксоне кальмара — изетионат, а в мышцах лягушки — органические фосфаты.

Еще одним ценным помощником АТФ является схематично изображенное на рисунке выше вещество (отмеченное знаком «Z»), которое Линг называет белком (или белками) Х [5]. Исследовательская группа Линга в Пенсильванской больнице гналась по пятам за этим неопознанным веществом, содержащимся в эритроцитах. И вот, они уже почти его идентифицировали, как вдруг их лаборатория была закрыта Национальным институтом здоровья и Управлением морских исследований США. Собрание их послушных консультантов (или что там у них было), потребовало прекращения работы Линга. И, несмотря на невероятно любезную и своевременную помощь доктора Рэймонда Дамадьяна и его компании Fonar, группа Линга оказалась лишена средств, необходимых для завершения поисков, — радиоизотопных технологий, высокоскоростных центрифуг, приборов для ионного анализа и т.д. Загадка белка X так и осталась нераскрытой.

Однако есть веские основания полагать, что белком X (или одним из белков семейства X) является актин в мономерной форме или как часть системы микрофиламентов.

3. Отличие мертвого состояния от активного живого

Согласно теории Линга, движущей силой физиологических процессов и самой гибели клетки является увеличение энтропии, то есть именно рост энтропии является необходимой предпосылкой для перехода системы из покоящегося живого состояния в активное (например, сокращение мышцы). Поэтому нет ничего удивительного в том, что изменения в интенсивно работающей клетке зачастую качественно сходны с изменениями при гибели клетки. Например, повторяющиеся сокращения поперечнополосатой мышцы сопровождаются утратой клеточного К⁺ и притоком в клетку Na⁺, что наблюдается и в умирающей мышце. Согласно теории Линга, ключевую роль в развитии обоих состояний играет утрата АТФ.

Многие годы исследователей физиологии мышц озадачивало отсутствие снижения уровня АТФ после одиночного мышечного сокращения. Причиной этому является фермент креатинфосфокиназа, сразу восполняющий затраты АТФ при работе клетки за счет запасов креатинфосфата (КрФ). Когда же Инфант и Дэвис обнаружили, что ядовитое вещество динитрофторбензол (ДНФБ) способно избирательно подавлять креатинфосфокиназу, было сразу же показано, что сокращение мышц, обработанных этим веществом, действительно сопровождается снижением уровня АТФ.

В нормальной мышце запасы АТФ и КрФ постоянно восполняются за счет двух основных метаболических путей: гликолиза и окислительного фосфорилирования. Иодуксусная кислота блокирует этот процесс — поэтому обработанные ею мышцы способны лишь на ограниченное число сокращений. Кроме того, с каждым новым сокращением расслабление отравленной мышцы становится все менее полным до тех пор, пока она полностью не перестает сокращаться, достигнув стойкого укорочения — окоченения, что означает ее гибель.

Итак, главным отличием мертвого состояния от активного живого является необратимость одного и полная обратимость второго, хотя существуют и количественные отличия — степень изменений при мертвом состоянии, как правило, более глубока. 

4. Что нам дает пища

Крайне интересно и поучительно будет узнать, что говорил о жизни один из величайших физиков-теоретиков Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики. В своей книжке «Что такое жизнь с точки зрения физики», вышедшей в 1944 году, Шрёдингер презрел общепринятое убеждение, что мы и все остальные организмы питаемся энергией. Он настаивал: «То, чем кормится организм, — отрицательная энтропия».

Это высказывание вызвало протесты многих ученых, отвечая на которые он признал, что энергетическая составляющая пищи все же имеет значение. Однако теперь мы остались без четкого ответа: чем же мы питаемся — энергией или «отрицательной энтропией»? Почему более чем за полвека, на протяжении которых книжка Шрёдингера переиздавалась не менее 18 раз, никто так и не предложил своего варианта ответа? Мы видим основную причину этой нерешительности в абсурдной теории мембранных насосов, прямо противоречащей предположению Шрёдингера.

Как читатель, вероятно, знает, согласно теории мембранных насосов, клетка содержит лишь свободные вещества и свободную воду, а это — уже максимум энтропии и дальнейший ее рост невозможен. В этом случае живая клетка, согласно теории мембранных насосов, содержит не больше «отрицательной энтропии», чем погибшая. А если учесть, что погибшая клетка склонна к большей жесткости (трупное окоченение), можно даже подумать, что в погибшей клетке больше отрицательной энтропии (упорядоченности), чем в живой. Однако Шрёдингер твердо верил, что именно отрицательная энтропия «бережет нас от смерти».

Неужели мы в самом деле потребляем именно отрицательную энтропию?

И да, и нет. Дело вот в чем. Существуют неопровержимые данные, доказывающие, что адсорбированное состояние клеточного К⁺ и клеточной воды — неотъемлемая черта покоящегося живого состояния. Адсорбция ограничивает свободу их перемещения и создает тем самым отрицательную энтропию, что полностью согласуется с акцентом Шрёдингера на необходимости высокой отрицательной энтропии для существования жизни. Но нельзя ведь потреблять саму по себе отрицательную энтропию и прямо направлять ее к молекулам воды и ионам К⁺, к примеру, чтобы они адсорбировались. Однако мы можем добиться этого косвенно.

Благодаря потрясающим достижениям биохимии нам стало известно, что распад каждой молекулы глюкозы до CO₂ и воды в результате гликолиза и окислительного фосфорилирования сопровождается синтезом 36 молекул АТФ. Адсорбция АТФ кардинальными центрами основных внутриклеточных белков (например, миозина в мышечных волокнах) влечет за собой тотальную адсорбцию воды и К⁺ с утратой ими свободы перемещения и соответствующим ростом отрицательной энтропии. (более подробно о том, как АТФ выполняет эту жизненно важную функцию, будет рассказано в других публикациях).

Итак, мы потребляем не отрицательную энтропию как таковую.

При этом отрицательная энтропия существенно растет (а по абсолютной величине — снижается) и поддерживается на высоком уровне клетками в состоянии покоя. При циклической работе клетки, когда с каждым новым циклом протоплазма возвращается в исходное состояние покоя, энергия пищи тратится на ресинтез АТФ, затрачиваемой во время каждого цикла физиологической активности для восстановления этого исходного состояния. Мы использовали модель с магнитом, чтобы продемонстрировать механизм дистанционной каскадной регуляции энергии системы и ее энтропии. Однако уже говорилось, что аналогом магниту в живой клетке, как гласит теория Линга, являются внутримолекулярные электронные взаимодействия, которые и будут предметом рассмотрения в дальнейшем.

5. Что выполняет роль проводов в нашем теле

Электрический импульс, переданный по медному проводу длиной в 7 земных экваторов, пройдет это расстояние менее чем за секунду. Исключительная скорость электрической передачи по проводам, открытая Бенджамином Франклином, позволила создать такие великие изобретения, как телеграф, телефон и интернет, превратившие обычных людей в волшебников, ежедневно творящих технические чудеса.

Естественно, биологи задавались вопросом о том, может ли в основе скоординированности физиологических явлений лежать тот или иной способ дистанционной передачи сигналов. Но ответ оказался отрицательным — нет, не может. Единственным кандидатом на роль биологических проводов могли бы быть вездесущие белки с их длинными молекулами. Но белки не являются проводниками. Наоборот, нити такого типичного белка, как шелк, используют для подвешивания и изоляции металлических шаров при школьных демонстрациях феномена электростатического взаимодействия зарядов.

Конечно, все слышали, что сигналы могут передаваться в виде потенциалов действия по мембране нервных и мышечных волокон. Но мало кому известно, что в основе функционирования элементарной живой машины на молекулярном уровне лежит дистанционный каскадный контроль. Более того, оба эти способа дистанционной передачи сигнала имеют близкий механизм, что можно продемонстрировать на искусственной модели.

Более двух тысячелетий тому назад враждебные взаимоотношения с гуннами (называемыми в Китае Hsiung-nu) привели к возведению Великой китайской стены, которую можно рассматривать как своего рода аппарат для скоростной передачи информации на большие расстояния. Длиной более 6350 км, пересекающая пустыни и скалистые горы, эта рукотворная структура видна даже из космоса. Отлично вымощенная и настолько широкая, что по ней рядом могут скакать две лошади, она являлась также скоростным шоссе древности, поднятым над землей на много метров.

Стена соединяет между собой череду сторожевых башен, расположенных друг от друга на расстоянии 200-500 метров. При появлении неприятеля часовые, находящиеся в такой башне, тут же разжигали костер и подавали этим световой и дымовой сигнал другим постам. Увидев их, часовые соседних сторожевых башен в свою очередь тоже зажигали костры, передавая сигнал тревоги дальше. И так сигнал быстро передавался по цепочке сторожевых башен, пока не достигал гарнизонов, охранявших границу. На помощь постам, подвергшимся нападению, быстро прибывала конница и отражала натиск врага. Этот цепной способ передачи сигналов по Великой китайской стене может служить моделью быстрой передачи информации способом, альтернативным проводной связи — передача информации на большие расстояния обеспечивается многократным повторением ближних взаимодействий соседних сторожевых башен. Эта модель обладает существенным сходством как с распространением потенциала действия вдоль нервных и мышечных волокон, так и с распространением индуктивного эффекта вдоль белковых цепей (согласно теории Линга).

Белки  — основной субстрат жизни. Нельзя отрицать важность и ДНК с РНК, без которых жизнь не смогла бы долго продолжаться. Но функции ДНК и РНК не выходят за рамки функции кодирования ими белков (если не считать самокопирования), так что их роль не так тесно связана с жизнью, как роль белков.

Каждый белок — это уникальная последовательность аминокислотных остатков, разнообразие которых, как правило, составляет двадцать две аминокислоты. Поэтому язык жизни можно сравнить с письменным языком (английским, например), алфавит которого включает двадцать шесть букв. Слова еаt и аtе имеют разные значения, хотя набор букв в них одинаков. Так же и белок характеризуется не только природой и количеством аминокислотных остатков, но и порядком их расположения в цепи.

Разница между словами еаt и аtе чисто внешняя. Различие же между разными последовательностями аминокислотных остатков гораздо более глубокое. Во-первых, у них разная форма молекулы, или конформация. Еще важнее их электронные отличия в силу действия индуктивного эффекта.

В качестве примера приведем превращение приятного острого уксуса или уксусной кислоты (CH₃COOH) с константой диссоциации 4.75, в чрезвычайно едкую трихлоруксусную кислоту (CCl₃COOH) с константой диссоциации < 1.

Каждый атом хлора в молекуле трихлоруксусной кислоты более электроотрицателен, чем замещенный им атом водорода. Понятно, что атом хлора с 17-ю положительно заряженными протонами в ядре сильнее притягивает отрицательно заряженные электроны, чем замещенный им атом водорода с его единственным протоном.

Поэтому при замещении атомов водорода на хлор притяжение к ним электронов возрастает. Более того, эффект притяжения электронов в конце концов достигает по цепочке атомов отрицательно заряженного атома кислорода карбоксильной группы. При этом электронная плотность на этом атоме снижается и связь с положительно заряженным атомом водорода, — протоном (Н⁺), — ослабевает. При замещении же всех трех атомов водорода на хлор образуется кислота с очень низким сродством к Н⁺. И слабая кислота в результате индуктивного эффекта становится очень сильной.

Белки — основное вещество протоплазмы, и в природе их умеют создавать лишь живые клетки, включая и те, из которых состоят сами биохимики, научившиеся синтезировать белки искусственно. Уникальными соединениями их делает вовсе не разнообразие аминокислотных остатков. Сколько бы их разновидностей ни было еще открыто, это не изменит главного: по-настоящему уникальной структурой белков является их полипептидная цепь.

Традиционная химия белков не уделяет этому уникальному структурному компоненту любой формы жизни того внимания, которого он заслуживает. А вот теория Линга с самого своего основания придавала полипептидной цепи огромное значение как уникальной резонансной структуре. Имеется в виду кето-енольная таутомерия: динамическое равновесие между кето-формой пептидной связи и енольной (—С=O—NН— ↔ —СОН=N—). Благодаря таутомерии пептидная связь имеет частично (на 40%) характер двойной (сопряжённой) связи, что проявляется в уменьшении её длины (1.32 Å), по сравнению с длиной одинарной —С—N— связи (1.47 Å). Эта «вибрация» делает длинную полипептидную цепь высокополяризуемой и, тем самым, придает ей способность передавать индуктивный эффект на большие расстояния. Эта особенность сближает цепь пептидных связей с Великой китайской стеной, а также с более непритязательной цепочкой из гвоздей, превращая пептидный остов белка в главную информационную трассу элементарной структуры жизни.

Как же далеко может передаваться локальный или, как его называет Линг, прямой индуктивный эффект по полипептидной цепи белка in vitro? Существует, по меньшей мере, четыре группы независимых экспериментальных данных, дающих ответ на этот вопрос. Взятые вместе, они показывают, что прямой индуктивный эффект может передаваться через три пептидные связи, и еще — через короткий участок насыщенной метиленовой цепи бокового радикала. Если вернуться к аналогии с Великой китайской стеной, то дистанцию, на которую распространяется индуктивное влияние, можно уподобить расстоянию между двумя ближайшими сторожевыми башнями.

Ввиду относительно быстрого ослабления индуктивного эффекта метиленовыми группами, функциональные группы, расположенные на коротких боковых радикалах, в большей мере испытывают его влияние, чем более удаленные. В числе этих проксимальных функциональных групп находятся, прежде всего, пептидные связи полипептидного остова белка и уже знакомые нам β- и γ-карбоксильные группы. Кроме того, ближе других к остову белка расположены функциональные группы на коротких боковых цепях остатков серина, треонина, цистеина, тирозина, фенилаланина, гистидина и триптофана. Так как функциональная группа каждого из них отделена от полипептидного остова не более чем двумя метиленовыми группами, индуктивному эффекту не так сложно достичь их.

Мнение Линга о раке

Перевод статьи Гильберта Линга (в соавторстве с Рейдом и Мёрфи) от 1986 года [169]. Здесь опубликованы только начало и конец статьи, т.е. постановка задачи и выводы, ибо всевозможные графики, цифры и диаграммы большинству читателей непонятны и неинтересны.

Неоднократно высказывалось мнение, которое гласит:

«По мере того, как самые различные раки становятся все более и более злокачественными, они все больше и больше отклоняются по своим гистологическим характеристикам от тканей, в которых они возникли, и все стремятся к некому общему типу, весьма напоминающему эмбриональные ткани». ©Гринштейн, 1947

Сравнительные исследования самых различных раковых клеток позволили сделать целый ряд обобщений. Так, например, стало ясно, что все раковые клетки очень похожи друг на друга морфологически (Грэм 1972 и Нокс 1967). Они все характеризуются:

1. похожей (и весьма высокой) скоростью производства молочной кислоты (Варбург 1930)
2. ферментативной активностью (Гринштейн 1947, 1956)
3. похожими шаблонами накопления свободных аминокислот (Робертс и Тишков 1949, Робертс и Франкель 1949)
4. временами релаксации ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) протонов их водной среды (Дамадьян 1971, Дамадьян с коллегами 1973, Линг и Такер 1980).

Все эти обобщения в отношении раковых клеток согласуются с утверждением Гринштейна, сделанным много лет тому назад, а именно:

«Независимо от того, как или из каких тканей произрастают опухоли, в химическом плане они имеют между собой гораздо больше общего, чем имеют между собой нормальные ткани, не говоря уже о сходстве между нормальными тканями и опухолями». ©Гринштейн, 1954, стр. 589, см. также 1956

5. Другие данные на тему канцерогенеза поступили сравнительно недавно и основываются на выявлении раковых генов, называемых также онкогенами (Вайнберг 1981, Купер 1982, Гольдфарб с коллегами 1982, Барбейсид 1982). Поводом для исследований послужили канцерогенные ретровирусы (Бишоп 1982, 1983). Оказалось, что онкогены присутствуют в большом числе раковых клеток человека и, кроме того, обнаруживаются в клетках, подвергшимся химической обработке in vitro. Оказалось также, что от своих аналогов, называемых протоонкогенами, которые, как считается, присутствуют во всех нормальных клетках, эти онкогены отличаются всего лишь одним основанием (см. Редди 1982). Каким образом онкоген и связанный с ним белок вызывают рак — непонятно до сих пор, хотя есть некоторые предположения о том, что они как-то влияют на клеточную дифференцировку (Бойг с коллегами 1982, Бишоп 1982). И хотя трансформация протоонкогена в онкоген представляет собой точечную мутацию, эта мутация может представлять собой одну из последовательностей необходимых шагов в многоэтапном явлении известном как канцерогенез (Вайнштейн 1981, Мулгаркар и Кнудсен 1981, Фарбер и Кэмерон 1980).

Каждая клетка в многоклеточном организме, каковыми являются организмы всех млекопитающих, содержит в себе один и тот же геном. Различия в клетках, составляющих различные ткани, обусловлены стабильными паттернами избирательной транскрипции и трансляции, которые производятся на строго одном и том же наборе генов, доступном данному многоклеточному организму. Однако перед тем, как начинается дифференцировка, есть еще один стабильный паттерн транскрипции и трансляции, который специфичен для зародышевого состояния. Фактически, гипотеза Гринштейна предполагает возврат к этому исходному паттерну транскрипции и трансляции. А поскольку конечным продуктом любой транскрипции и трансляции являются клеточные белки, то нам показалось разумным провести сравнительно прямую проверку гипотезы Гринштейна, т.е. проанализировать и сравнить между собой все основные белки, полученные из раковых клеток самого различного происхождения. Если постулируемое сходство удастся обнаружить на практике, это будет означать, что можно понять и все 5 типов сходства (см. выше), основывающиеся на экспрессии одного или нескольких белков.

Поэтому задачей №1 для нас стал сбор большого разнообразия раковых клеток...

...Среди прочего мы исследовали

• лимфоцитарную лейкемию
• плеоморфную лейкосаркому (вызванную 2,4-диметоксибензальдегидом)
• ретикулярную саркому
• лимфому
• аденокарциному молочной железы
• карциному паховой области
• лимфосаркому
• фибросаркому
• гепатому
• миелогенную лейкемию
• лимфоидную лейкемию
• тучноклеточный лейкоз и др...

...Раковые клетки получали из

• слизистой оболочки кишечника
• слизистой оболочки желудка
• яичников
• вилочковой железы (тимуса)
• мозга
• поджелудочной
• железы
• печени
• брюшины
• легкого
• сетчатки
• селезенки
• мышц
• кожи
• сердца
• эритроцитов
• хрусталика
• седалищного нерва...

...стало ясно, что все раки сколь угодно различной этиологии характеризуются, по сути, одним и тем же набором основных белков. Отсюда следуют два вывода:

1. Когда раковые клетки достигают предельной автономности и злокачественности, они все становятся чрезвычайно похожими.
2. Процесс канцерогенеза включает в себя полное или частичное выключение регуляторных и структурных генов, активность которых создает все разнообразие белков, специфичных для всех типов нормальных родительских клеток, и включение конечного и общего для всех набора генов, активность которых приводит к производству всех белков, включая 16 основных.

Это открытие подтверждает и дополняет ряд обобщений касательно природы раковых клеток, сделанных Варбургом, Гринштейном, Робертсом, Дамадьяном и другими авторами, и может быть кратко сформулировано так: в конечной стадии своего развития все раковые клетки практически одинаковы. А поскольку все клетки, взятые из одних и тех же органов, несут один и тот же геном, то становится понятно, что ситуация, когда один набор генов активируется, а активация всех остальных подавляется, более чем реальна. Похожесть всех раков в их терминальной фазе ясно дает понять, что гены, определяющие раковые клеточные белки, — это гены, которые уже содержатся в нормальном геноме, а вовсе не какие-то новые гены, возникающие в результате мутаций. Подобная точка зрения хорошо согласуется с хорошо известным фактом, согласно которому раковые клетки, пересаженные человеку, не имеющему рака, вполне могут развиваться в нем и дальше (Браун 1953, Кинг и МакКиннел 1960, Минц 1978). Иными словами, это означает, что природу рака следует искать в неправильной клеточной дифференцировке (Фишер и Уозелс 1927, Холдейн 1934, Нидэм 1950, Пирс 1967, Маркерт 1968, Минц 1978).

С другой стороны есть немало подтверждений того, что мутации, как это ни парадоксально, играют ключевую роль в развитии рака (Бовери 1914, Локхарт-Маммери 1934, Хэддоу 1938, Бёрнет 1957, 1974). Начать хотя бы с того, что все канцерогены так или иначе являются мутагенами. Далее, активация онкогенов представляет собой точечную мутацию. Однако парадокс может быть лишь кажущимся. Мутация может быть необходимым шагом, ведущим к экспрессии специфических генов, транскрибируемых во всех далеко зашедших раковых опухолях.

Хорошо известно предположение о том, что рак имеет какое-то отношение к эмбриональному состоянию живых клеток. Однако исследования последних лет показали, что ряд белков действительно обнаруживается только в раковых клетках и в эмбриональных тканях, но никогда в тканях взрослого человека... Так что идея о том, терминальный рак представляет собой конечную стадию перехода к изначальным эмбриональным клеткам или вообще к оплодотворенной яйцеклетке — не такая уж гипотетическая. А раз так, то канцерогенез и дифференцировка имеют один и тот же смысл, вот только протекают в противоположных направлениях.

В свете сказанного становится понятно, что, поскольку протоонкогены обнаруживаются практически во всех органах эукариот, то рак — это что-то, что преднамеренно сохраняется эволюцией (Бишоп 1983). По сути, напрашивается вопрос: а не может ли быть так, что протоонкоген — это генеральный ген, активность которого приводит к подавлению транскрипции генов, отвечающих за уникальный набор эмбриораковых белков, а его мутация снимает блокировку с этого подавления?

Какие выводы можем сделать из вышесказанного мы? Да простит нас читатель за некоторые повторы.

Нетрудно видеть, что сходство идей поразительное. Вот только КСГ более детально проработана.

Также очевидно, что если Ревич действительно лечил рак, то делал он это на сугубо генном уровне (даже если ему поначалу мерещились там какие-то уровни), что, собственно, нами уже неоднократно озвучивалось.

Есть также немало оснований полагать, что если «лекарство от рака» действительно существует, то это должен быть сравнительно простой и, вероятно, универсальный набор веществ. Интересным подтверждением этого предположения является тот факт, что практически все протоколы лечения рака, выписываемые преемниками Ревича в США (по его предсмертным запискам), содежат в себе препараты и группы А, и группы D одновременно.

(NO-NO-NO)ⁿ система: формула для обозначения трехмерной системы фиксированных зарядов (геля, коацервата, дисперсионной фазы), образованной на основе линейного полимера одного типа, представляющего собой цепь с закономерно чередующимися отрицательно заряженными группами (N) и незаряженными, нейтральными, группами (О), расположенными друг от друга на расстоянии, оптимальном для связывания адсорбата определенного заряда и геометрической конфигурации, то есть комплементарной адсорбату; n обозначает среднее количество цепей полимера, объединенных общей водной оболочкой, идущих параллельно друг другу и сгруппированных вокруг общей оси симметрии. Пример линейного полимера этого типа: поливинилметиловый эфир.

(NР-NP-NP)ⁿ система: формула для обозначения трехмерной системы фиксированных зарядов (геля, коацервата, дисперсионной фазы), образованной на основе линейного полимера одного типа, представляющего собой цепь с закономерно чередующимися отрицательно заряженными группами (N) и положительно заряженными группами (P), расположенными друг от друга на расстоянии, оптимальном для связывания адсорбата определенного заряда и геометрической конфигурации, то есть комплементарной адсорбату; n обозначает среднее количество цепей полимера, объединенных общей водной оболочкой, идущих параллельно друг другу и сгруппированных вокруг общей оси симметрии.

CO-группа: в этой книге обычно обозначает карбонильную группу (C=O), входящую в состав пептидной связи: (-COCHRNH-)_n.

D-эффект: см. F-эффект.

f^-, f⁺: фиксированный анион и фиксированный катион соответственно.

F-эффект: комбинация из D-эффекта и I-эффекта. Первый — электростатический эффект взаимодействия зарядов в пространстве, а второй — электростатический эффект, передаваемый через электроны в молекуле — опосредованный промежуточными атомами. Также иногда называемый прямым F-эффектом.

I-эффект: см. F-эффект.

K⁰⁰_i→j: см. Внутренняя константа равновесия, также называемую константой сопряженного адсорбционного обмена адсорбата i на j.

K⁰⁰_Na→K: константа сопряженного адсорбционного обмена Na⁺ на K⁺, см. Внутренняя константа равновесия.

NP-NP система: линейная система (например, макромолекула) с закономерно чередующимися отрицательными (N) и положительными (P) зарядами.

NP-NP-NP система: двухмерный полимерный матрикс (плоскость), состоящий из параллельно расположенных линейных макромолекул, каждая из которых несет чередующуюся последовательность положительных (Р) и отрицательных (N) фиксированных зарядов. На плоскости заряды чередуются в шахматном порядке. В пакете из плоскостей заряд Р одной плоскости соседствует с зарядом N другой плоскости (плоскости комплементарны друг другу). Расстояние между зарядами определяет характер взаимодействия макромолекулы с другими соединениями, как низко-, так и высокомолекулярными, то есть преимуществом в сорбционном процессе обладает адсорбат, комплементарный адсорбенту.

N-центр: отрицательно заряженный центр или отрицательный полюс диполя в составе макромолекулы.

O-центр: нейтральная (незаряженная) группа в составе макромолекулы.

α-аминогруппа: аминогруппа, связанная с α-атомом углерода, то есть с атомом углерода, следующим за карбоксильной группой. Например, в α-положении находится аминогруппа в молекуле аминокислоты глицина (NH₂CH₂COOH).

α-спиральная структура: правильная спираль, возникающая в результате образования водородных связей между карбонильными и аминогруппами аминокислотных остатков (каждым первым и третьим). Является элементом вторичной структуры белка.

β- и γ-карбоксильные группы: аспарагиновая и глютаминовая кислоты (дикарбоновые аминокислоты), входя в состав полипептида (белка), привносят с собой отрицательно заряженные группы: β-карбоксильные — аспарагиновой кислоты, и γ-карбоксильные — глютаминовой кислоты.

β-складчатая структура (лист): лентовидная гармошкообразная конформация из двух параллельных фрагментов полипептидной цепи одной молекулы белка называется β-складчатым листом. Пептидные группы (—CO-NH—) обеих цепей располагаются попарно в общей для них плоскости так, что удерживают друг друга благодаря водородным связям, возникающим между элементами пептидной группы N—H и O=C. Две соседние плоскости (в каждой из которых имеется по две пептидных группы — по одной от каждой из цепей) находятся под углом друг к другу подобно складкам гармошки. Если параллельные цепи ориентированы в противоположных направлениях (—CO-NH— … —HN-OC—), структура называется антипараллельным складчатым листом (β_α), а если взаимодействующие цепи ориентированы в одном направлении (—CO-NH— … —CO-NH—), структура называется параллельным складчатым листом (β_n). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи при них расположены почти перпендикулярно плоскости листа, и направлены то вверх, то вниз от плоскости в ряду от одного α-С-атома углерода к другому. Энергетически более стабильной является антипараллельная складчатая структура. Она присуща фибриллярным белкам групп кератина и миозина, а также белку шелка — фиброину. β-складчатые листы (ленты) могут сшиваться своими краями (теми же водородными связями) с образованием более широких листов, в которые могут включаться цепи двух и более белковых молекул.

-γ/2 (энергия смежного взаимодействия): энергия взаимодействия соседних центров между собой при кооперативной адсорбции, равная приросту энергии связывания при образовании каждой новой пары взаимодействующих центров связывания альтернативных адсорбатов i-j в кооперативном ансамбле бесконечно длинной цепи таких центров (см. раздел 14.3, п. 2 и раздел 4 приложения).

ε-аминогруппа: аминогруппа (-NH₂) в боковом радикале молекулы лизина (или остатка лизина в полипептиде), присоединенная к 5-му (ε) атому углерода, считая от карбоксильной группы.

Абсорбированная вода: вода, впитанная гидрофильными коллоидами. Примером могут служить сухие семена растений, впитывающие воду перед прорастанием. Белки обладают большой поглощающей способностью; крахмал и целлюлоза — в меньшей степени. Поглощаемая вода увеличивает объем поглощающего ее материала; при набухании давление может быть очень значительным.

Абсорбировать: поглощать атомы и молекулы одного вещества другим.

Автокооперативная адсорбция: адсорбция, при которой связывание адсорбата одним центром адсорбции усиливает сродство не менее двух соседних центров к этому адсорбату. Иными словами, с каждым актом адсорбции сродство адсорбента к данному адсорбату стремительно нарастает, то есть -γ/2 >> 0.

Автокооперативность: способность системы к кооперативному переходу с эффектом ускорения изменений благодаря взаимному положительному (стимулирующему) взаимодействию ее элементов.

Автокооперативный фазовый переход: кооперативный фазовый переход, происходящий по закону «все или ничего» благодаря сильному положительному взаимодействию соседних частиц в системе, делающему время жизни промежуточных состояний чрезвычайно коротким.

Адсорбат: адсорбированное вещество (в отличие от адсорбтива — поглощаемого вещества, еще находящегося в объеме фазы).

Адсорбироваться: связываться с поверхностью твердого тела, или с центром адсорбции — специфическим участком твердого тела либо макромолекулы.

Адсорбционно-десорбционная диффузия: движение иона или молекулы в систему, несущую фиксированные заряды/центры связывания, или из нее; пример: поверхность мышечной клетки. Адсорбционно-десорбционный тип входа или выхода означает, что ион или молекула проходят через клеточную поверхность в результате последовательной цепи взаимодействий с фиксированными центрами адсорбции. Такой же тип диффузии имеет место и в теле клетки.

Адсорбционное окрашивание: метод визуализации анионных групп в ультратонких срезах, используемых в электронной микроскопии. Эти группы становятся «видимыми» в результате связывания с ними электронно-плотных ионов Cs⁺; обработка ионами Cs⁺ проводится в присутствии в растворе Li⁺. Метод предложен Людвигом Эдельманом в 1991 г. [282].

Адсорбция: процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела. Подробности и историю изучения см. в работе [107] (р. 37, п. 5). См. также Локализованная адсорбция.

Аминокислоты: органические (карбоновые) кислоты, содержащие, как правило, одну или две аминогруппы (—NH2). В зависимости от положения аминогруппы в углеродной цепи по отношению к карбоксилу различают α-, β-, γ- и т. д. аминокислоты. В природе широко распространены а-аминокислоты, имеющие (кроме глицина) один или два асимметрических атома углерода и, в основном, L-конфигурацию. В построении молекул белка участвуют обычно около 20 аминокислот (пролин — α-иминокислота). Специфическая последовательность чередования аминокислот в пептидных цепях, определяемая генетическим кодом, определяет первичную структуру белка.

Аминокислоты, способные нести отрицательный заряд: тирозин и цистеин имеют боковые группы, которые могут нести отрицательный заряд — фенольная и тиольная группа соответственно.

Аминокислоты, способные нести положительный заряд: лизин, аргинин, и гистидин (так называемые основные аминокислоты). Их боковые группы способны принимать протон: ε-аминогруппа лизина, гуанидиновая группировка аргинина и имидазольное кольцо гистидина.

Ацетилцеллюлозная мембрана: тонкая насыщенная водой прозрачная мембрана, производимая из ацетилцеллюлозы. Перед использованием мембрану подвергают действию температуры 90 °С в течение получаса для «активации», что делает ее проницаемость для растворенных веществ более селективной.

Белки (белок): сложные высокомолекулярные природные органические полимерные вещества, построенные из аминокислот, соединённых пептидными связями. Последовательность аминокислот в белке определена соответствующим геном.

Белок-аккумулятор: гипотетический белок — ключевое звено в механизме активного эпителиального транспорта согласно теории ассоциации-индукции. Внутриклеточный белок бифациальных эпителиальных клеток, циклически «впитывающий» (связывающий) транспортируемые ионы или другие растворенные вещества с последующей их транслокацией и высвобождением.

Белок-переключатель: гипотетический белок (в рамках теории ассоциации-индукции), способный запускать или прекращать какой-либо физиологический процесс.

Величина c: один из количественных параметров, используемый в теории ассоциации-индукции (описание см. в тексте). Этот показатель характеризует электронную плотность однозарядного атома кислорода в кислородсодержащей кислотной группе. Отражает вариабельность электронной плотности, определяющей константу диссоциаций кислот (pK). Слабые кислоты (с высоким pK) имеют более высокое значение с, сильные кислоты (с низким pK) — более низкую величину с.

Величина с': эквивалент величины с, применяемый к катионным группам. Высокое значение с' соответствует большой плотности электронов на положительном заряде, низкое — малой.

Величины с аналог: аналог величины с, характеризующий электронную плотность на атоме кислорода в пептидной группе белка.

Величины с' аналог: аналог величины с', характеризующий электронную плотность на положительно заряженной иминогруппе пептидной связи белка.

Внутренняя константа равновесия (K⁰⁰_i→j): в равновесной системе, содержащей два конкурирующих адсорбата i и j, константа равновесия обмена i на j для центра связывания, соседствующим с одной стороны с сайтом связывания, удерживающим вещество i, а с другой стороны с сайтом, связанным с j. При этом замена i на j на среднем сайте связывания (между двумя указанными) не должна влиять на общее количество адсорбированных пар ij в системе.

Водородная связь: слабая нековалентная связь, образующаяся между электроотрицательным атомом молекулы (например, атомом кислорода) и электроположительным ядром водорода (протоном), который, в свою очередь, ковалентно связан с другим электроотрицательным атомом той же или соседней молекулы. Таким образом, водородная связь выглядит как связь между двумя электроотрицательными группами благодаря посреднической роли атома водорода, расположенного между ними.

Восемь взаимодействий: восемь видов взаимодействия, учтенных при вычислении данных, подобных показанным на рис. 42, а именно: 1) заряд-заряд: 2) заряд-постоянный диполь; 3) заряд-индуцированный диполь; 4) постоянный диполь-постоянный диполь; 5) постоянный диполь-индуцированный диполь; 6) индуцированный диполь-индуцированный диполь; 7) дисперсионные (лондоновские) силы; 8) силы отталкивания Борна.

Вращательная энтропия: энтропия вещества, связанная с вращательными движениями его молекул. Минимальных значений вращательная энтропия атома или молекулы достигает в кристаллической решетке или при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Время диэлектрической переориентации Дебая (Debye) (время диэлектрической релаксации Дебая), τ_D: постоянная скорости падения макроскопической поляризации при внезапном удалении внешнего поля.

Время полуобмена: время, необходимое для обмена половины ионов или молекул одной фазы на аналогичные ионы и молекулы смежной фазы. Например, время полуобмена ионов натрия клетки на ионы натрия среды. Обычно определяется с помощью меченых атомов или молекул, которые вносятся в среду в относительно небольшом количестве. Принимается, что радиоактивный изотоп натрия распределяется точно так же, как и нерадиоактивный. То же относится и к молекулам, меченным радиоактивными атомами, включенными в их состав. Термин применим и к процессам обмена подвижных атомов, входящих в состав белков и других макромолекул. Например, ионы водорода способны обмениваться на ионы дейтерия, его тяжелого изотопа.

Всё или ничего: так говорят о явлении, которое либо происходит в полном объеме, либо не происходит вовсе, то есть явление развивается быстро, так как время жизни промежуточных состояний очень мало.

Вспомогательный кардинальный адсорбат: кардинальный адсорбат, выполняющий роль модификатора состояния клетки. Как правило, действует совместно с основным кардинальным адсорбатом (АТФ), играющим ключевую роль в поддержании живого состояния клетки.

Вторичная структура белка: совокупность участков полипептидной молекулы, характеризующихся регулярной структурой, обусловленной водородными связями между группами C=O и H—N, принадлежащими пептидным группам разных аминокислот. К вторичным структурам относятся α-спирали, β-складчатые листы, трёхчленная спиральная структура — особенная структура, образующаяся в результате сплетения трёх полипептидных цепей (пример: коллаген).

Высокоэнергетическое, низкоэнтропийное состояние: согласно теории ассоциации-индукции, клетка или протоплазма в состоянии покоя характеризуется высоким содержанием (запасом) свободной энергии и низкой энтропией. При переходе клетки в активное состояние, энтропия системы возрастает, энергия высвобождается и расходуется на совершение различных видов биологической работы.

Гель: 1) в коллоидной химии гели — дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку. Представляют собой твердообразные («студенистые») тела, способные сохранять форму, обладающие упругостью и пластичностью. Типичные гели имеют коагуляционную структуру, то есть частицы дисперсной фазы соединены в местах контакта силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через тонкую прослойку дисперсионной среды. Для них характерна тиксотропия, то есть способность в изотермических условиях самопроизвольно восстанавливать свою структуру после механического разрушения. Такие гели образуются, например, при коагуляции золей (коагели), понижении температуры или концентрировании мицеллярных растворов мыл, выделении новой дисперсной фазы из пересыщенных растворов (лиогели). Гели могут возникать в виде рыхлых осадков либо образуют структурную сетку во всем объеме первоначально жидкой системы без нарушения ее макрооднородности. Гели с водной дисперсионной средой называются гидрогелями, с углеводородной — органогелями.

Генеральный кардинальный адсорбат (ГКА): кардинальный адсорбат (например, АТФ), способный вносить ключевые изменения в свойства сорбентов, с которыми он взаимодействует (таким сорбентом в теории Линга являются белки). К этим изменениям следует отнести, прежде всего, глубокие конформационные изменения в молекуле-сорбенте, вызванные перераспределением в ней электронной плотности, приводящим к исключительно важным изменениям свойств различных функциональных групп белка, включая фиксированные заряды.

Гетерокооперативное взаимодействие: кооперативное взаимодействие центров связывания, в результате которого связывание адсорбата i одним центром связывания усиливает связывание адсорбата j соседним центром адсорбции (интенсивность такого рода взаимодействий характеризует параметр -γ/2). Понятие гетерокооперативного взаимодействия родилось в контексте теории АИ и напоминает антиферромагнитное кооперативное взаимодействие, известное в физике.

Гидратированный K⁺, гидратированный Na⁺: см. Гидратированный ион.

Гидратированный ион: гидратация — взаимодействие веществ с водой, при котором молекулы воды не разрушаются. Взаимодействие воды с ионами обусловлено дипольным характером молекулы воды. Первичной гидратацией называют взаимодействие ионов только с соседними молекулами воды, вторичной — со всей остальной ее массой. В водном растворе такие ионы, как K⁺ и Na⁺, гидратированы, то есть окружены гидратной оболочкой, причем размер гидратной оболочки у Na⁺ больше, так как радиус этого иона меньше радиуса иона K⁺ следовательно, сила электростатического взаимодействия Na⁺ с водой больше, и он притягивает большее количество молекул воды.

Гидратная вода: вода, молекулы которой находятся в относительно стабильной связи с ионами, неэлектролитами, макромолекулами (в т. ч. белками) и т. д. (см. Гидратированный ион).

Гиперболическая кривая: в качестве примера гиперболической функции обычно приводят график зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. При низких концентрациях субстрата скорость реакции нарастает быстро, а при больших прирост замедляется таким образом, что кривая приобретает вид равносторонней гиперболы, поэтому такие зависимости называются гиперболическими. Подобный вид имеют многие другие кривые: к примеру, кривая связывания кислорода миоглобином (см. кривую слева во врезке к рис. 55). Однако часто пренебрегают тем, что экспериментальная кривая лишь приближается к гиперболе, а не совпадает с ней. Свойство гиперболы таково, что с ростом аргумента (x) функция (y) растет до бесконечности, стремясь к пределу, называемому асимптотой. Реальные процессы в клетке таким свойством не обладают (уравнение ферментативной кинетики Генри-Михаэлиса-Ментен, изотерма адсорбции Ленгмюра), их течение имеет предел. Поэтому слово «гиперболический» лучше употреблять в кавычках.

Глобулярные белки: белки, полипептидные цепи которых свернуты в компактные сферические или эллипсоидные структуры (глобулы). Важнейшие представители глобулярных белков: альбумины, глобулины, протамины, гистоны, проламины, глутелины. Многие глобулярные белки выполняют динамические функции. Так, к глобулярным белкам относятся почти все известные ферменты, антитела, некоторые гормоны и многие транспортные белки. Большинство полярных боковых групп аминокислотных остатков полипептидных цепей таких белков находится на поверхности глобул в гидратированном состоянии, а гидрофобные группы скрыты внутри глобул.

Градиент концентрации: градиент означает изменение, переход; градиент концентрации — нарастание или падение концентрации растворенного вещества, вызванное различными причинами: например, механическим препятствием, действием электромагнитных, гравитационных полей или различием в растворяющей способности граничащих фаз, например, октанол/вода.

Гуанидиновая группа: NH₂C=NH-(NH) — по своим размерам и форме похожа на гидратированные ионы натрия и потому сходна с ними по биологическим эффектам. Из аминокислот, входящих в состав белков, гуанидиновую группу содержит аргинин.

Гуммиарабик: наиболее важный представитель класса природных полисахаридов. Находит широкое применение в медицинской, косметической, пищевой и фармацевтической промышленности благодаря комплексу таких свойств, как биологическая активность, биодеградируемость, биосовместимость, комплексообразующая и сорбционная способности.

Денатурированный белок: первое определение денатурации было предложено Хсеном Ву (H. Wu) в 1931 г. и звучало так: «Денатурация — это такое изменение молекул нативного белка, в результате которого он теряет растворимость в средах, в которых растворялся в нативном состоянии» [107, р. 37, п 4]. С тех пор значение терминов «нативный белок» и «денатурированный белок» изменилось. Так, слово «нативный» часто используется для обозначения структуры белка, находящегося в кристаллической форме (в случае глобулярных белков это — свернутая глобула). В этом контексте денатурация означает смену свернутой конформации на полностью развернутую. Однако имеются веские основания полагать, что большинство белков в своем естественном окружении внутри клетки существуют не в свернутом, а в полностью развернутом виде (раздел 16.6, п. 1.3). В результате термин «денатурация» не только потерял свой изначальный смысл, но приобрел в контексте этой книги противоположное новое значение: денатурация — не развертывание, а свертывание белковой молекулы.

Диффузионное давление: полезное выражение, восходящее к понятию «плотность диффузионного потока» — чем ближе к источнику диффундирующего вещества, тем выше диффузионное давление потока на воображаемое препятствие (например, на мембрану).

Диффузионное равновесие: диффундирующее вещество достигает диффузионного равновесия, когда количество вещества, поступающего в любую область диффузионного пространства в единицу времени, становится равным количеству вещества, покидающего эту область, то есть входные и выходные потоки уравновешиваются.

Диффузия, ограниченная поверхностью: диффузия из одной фазы (допустим, твердого тела) в другую (допустим, жидкость), самым медленным этапом которой является переход вещества через границу раздела между фазами.

Дуплетная адсорбция-десорбция: один из способов входа иона в клетку либо модельную систему (или выхода из нее), заключающийся в его временном связывании с противоположно заряженным фиксированным ионом (адсорбции), колебаниях вокруг него и дальнейшей десорбции.

Закон макроскопической электронейтральности: закон, гласящий, что у любого объекта макроскопических размеров в любой момент времени общее число положительных зарядов равно общему числу отрицательных зарядов. Даже весьма незначительное нарушение этого баланса зарядов привело бы к возникновению электростатического потенциала. Убедимся в этом на видоизмененном примере, приведенном Гугенгеймом [97, р. 330—331]. Представьте себе живую клетку сферической формы радиусом 0,1 мкм (10^-6 м). Удалим из нее небольшое количество K⁺ — 10^-18 моль. В результате, внутри клетки появится избыток отрицательных зарядов, составляющий 10^-18 от числа Фарадея, или 0,965 x 10⁵ x 10^-18 = 9,65 х 10^-14 кулонов. Электрический потенциал ψ заряженной сферы радиуса r в водной среде определяется формулой ψ = Q/εr, где Q — электрический заряд, а ε - диэлектрическая проницаемость воды, равная 78,5 x 1,11 х 10^-10 Кл/В·м = 8,72 x 10^-9Кл/В·м при 25 °С. Подставив полученные значения, мы получаем ψ = (9,65 х 10^-14)/(8,72 х 10^-9 х 10^-6) = 11 вольт. При этом разность электрических потенциалов, фактически регистрирующаяся в животных клетках, не превышает 0,1 вольт. Если предположить, что в нашей сферической клетке K⁺ содержится в обычной концентрации 100 ммоль/кг, его количество в нашей клетке должно составить (4/3) π r³ х 10^-4 = 4,19 х (10^-4)³ х 10^-4= 4,19 х 10^-16 моль. Удаленное в нашем мысленном эксперименте количество калия (10^-18 моль) составляет 10^-18/(4,19 х 10^-16) = 2,39 х 10^-3, или всего лишь 0,239% от общего количества K⁺ в клетке. Как видим, стремление системы к электронейтральности не позволит нам удалить из клетки даже ничтожное, казалось бы, количество зарядов.

Закон экономии мысли: см. Лезвие Оккама.

Золи: коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Золи с водной средой называются гидрозолями, с органической средой — органозолями. Частицы дисперсной фазы золя (мицеллы) находятся в броуновском движении. При коагуляции лиофобные золи (то есть такие, для которых характерно слабое взаимодействие частиц со средой) превращаются в гели.

Зона высокой ассоциативной плотности: если взглянуть на кусочек сахара спустя некоторое время после того, как его обнаружат муравьи, то мы обнаружим, что чем ближе к сахару, тем плотнее территория вокруг него «заселена» муравьями. Сходная картина складывается и вокруг фиксированных анионов — чем ближе к аниону, тем плотнее пространство вокруг него заселено противоионами, например, К⁺. Ближайшую к фиксированному заряду область назовем зоной высокой ассоциативной плотности.

Изомерия: явление, заключающееся в существовании веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и вследствие этого — по физическим и химическим свойствам. Такие вещества называются изомерами.

Изотерма: закон связи между физическими величинами в равновесных процессах адсорбции при постоянной температуре.

Изотерма адсорбции: см. Изотерма адсорбции Ленгмюра.

Изотерма адсорбции Ленгмюра: изотермы адсорбции — кривые зависимости равновесного количества адсорбированного вещества от его давления или концентрации в объемной фазе при постоянной температуре. При адсорбции на твердых поверхностях часто рассматривают полное содержание адсорбированного вещества в поверхностном слое толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) или несколько (полимолекулярная адсорбция). Мономолекулярная адсорбция на однородных поверхностях из газовой фазы или раствора описывается уравнением Ирвинга Ленгмюра (Irving Langmuir, 1881—1957), предложенным в 1918 г. Для неоднородных поверхностей используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха. Оба уравнения учитывают взаимодействие адсорбированных молекул между собой.

Изотерма многослойной адсорбции Брэдли: уравнение, предложенное Р. Брэдли в 1936 году и связывающее адсорбционную емкость мультислоя атомов или молекул газа (с неизменными дипольными моментами — например, водяного пара), сформировавшегося на полярных поверхностях, с изменениями парциального давления пара при постоянной температуре (уравнение А2 в приложении).

Иминогруппа: группа =N—H или =N—R, где R — радикал, не обладающий свойствами кислоты. Иминогруппа входит в состав пролина — единственной иминокислоты.

Индуктивный (индукционный) эффект: вид взаимного влияния атомов в молекуле, заключается в перераспределении электронной плотности в молекуле, при котором плотность электронов (плотность заряда) может измениться у ковалентной связи, на функциональной группе, на активном центре или на каком-либо рассматриваемом атоме. Наиболее сильное и медленно затухающее влияние оказывают заряженные заместители, например NR₃⁺, SO₃^-, O^-. Индуктивное влияние заместителей на константы равновесия или скорости реакций выражается в изменении разностей свободных энергий δΔG продуктов (или переходного состояния) и исходных веществ для замещенного соединения по сравнению со стандартным. Например, при диссоциации кислот RCOOH появляется отрицательный заряд е на атоме кислорода карбоксильной группы (—COO). Он взаимодействует с заместителем, несущим электрический заряд, на расстоянии г с энергией δΔG = е²г^-1. При наличии в молекуле полярного заместителя X, δΔG зависит от величины электрического дипольного момента m, связи С—X, расстояния г между точкой локализации диполя связи (обычно в центре тяжести суммарного заряда валентных электронов) и реакционным центром, и угла Θ между направлениями m и r: δΔG = -em cosΘ r^-2. Индукционный эффект проявляется также в сдвиге электронов химических связей под действием внутримолекулярного электрического поля. Количественно он выражается величиной индуцированного дипольного момента m_i, которая пропорциональна поляризуемости связи σ при напряженности поля E: m_i = σE. Индукционный эффект ведет к изменению полярности химических связей. В ряду CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ дипольные моменты соединений равны соответственно (в Кл·м): 6,23 10^-30; 4,63 10^-30; 3,50 10^-36. Увеличение размера легко поляризуемого углеводородного радикала обусловливает возрастание дипольного момента молекулы (в скобках приведены значения m·10^-30 в Кл·м): CH₃Cl (6,23), C₂H₅Cl (6,30), изо-C₃H₇Cl (6,68), трет-C₄H₉Cl (7,71). В результате индукционного эффекта электронная плотность на реакционном центре или индикаторном атоме может увеличиваться (положительный И. э., +I) или уменьшаться (отрицательный И. э., -I). Индукционный эффект заряженного заместителя определяется знаком заряда, положительно заряженный является акцептором электронов, то есть проявляет -I-эффект; отрицательно заряженный — донор (+I-эффект). Электроотрицательные группы обычно проявляют -I-эффект, а алкильные радикалы, Si—, Ge— и оловосодержащие группы и т. п. — +I-эффект. Однако при малых углах Θ возможен «обратный» индукционный эффект. Важную роль играют взаимодействия зарядов с индуцируемыми ими в углеводородных радикалах диполями. Они стабилизируют заряды любого знака и проявляются главным образом в газофазных реакциях протонирования и кислотной диссоциации. Возникновение дипольного момента молекулы под воздействием электрического поля реагента называется индуктомерным эффектом. В рамках формального подхода индуктивный эффект количественно описывается индуктивными константами заместителей. Индуктивные константы положительны для электроно-акцепторных заместителей, отрицательны для электронодонорных по сравнению со стандартом. При введении дополнительной метиленовой группы между заместителем (X) и реакционным центром индукционный эффект ослабляется приблизительно в 2,5 раза. На этом основаны представления о передаче индукционного эффекта по цепи атомов с равномерным ослаблением на каждом из них, что обозначается обычно стрелками на связях, указывающими направление сдвига электронов: X ← CH2 ← CH2 ← CH3. Индукционный эффект — наиболее универсальный вид внутримолекулярных электронных взаимодействий. Учет его является необходимым при анализе мезомерных, стерических и других эффектов.

Индуктивный индекс Чиан-Тая: на первый взгляд, индуктивный индекс Чиан-Тая ничем не отличается от других постоянных индукции — константы индукции Гаммета (σ) или констант индукции Тафта (σ₁), так как тоже отражает относительную энергию индукции отдельных атомов в составе молекулы или функциональных групп. Однако на этом сходство заканчивается. Если параметры Гаммета и Тафта имеют исключительно эмпирическое происхождение (что существенно ограничивает их применение на практике), то Чиан и Тай предложили уравнения, которые позволяют рассчитывать индексы индукции, не прибегая к эксперименту. К примеру, получить опытным путем результаты исследований, сведенных в табл. 4, было бы затруднительно, даже невозможно, если бы не выдающееся достижение Чиан и Тая. Подробности см. в работе [509].

Интровертная модель белка: глобулярный белок, все или почти все карбонильные группы полипептидного остова которого участвуют в образовании водородных связей внутри молекулы (α-спирали, другие элементы вторичной структуры) и/или в межмолекулярных взаимодействиях с другими белками. Как правило, такой белок слабо взаимодействует с водой, так как именно пептидный остов с его способностью образовывать водородные связи является структурой, во многом определяющей сродство воды к белку.

Ионная связь, электровалентная связь: тип химической связи, энергия которой определяется почти исключительно кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай полярной ковалентной связи, образуемой атомами с сильно различающимися электроотрицательностями, что обуславливает почти полное смещение электронной пары связи в сторону одного из атомов (например, K⁺Cl^-, Na⁺Сl^-). В отличие от ковалентной связи, для ионной связи, вследствие ее электростатической природы, не характерны такие свойства, как направленность в пространстве и насыщаемость. Ненасыщенность ионной связи наиболее ярко проявляется в склонности соединений с этой связью к образованию кристаллических решеток, в узлах которых каждый ион окружен максимально возможным числом ионов противоположного заряда. Наиболее важное химическое отличие соединений с ионной связью от соединений с ковалентными связями — способность к диссоциации на ионы в растворах в полярных растворителях, обусловленная тем, что энергия сольватации ионов молекулами растворителя превышает энергию ионной связи в кристалле.

Ионная сила (I): интегральная характеристика раствора, учитывающая как концентрацию растворенных веществ, так и их заряд. Определяется как полусумма произведений моляльных (или молярных) концентраций всех ионов в растворе на квадрат их заряда. Предложена в 1921 году G. N. Lewis и M. Randall.

Искусственная модель: препарат клетки или ее органелл, или какие-либо структуры, воссозданные из искусственных материалов, неспособные к жизнедеятельности, но обладающие некоторыми свойствами «живых» структур, являющихся предметом изучения. Реальность того или иного свойства живой системы считается доказанной, если его удается получить на модельной системе.

Истинный активный транспорт: активный транспорт через биполярные слои клеток и другие похожие системы как он понимается в теории ассоциации-индукции (см. раздел 15.4).

Карбоксильная группа (карбоксил): —COOH — функциональная одновалентная группировка, входящая в состав карбоновых кислот и определяющая их кислотные свойства (см. также β- и γ-карбоксильные группы).

Карбонильная группа: группа C=O, одна из двух составляющих пептидной связи (CO-NH). Линейная последовательность этих связей образует пептидный остов белков; также встречается в более простых соединениях (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, амиды).

Карбонильный кислород: атом кислорода, входящий в состав карбонильной группы (C=O).

Кардинальный адсорбат: адсорбат (лиганд), связывающийся с тем или иным белком клетки и оказывающий ключевое влияние на характер метастабильного кооперативного состояния всех групп данного белка, на их функциональную активность.

Клеточная мембрана: согласно мембранной теории, каждая клетка покрыта фосфолипидным бислоем, в который встроены островки частично или полностью пронизывающих его белков, в числе которых и так называемые мембранные насосы. Новую версию этого понятия см. в гл. 13.

Коацерват: в определенных условиях (например, при повышении температуры, добавлении солей, гуммиарабика) растворенный коллоид самопроизвольно или в связи с другими полярными макромолекулами выходит из коллоидной системы с образованием отдельных капель, обогащенных коллоидом, четко отделенных от растворителя, в котором содержание рассматриваемого коллоида снижено. Фаза, обогащенная коллоидом, была названа коацерватом, а сам феномен — коацервацией в 1929 году Бунгенберг-де-Йонгом (H. G. Bugenberg de Jong) и Крюйтом (H. R. Kruyt).

Коацервация: процесс, приводящий к образованию коацервата (см. Коацерват). Заключается в разделении гомогенного водного раствора на две несмешивающиеся фазы.

Колеблющаяся структура: пептидная группа в белках (—CO-NH—) находится в состоянии кето-енольной таутомерии (см. Таутомерия): кето-форма (—CO-NH—) и енольная форма (—COH=N—) с более короткой связью C=N по сравнению с C—N. Равновесие между формами устанавливается таким образом, что в каждый данный момент в кето-форме находится 60% пептидных связей, а в енольной форме — 40%. Таким образом, цепочка пептидных связей белков, остов молекулы, представляет собой колеблющуюся (резонансную) структуру.

Коллоид: термин, предложенный в 1861 году Томасом Грэмом (Thomas Graham) и происходящий от греческого слова, означающего клей или желатин. Был введен для обозначения желатиноподобных веществ, которым присуща медленная диффузия и отсутствие способности к кристаллообразованию (в отличие от кристаллоидов). Теперь термин «коллоиды» — синоним высокодисперсных (микрогетерогенных) систем, то есть дисперсных систем с наиболее развитой поверхностью раздела фаз. В этой связи, «коллоид» стали употреблять как синоним понятию «макромолекула», и потому он утратил самостоятельное значение, однако вновь приобрел его, когда Линг предложил новое определение коллоида (раздел 11.3, п. 2).

Коллоидная химия: традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений. Она изучает процессы и явления, обусловленные особенностями высокодисперсного состояния тел.

Комплексионы, Ω: количество равновероятных микросостояний молекулярного ансамбля. Диапазон равновероятных микросостояний определяется числом частиц в системе, их суммарной энергией и числом возможных квантованных энергетических уровней (более доступное описание см. в [98], р. 4-12).

Комплексный коацерват: коацерват, возникновение которого сопряжено с образованием солевых связей между входящими в его состав макромолекулами.

Конгруэнтный анион: анион, который преимущественно адсорбируется фиксированными катионами протоплазмы (см. Протоплазма) и играет вспомогательную роль в связывании других ионов.

Константа адсорбции: физическая адсорбция является обратимым процессом, равновесное состояние которого определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива (см. Адсорбат) и их десорбции, количеством и свойствами вакантных центров на поверхности адсорбента. Константа адсорбции характеризует равновесие, указывая на концентрацию адсорбтива в равновесных условиях: чем эта концентрация меньше, тем выше сродство адсорбента к адсорбтиву. Константа адсорбции — величина, обратная концентрации адсорбтива; единица измерения — моль^-1. К примеру, константа адсорбции АТФ миозином, одним из основных сократительных белков, составляет 10¹⁰-10¹¹ моль^-1 (то есть в условиях равновесия лишь ничтожная часть АТФ остается в свободном состоянии).

Константа Гаммета σ: эмпирическая константа, характеризующая относительную способность того или иного радикала, входящего в состав ароматического соединения, оказывать индуктивный эффект на другую функциональную группу той же молекулы, находящуюся на некотором удалении. Существует список таких констант для каждого конкретного случая индуктивного взаимодействия.

Константа индукции Тафта (индуктивные константы Тафта): список эмпирически определенных констант радикалов алифатических соединений, представленный Робертом Тафтом (R. W. Taft) в 1953 году. Индуктивные константы Тафта вычисляют из констант скорости гидролиза сложных эфиров XCOOR, где X — полярный заместитель, R — углеводородный радикал, COO — карбоксилатная группа.

Константа связывания: постоянная, характеризующая интенсивность связывания лиганда с центром связывания. Равна обратной концентрации свободного лиганда, когда в условиях равновесия занята половина всех имеющихся на поверхности сорбента центров связывания. Чем выше константа связывания, тем ниже концентрация лиганда, при которой сорбент способен его связывать, то есть тем выше сродство центров связывания к данному лиганду.

Конформация «клубок»: предельное конформационное состояние белка, наблюдаемое при полном разворачивании белковой глобулы в результате действия денатурирующих факторов. В состоянии клубка отсутствуют внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи, следовательно, клубок не содержит элементов вторичной структуры и не образует агрегатов с другими клубками.

Кооперативная система белок-ион-вода: комплекс молекулы белка с ионами и водой, состояние каждого компонента в котором определяется состоянием остальных элементов по кооперативному механизму.

Кооперативная система: система, свойства которой определяются всей совокупностью входящих в нее элементов (атомов и молекул), взаимодействующих по определенному закону. Система взаимодействий и закон их организации исключает возможность объяснения свойств системы суммой свойств отдельных компонентов.

Кооперативно связанные: элементы системы, взаимодействующие друг с другом таким образом, что активно влияют на свойства друг друга, усиливая или ослабляя взаимодействие между собой.

Кооперативный адсорбционно-десорбционный насос: предложенная Лингом в 1965 году теоретическая модель, согласно которой автокооперативная адсорбция и десорбция, протекающая по закону «все или ничего», играет определяющую роль в активном транспорте ионов и других растворенных веществ через бифациальные клеточные пласты.

Коэффициент вращательной диффузии: вращательная диффузия — вращательное движение атомов, молекул или их фрагментов, обусловленное тепловым движением. Зависит от микровязкости среды и от взаимодействий различных типов с другими атомами и молекулами. Методы измерения и расчетов коэффициента вращательной диффузии см. в работе [166, р. 929].

Коэффициент диффузии: количество вещества (кг), проходящего в единицу времени (с) через участок площадью 1 м² при градиенте концентрации, равном единице (1 М → 0 М). Коэффициент диффузии является мерой ее скорости, которая, в свою очередь, определяется свойствами среды.

Коэффициент затухания индуктивного эффекта: число (в долях 1, или в %), отражающее затухание индуктивного эффекта, вызываемое отдельным атомом (или функциональной группой) в молекуле.

Коэффициент пропорциональности в уравнении Трошина: коэффициент К в ур. А1 (приложение), предложенный А. С. Трошиным и соответствующий коэффициенту распределения в законе распределения Бертло-Нернста, а также равновесному коэффициенту распределения, или величине q, в теории ассоциации-индукции. См. Величина q.

Коэффициент равновесного распределения веществ между клеткой (моделью) и средой: истинным коэффициентом равновесного распределения (q) называется отношение концентрации вещества, растворенного во внутриклеточной воде (или в воде модельной системы), к его концентрации в окружающей среде после достижения диффузионного равновесия и при условии, что это вещество находится в клетке в свободном состоянии. Если же часть вещества адсорбируется на внутриклеточных структурах, концентрируется в везикулах или в других компартментах, пользуются понятием «кажущийся коэффициент равновесного распределения» (p). Он может быть равен q по величине или превышать его, но не может быть меньше его.

Коэффициент распределения в системе оливковое масло/вода: вещество, помещенное в двухфазную систему растворяется неодинаково в водной и в масляной фазах. Отношение концентрации вещества в верхней фазе (масло), С₁ к его концентрации в нижней фазе, С₂, называется коэффициентом распределения вещества между фазами: P = C₁/C₂.

Кристаллоид: введенное в 1861 году Томасом Грэмом (Thomas Graham) собирательное название сахаров, солей и других молекул, для которых характерна быстрая диффузия в водных растворах, а также способность при определенных условиях образовывать кристаллы.

KC-электрод: стеклянный электрод, покрытый окисленным коллодием.

Лезвие Оккама: философский принцип, согласно которому из множества возможных объяснений естественнонаучного явления следует выбирать наиболее простое (не нагромождай сущностей). Так, из нескольких альтернативных теорий следует выбирать наиболее простую. А также: неизвестное следует пытаться объяснить в первую очередь известным.

Лиганд: атом, ион, молекула или ее функциональная группа, взаимодействующая с комплементарным участком определенной структуры, обычно макромолекулы или макромолекулярного комплекса. Например, кислород является лигандом для гемоглобина. Чаще всего такое связывание происходит с образованием так называемой «координационной» донорно-акцепторной связи, где лиганды выступают в роли основания Льюиса, то есть являются донорами электронной пары. При присоединении лигандов химические свойства комплексообразовате-ля и самих лигандов часто претерпевают значительные изменения. Лиганды могут быть и антагонистами и агонистами (или ни тем ни другим).

Линейная конформация: полноразвернутая конформация полимерной цепи, лишенная элементов вторичной структуры. Обычно относится к белкам и другим макромолекулам, способным к разнообразным конформационным состояниям. См. Полноразвернутая конформация.

Линейная модель: цепь пептидных групп белка, комплементарных молекуле воды, является структурной основой линейной модели. См. Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ).

Линейный белок: белок с полностью развернутой конформацией, не содержащий элементов вторичной структуры. Значение такой конформации см. Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ).

Линейный полимер: макромолекула, неспособная принимать никаких конформации, кроме линейной, не содержит элементов вторичной структуры. Значение такой конформации см. Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ).

Локализованная адсорбция: связывание ионов или незаряженных молекул конкретной функциональной группой белка (или какого-либо другого адсорбента) при непосредственном физическом взаимодействии между ними. Идея, предложенная Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) в 1916-1918 годах, согласно которой адсорбируемое вещество не просто оседает на однородную поверхность адсорбента. Напротив, поверхность адсорбента обладает структурой, элементы которой отличаются по свойствам. Поэтому адсорбция происходит лишь на особых участках поверхности твердых тел.

Макроэргическая фосфатная связь: представление, согласно которому некоторые фосфорорганические соединения, например, АТФ, содержат в фосфатных связях особенно большое количество энергии, высвобождаемое при их гидролизе (от -12 до -16 ккал/моль), и используемое во всех биохимических процессах, протекающих в живых системах. Однако в 1956 году Подольский (Podolsky) и Моралес (Morales) показали, что энтальпия фосфатной связи в АТФ составляет всего лишь -4,7 ккал/моль, что сводит на нет различие между макроэргическими и обычными фосфатными связями, такими, как в АМФ (см. гл. 12).

Межклеточное пространство: пространство, отделяющее клетки друг от друга. Обычно заполнено тканевой жидкостью, а в эксперименте — раствором Рингера или другими экспериментальными средами.

Межфазный потенциал: устойчивая разность электрических потенциалов между граничащими между собой фазами.

Мембранная теория: теория, объясняющая четыре фундаментальных свойства клетки свойствами плазматической мембраны. К этим фундаментальным свойствам относятся следующие: 1) полупроницаемость клетки (одни вещества легко проникают в клетку, другие труднее, третьи практически в нее не проникают); 2) неравномерное распределение веществ, ионов, например, K⁺ и Na⁺, между клеткой и средой: одних больше в клетке, чем в среде, других — наоборот меньше (свойство избирательности); 3) способность клетки генерировать электрические потенциалы (потенциал покоя и действия); и 4) способность клетки поддерживать осмотическое равновесие со средой (осмотические свойства). Принципиальные положения этой теории были заложены в XIX веке.

Метод «нулевой точки»: способ определения количества воды, адсорбированной на белке или полимере при давлении водяного пара, близком к насыщению. Предложен Лингом иХу в 1987 году [163].

Метод зарядов Борна: способ оценки энергии связывания фиксированного иона со свободным противоионом, предложенный физиком Максом Борном (M. Born) в 1920 г. и заключающийся в измерении работы, необходимой для перемещения противоиона из бесконечности в точку пространства, в которой взаимодействие с фиксированным зарядом реализуется в полной мере.

Метод центрифугирования по Лингу-Уолтон: метод, предложенный Лингом и Уолтон в 1975 году, который позволяет быстро и просто удалить межклеточную жидкость из портняжной мышцы или иного пучка мышечных волокон. Мышца центрифугируется в специальной герметичной капсуле в течение 4 минут с ускорением 1000 g.

Микроэлектрод Джерарда-Грэхем-Линга: стеклянный капиллярный микроэлектрод, ранее также известный под названием микроэлектрода Линга-Джерарда. Джудит Грэхем (Judit Graham), Карлсон (G. R. Carlsonj) и Ральф Джерард (R. W. Gerard) в 1942 году первыми описали измерение потенциала покоя мышечных клеток лягушки при помощи стеклянного капиллярного микроэлектрода. Однако война помешала усовершенствовать этот метод. Еще в 1946 году, по данным диссертации Грэхем, величина по-тенциала покоя оценивалась на этом объекте в широких пределах: от 41 до 80 мВ, что свидетельствовало о качественном, а не количественном характере измерений. Задача усовершенствования техники изготовления микроэлектродов и их заполнения растворами солей была поручена Гильберту Л ингу, начинающему аспиранту профессора Ральфа Джерарда. В результате его исследований микроэлектродная техника стала количественным методом уже в 1947 году. Согласно сообщениям Линга и Джерарда в 1949 году, величина потенциала покоя упомянутых клеток составила 78,4 ± 5,3 мВ (1350 измерений электродами, заполненными раствором Рингера), и 97,6 ± 5,7 мВ (207 измерений электродами, заполненными трехмолярным раствором КС1). Разработанный метод позволял проводить точные измерения электрических потенциалов различных клеток, и даже клеточных органелл. (Подробности см. [88], р. 441-443).

Миозин: фибриллярный белок, один из главных компонентов сократительных волокон мышц — миофибрилл; составляет 40—60% общего количества мышечных белков. При соединении М. с другим белком миофибрилл — актином — образуется актомиозин — основной структурный элемент сократительной системы мышц. Другое важное свойство М. — способность расщеплять аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) (В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова, 1939). Благодаря АТФ-азной активности М. химическая энергия макроэргических связей АТФ превращается в механическую энергию мышечного сокращения (см. Макроэргическая фосфатная связь). Молекулярная масса М. около 500 000. При действии протеолитических ферментов М. распадается на фрагменты — тяжёлый меромиозин и лёгкий меромиозин (молекулярная масса около 350 000 и около 150 000). На электронных микрофотографиях молекулы М. имеют вид палочек (1600 x 25 Å) с двумя глобулярными образованиями на одном из концов. Полагают, что 2 полипептидные цепи, образующие М., скручены в спираль. Белки, аналогичные М., обнаружены в жгутиках, ресничках и других двигательных структурах у многих простейших и бактерий, сперматозоидов животных и некоторых растений.

Миозин В: устаревшее название актомиозина. При экстрагировании сократительных белков растворами с высокой ионной силой, первым экстрагируется миозин (устаревшее название — миозин А). При более длительной экстракции, в экстрагирующем растворе появляется актин, который начинает соединяться с ранее вышедшим в раствор миозином в комплекс актомиозин (миозин В).

Миофибриллы: сократимые нити в цитоплазме поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры, сердечной мышцы и мышц с двойной косой исчерченностью. Диаметр М. от 0,5 до нескольких мкм. В поперечном сечении М. округлы, угловаты или овальны. Основную массу М. составляют тончайшие белковые нити — миофиламенты двух типов — толстые миозиновые (состоят главным образом из миозина, длина их около 1500 нм, диаметр 10-15 нм) и тонкие актиновые (состоят в основном из актина, длина их 1000-1100 нм, диаметр 5-8 нм). Имеются в М. и другие белки: тропомиозин В (в тонких миофиламентах мышц всех типов) и тропомиозин А, или парамиозин (в толстых миофиламентах мышц с двойной косой исчерченностью), а также α- и β-актинины, тропонин и др. Тонкие миофиламенты прикрепляются к т. н. Z-мембране, являющейся границей между саркомерами. Толстые миофиламенты образуют плотный, обладающий двойным лучепреломлением участок, называемый диском А. Толстые и тонкие миофиламенты частично перекрываются («зона перекрывания»). Участок саркомера по обе стороны от Z-мембраны, содержащий лишь тонкие миофиламенты, называется I-диском. Центральная зона А-диска, не содержащая тонких миофиламентов, называется H-диском; в его центре обычно видна М-полоса, состоящая из коротких (40 нм) М-нитей; длина их соответствует ширине М-полосы. С обеих сторон от М-полосы расположен субдиск Н — узкая зона (~130 нм), более светлая, чем остальной H-диск. Толстые миофиламенты имеют по всей длине равномерно расположенные отростки, представляющие собой головки миозиновых молекул. Середина толстых миофибрилл лишена отростков, чем и обусловлено возникновение светлой зоны (H-субдиска). Предполагается существование миофиламентов третьего типа — сверхтонких нитей, напрямую соединяющих между собой 2-мембраны и придающие сарко-меру механическую целостность, независящую от того, взаимодействуют между собой сократительные филаменты или нет.

Многоатомный ион де факто: ион Na⁺ сам по себе представляет один атом. Однако в растворе он подвергается гидратации, в результате которой вокруг него образуется относительно устойчивая гидратная оболочка, всегда следующая за ионом и существенно влияющая на его поведение в растворе. В результате можно говорить о новой реальности — о многоатомном ионе.

Модель Изинга (одномерная): предельно упрощенная модель магнетика в виде системы магнитных диполей (спинов), расположенных на одной линии, подобно бусинкам в ожерелье. Каждый диполь в этой модели взаимодействует только с соседним диполем. Магнитные моменты в такой системе ориентируются параллельно (вдоль нити ожерелья), согласно ориентации одного (закрепленного) диполя. В системе наблюдаются кооперативные явления и фазовые переходы. Инверсия ориентации закрепленного диполя приводит к ее инверсии для всех диполей системы (кооперативный эффект). При превышении некоторой критической температуры (называемой точкой Кюри), параллельная ориентация утрачивается и происходит фазовый переход (второго рода): от упорядоченного (намагниченного) состояния к беспорядочному (парамагнитному). Модель впервые была предложена Эрнстом Изингом (1900-1998) в 1925 году [353].

Модельные ионы для К⁺: катионы, обладающие свойствами, близкими к K⁺, например Rb⁺ и Cs⁺, а также Tl⁺.

Молекулярный объем: см. Молярный объем.

Молярный объем: парциальный молярный объем — часть объема, занятого веществом, входящим в состав смеси веществ. В смеси объемом V, содержащей n₁ моль вещества 1 и n₂ молей вещества 2, V = n₁V₁ + n₂V₂, где V₁ — парциальный молярный объем вещества 1, а V₂ — парциальный молярный объем вещества 2. Молярный объём — объём одного моля вещества, величина, получающаяся от деления молярной массы (масса, выраженная в граммах, численно равная атомной или молекулярной массе вещества) на плотность. Характеризует плотность упаковки атомов. Для идеального газа, при нормальных условиях, эта величина имеет универсальное значение 22,4 л/моль, однако молярный объем реальных газов всегда отличается от этой величины. Поэтому вся информация о молярном объёме химических элементов относится к их твердой фазе, если не оговорено иное.

Моноволоконный сахарозный метод определения межклеточного пространства: предложен Лингом, Уилл и Шеннон. Заключается в сравнении количества меченной радиоизотопом сахарозы, «прилепающей» к оди-ночным мышечным волокнам, к которым неприменимо понятие межклеточного пространства, с количеством сахарозы, удерживаемой целой мышцей. Размер межклеточного пространства получаем вычитанием первой величины из второй.

Напряжение вытеснения (U_vp): величина, отражающая интегральную способность поляризованной воды вытеснять растворенные в ней вещества. Равна сумме объемных компонентов свободной энергии и энтропии [168, р. 152—157]. Физический смысл параметра в том, что работа, совершаемая для перемещения молекулы растворенного вещества из бесконечности в структурированную воду клетки больше, чем в объемную, неструктурированную.

Нативный белок: белок, находящийся в природном состоянии, не модифицированный, сохранивший структуру, присущую ему в живой клетке. Однако часто (видимо, для большей определенности) под нативным белком стали понимать белок в его кристаллическом состоянии. Тем не менее, существуют данные, согласно которым основная часть белков в интактных клетках отличается своей конформацией от конформации тех же белков в кристалле (см. раздел 16.6, п. 1.3).

Натриевый насос, натриево-калиевый насос: мембранный механизм, поддерживающий определенное соотношение ионов Na⁺ и К⁺ в клетке путём их активного транспорта против электрохимического и концентрационного градиентов. Определённое количество ионов постоянно входит в клетку и покидает ее. Пассивный транспорт катионов (движение ионов через мембрану по системе специальных каналов вдоль электрохимического и концентрационного градиентов) в норме компенсируется активным транспортом ионов. Активный перенос Na+ из клетки сопряжён с противоположно направленным транспортом K⁺ в клетку и осуществляется особой ферментной системой — транспортной Na,K-активируемой аденозинтрифосфатазой (Na,K-АТФазой) локализованной в клеточной мембране. Этот фермент, гидролизуя аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), высвобождает энергию макроэргических связей, которая затрачивается на активный перенос катионов. Работа натриевого насоса зависит от уровня метаболизма клетки. С позиций теории ассоциации-индукции, концепция мембранных насосов противоречит закону сохранения энергии (см. главу 12 и раздел 15.4).

Нерастворяющая вода: представление, возникшее на заре коллоидной химии, согласно которому вода, связанная коллоидами, теряет свойства растворителя и объем занятый такой водой, не содержит веществ растворимых в обычной воде.

Окклюзивная вода: по Бунгенбергу-де-Йонгу (Bungenberg de Jong), вода, захваченная сетью переплетающихся белковых цепей геля. Она заполняет пространство между переплетающимися макромолекулами находясь как бы в клетке из прутьев, но не взаимодействует непосредственно с гелеобразующими молекулами.

Окклюзия: захват формирующимся осадком примесей из раствора. Наблюдается, например, при быстром росте кристаллов. При окклюзии, в отличие от поверхностной адсорбции, примеси захватываются вместе с растворителем и оказываются в объеме кристалла в качестве включений. К окклюзии относится также поглощение газов металлами.

Определение межклеточного пространства по Лингу-Кромаш: метод оценки объема межклеточного пространства в мышцах, предложенный в 1967 году Лингом и Кромаш [336].

Осмос: односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора более низкой концентрации. Осмос всегда направлен от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному Характеризуется осмос величиной осмотического давления. Осмос играет важную роль в физиологических процессах, обеспечивающих относительное постоянство осмотического давления внутренней среды организма и клетки.

Осмотическая активность: вещество называют осмотически активным, если оно создает осмотическое давление (см. Осмотическое Давление). Осмотическое давление связано с парциальным давлением пара растворителя над раствором (уравнение (2) в тексте) Осмотическая активность растворенного вещества тем выше, чем сильнее оно снижает парциальное давление пара. Осмотической активностью обладает только та часть ве щества, которая находится в свободном а не в связанном состоянии

Осмотическое давление: механическое давление которое необходимо приложить к раствору с более высокой концентрацией осмотически активного вещества (например, сахарозы) чтобы остановить поток растворителя через полупроницаемую мембрану в этот раствор из объема с чистым растворителем (мембрана должна быть непроницаема для вещества, осмотическое давление раствора которого измеряется).

Пептидная группа: —CO-NH—, соединяет остатки аминокислот в молекулах пептидов и белков, которые представляют собой полимеры с общей формулой (—CO-NH-CHR_i—)_n где R_i, — боковая группа, характерная для аминокислот, входящих в состав белка. Таким образом, пептидная группа является закономерно повторяющимся элементом остова белка. Все атомы данной пептидной группы располагаются в пространстве в одной плоскости, и находятся в состоянии кето-енольной таутомерии. См. Колеблющаяся структура, Таутомерия.

Пептидная связь (CONH-группа): вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-COOH) другой аминокислоты. Связь C-N в пептидной связи частично имеет характер двойной (кето-енольная таутомерия); в случае двойной связи расстояние между атомами уменьшается до 1,32 ангстрема. Следует отметить следующие свойства ПС: 4 атома связи (C, N, O и H) и 2 α-углерода находятся в одной плоскости. R-группы аминокислот и водороды при α-углеродах находятся вне этой плоскости. H и O в пептидной связи, а также α-углероды двух аминокислот трансориентированы (трансизомер более устойчив). В случае L-аминокислот, что имеет место во всех природных белках и пептидах, R-группы также трансориентрованы. Вращение вокруг связи C-N невозможно, возможно вращение вокруг C-C связи.

ПКС-электрод — покрытый коллодием и обработанный полилизином стеклянный электрод, метод приготовления: стеклянный электрод покрывают коллодием (раствор нитроцеллюлозы в эфире) и, не дав высохнуть, оставляют на ночь погруженным в раствор полилизина гидрохлорида (3 мг/мл), а затем высушивают при влажности 43% (в эксикаторе над насыщенным раствором K₂CO₃).

Плазматическая мембрана: мембрана, окружающая каждую клетку и обеспечивающая сохранение существенных различий между клеточным содержимым и окружающей средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром, который поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны и позволяет питательным веществам проникать внутрь клетки, а продуктам выделения выходить наружу. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий. Однако с позиций теории Линга, плазматическая мембрана — микроскопически тонкий поверхностный слой клетки, внутренняя граница которого не всегда четко выражена, поэтому говорить о «мембране» нет достаточных оснований и необходимости. По Лингу, роль «мембраны» выглядит иначе, чем это принято думать.

Поверхностная энергия: наличие поверхностной энергии подтверждается ее способностью совершать работу. Свободная энергия поверхности определяется как G = γA, где γ — коэффициент поверхностного натяжения, а A — площадь поверхности. Если изменить либо площадь, либо коэффициент γ, то приращение или потеря энергии составит ΔG. Коэффициент поверхностного натяжения можно представить себе как работу, необходимую для увеличения поверхности на один квадратный сантиметр (размерность дин/см). С молекулярной точки зрения стремление поверхности к сокращению основано на том, что силы притяжения между молекулами внутри фазы превышают силы притяжения между молекулами, расположенными на поверхности. Баланс сил таков, что они стремятся «утопить» молекулы, «плывущие» по поверхности. Поверхность молекулы глобулярного белка очень неровная и содержит разного рода выступы и выемки независимо от того, насколько компактно молекула свернута в трехмерную глобулу. Поверхность белка не может быть гомогенной. Если поверхность коллоидной частицы не может быть уменьшена, то ее энергия тем не менее может стать меньше либо за счет адсорбции на ее поверхности веществ, понижающих величину поверхностного натяжения, либо благодаря преимущественной концентрации самих частиц на поверхности жидкости. Перенос веществ через мембраны с помощью механизмов, специально существующих для этой цели в клетке, также включают явление адсорбции.

Поверхностный компонент энергии поляризации (U_s): прирост энергии взаимодействия между молекулами воды в поляризованном, упорядоченном слое, вызванный увеличением дипольного момента молекулы воды под влиянием поверхности адсорбента. Параметр характеризует первый мономолекулярный слой воды, расположенный непосредственно у поверхности. В случае белка — это поверхность полипептидного остова (см. Полипептидный остов).

Полипептид (полипептидная цепь): полимер, мономерами которого являются α-аминокислоты, соединяющиеся между собой в полипептидную цепь в результате образования пептидных связей. На одном конце такой цепи находится свободная NH₂-группа (N-конец цепи), а на другом — COOH-группа (C-конец). В состав полипептидов, имеющих биологическое значение, входит около 20 аминокислот, различающихся боковыми цепями. Если полипептид состоит из многих десятков, сотен или тысяч аминокислотных остатков, то такие полимеры принято называть белками, в противоположность олигопептидам, состоящим из небольшого числа мономеров (не более 20). Грань между олигопептидами и полипептидами (тот размер, при котором полипептид перестаёт считаться олигопептидом и становится полипептидом или белком) достаточно условна. Во многих случаях эта грань в научной литературе не проводится. Полипептиды небольшого молекулярного веса чаще называют полипетидами, а не белками. Общую формулу полипептидов можно представить так: (—NHCOCHR_i)_n, R_i — боковая группа аминокислоты i (в случае глицина, R — это атом водорода). Полипептиды (белки) составляют более 50% сухого веса клетки и по своей массовой доле уступают только воде.

Полипептидный остов: цепь пептидных связей (—CO-NH—). Все атомы данной пептидной связи находятся в одной плоскости, то есть она является плоской. У всех белков полипептидный остов одинаков, поэтому одинаковы у них и геометрические характеристики вторичных структур (а-спиралей и b-структур): например, шаг спирали, угол наклона, диаметр и др. На один виток такой спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм, диаметр 1,0 нм. Пептидный остов несет на себе боковые группы (—CO-NH-CH(R1)-CO-NH-CH(R2)—), последовательность, количество и характер которых придает белкам индивидуальный характер.

Полноразвернутая конформация: конформация белка, при которой все его пептидные связи доступны воде, то есть полностью отсутствуют элементы вторичной структуры. Согласно теории многослойной организации поляризованной воды (МОПВ), группы NH и CO полипептидной цепи образуют водородные связи либо с такими же группами с образованием элементов вторичной структуры белка, либо с молекулами воды. В последнем случае, вода адсорбируется доступным ей полипептидным остовом или всей молекулой белка, если он имеет полноразвернутую конформацию, с образованием многослойной структуры поляризованных молекул воды. См. Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ). Если небольшая доля пептидных связей включена в те или иные вторичные структуры и поэтому с водой не взаимодействуют, то такую конформацию белка лучше называть развернутой и не путать ее с полноразвернутой конформацией.

Полупроницаемая мембрана: мембрана, обладающая свойством полупроницаемости. См. Полупроницаемость.

Полупроницаемость: понятие, введенное Вант-Гоффом (Jacobus van‘t Hoff, 1852-1911) для обозначения свойства клеточной мембраны пропускать одни вещества и не пропускать другие. Позднее, на основе такого понимания, появились представления о селективности мембраны, получившей объяснение в теории сита и в идее специальных переносчиков. По Лингу, теория сита оказалась несостоятельной. Полупроницаемость, по Лингу, определяется свойствами связанной воды клетки (см. гл. 11).

Поляризация: полезно различать два вида поляризации — наведенную и ориентационную. Наведенная поляризация (внешним электрическим полем) превращает недипольную молекулу в диполь (на время действия поля), а у дипольных молекул (см. Постоянный дипольный момент) вызывает увеличение дипольного момента и искажение структуры диполя (поляризация искажения). В молекуле органического вещества изменение структуры диполя может быть вызвано химическими модификациями других частей молекулы (индуктивный эффект). Ориентационная поляризация — выстраивание дипольных молекул (воды, например) во внешнем электрическом поле с образованием упорядоченных надмолекулярных структур (см. Теория многослойной организации поляризованной воды — теория МОПВ).

Поляризуемость: дипольный момент, индуцированный электрическим полем с напряженностью Е, равен р = аЕ, где а — поляризуемость, характеризующая способность электронного облака молекулы или группы атомов деформироваться в электрическом поле. См. Постоянный дипольный момент.

Постоянный дипольный момент: характеризует электрические свойства молекулы как системы заряженных частиц. В отсутствие внешнего электрического поля равен нулю, если молекула неполярна. У полярных молекул (воды, например) постоянный (собственный) дипольный момент p равен произведению расстояния r между центрами положительного и отрицательного зарядов на их величину q и направлен (условно) от отрицательного заряда к положительному: p = qr. Дипольный момент молекулы или атомной группы выражает асимметрию распределения электрических зарядов в электрически нейтральной системе.

Потенциал действия — теория Ходжкина-Хаксли: современные представления о генерации нервного импульса основаны на работах А. Ходжкина (Alan Lloyd Hodgkin 1914-1998), А. Хаксли (Andrew Fielding Huxley) и Б. Катца (Bernard Katz, 1911-2003), выполненных на гигантских нервных волокнах кальмара (1952) и удостоенных Нобелевской премии. Механизм распространения электрического импульса вдоль мембраны аксона (толщина около 50—70 Å) объясняется тем, что проницаемость мембраны зависит от имеющихся токов и напряжений, и различна для разного сорта ионов. Главную роль в процессе играют ионы натрия. Важную роль в регуляции процессов играют также ионы кальция. Первая модель распространения электрического импульса вдоль аксона гигантского кальмара была предложена Ходжкиным и Хаксли в 1952 году, и до сих пор является базовой моделью для описания такого типа явлений. Теория ассоциации-индукции предложила другое объяснение потенциалу действия, основанному на сорбционных процессах на поверхности клетки.

Потенциал к образованию α-спирали: эмпирически определяемая склонность или способность какого-либо аминокислотного остатка участвовать в образовании α-спирали.

Потенциал локализованной адсорбции (ПЛА): теория, согласно которой потенциалы покоя и действия клеток (а также потенциалы на модельных объектах — стеклянном электроде, КС-электроде) обусловлены наличием фиксированных анионных групп на поверхности клеток (или модельных систем) и их способностью связывать (адсорбировать) противоионы. Теория впервые была представлена Лингом в 1955 и 1959 годах, и до последнего времени называлась потенциалом поверхностной адсорбции.

Потенциал покоя: разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой, которую имеет каждая живая клетка, находящаяся в состоянии физиологического покоя. Цитоплазма клеток имеет отрицательный заряд. Потенциал покоя варьирует у разных клеток от -15 до -90 мВ. Согласно теории Линга потенциал покоя является потенциалом локализованной адсорбции (см. Потенциал локализованной адсорбции).

Потенциал стеклянного электрода: разность электрических потенциалов между внутренней поверхностью электрода и раствором, омывающим электрод снаружи.

Правило размера в распределении веществ между клеткой и средой: истинный коэффициент распределения вещества между клеточной водой (или водой модельной системы) и внеклеточной (q) обратно пропорционален молярному объему исследуемого вещества.

Праймер (затравка): в 1969 году Лингом, Уилл и Шеннон [480], в целях достижения более полной аккумуляции D-глюкозы мышцей лягушки при 0 °С, было предложено проводить предварительную инкубацию тканей при более высокой температуре (например, 25 °С) в среде, содержащей инсулин и какой-либо сахар (D-глюкозу, D-ксилозу или др.). D-глюкозу, D-ксилозу и еще пять сахаров, структурных аналогов D-глюкозы, назвали праймерами, т.к. предварительная обработка этими сахарами тканей усиливает аккумулирующую способность клеток по отношению к молекулам со структурой, сходной со структурой указанных сахаров.

Препарат безнасосной незамкнутой клетки (БНК): многоклеточный препарат, изготавливаемый обычно из портняжной мышцы лягушки, путем отсечения ее нижнего (дистального) конца. Мышечные волокна такого препарата оказываются открытыми, то есть лишенными плазматической мембраны. Оставшаяся часть мембраны не в состоянии функционировать, так как контактирует не с внешним раствором, а с воз-духом, увлажненным для предотвращения высыхания препарата или с вазелиновым маслом. Движение ионов K⁺, Na⁺ и других веществ через плазматическую мембрану в таком препарате становится невозможным (рис. 7).

Принцип усиления ассоциации при фиксировании одного из взаимодействующих центров: См. Теория усиления ассоциации путем фиксации центра связывания или заряда.

Проксимальные функциональные группы (центры): функциональные группы белковой молекулы (или центры взаимодействия), локализованные в непосредственной близости к полипептидной цепи (к остову белка) или недалеко от нее. Точкой отсчета является полипептидная цепь.

Проницаемость: способность клеток и тканей поглощать и выделять химические вещества.

Протеиноидные микросферы: искусственные клеткоподобные образования (протоклетки), впервые полученные и исследованные американским ученым С. Фоксом (S. Fox) в 50-х годах прошлого века, путем термической обработки смеси аминокислот, в результате которой образовывались полипептиды — протеиноиды и микросферы из них (см. рис. 5Е). Протеиноидные микросферы обладают определенной стабильностью: не разрушаются при центрифугировании, в солевых растворах устойчивее многих коацер-ватных капель. Их стабильность позволила приготовить препараты для электронной микроскопии, на которых удалось рассмотреть некоторые детали ультраструктуры. При изменении условий внешней среды наблюдали движение материала внутри частицы от центра к периферии, деление микрочастицы и образование двойного пограничного слоя. Окрашивание по Грамму обнаружило, что микросферы, образованные из кислых протеиноидов, грамотрицательны; микросферы, в состав которых входят в достаточном количестве основные протеиноиды, грамположительны. Из других свойств, присущих микросферам и представляющих интерес с эволюционной точки зрения, можно указать на существование у них барьеров с избирательной проницаемостью; способность к делению и почкованию; подвижность, возрастающую после добавления к суспензии микросфер АТФ; способность к наращиванию массы микрочастицы; тенденцию к контактированию друг с другом. В протеиноидных микросферах найдена ферментоподобная активность, которой обладали образующие их протеиноиды.

Протоплазма: в изначальном смысле — живая материя. В наше время — содержимое живой клетки, включая ядро и цитоплазму (у эукариот). В протоплазме осуществляются все жизненные процессы. В отличие от протоплазмы, цитоплазма — внеядерная часть протоплазмы эукариотических клеток. Цитоплазма состоит из гиалоплазмы и «взвешенных» в ней органоидов и различных клеточных включений.

Протоплазматическая доктрина: клетки являются желеподобными комками протоплазмы, внутри которых расположено ядро. Сформулирована Максом Шульце (Max Schultze) в 1861 году. Этой доктрине противостоит мембранная доктрина, согласно которой клетка — это раствор различных веществ, отграниченный от внешнего раствора липидной мембраной.

Прочная адсорбция: адсорбция, которая характеризуется прочной, устойчивой связью между адсорбирующим центром и адсорбированной молекулой (ионом), что делает возможным стехиометрическое соотношение: один центр связывания — один ион

Равновесие термодинамическое: состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточной большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды. При термодинамическом равновесии в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии- теплопроводность, диффузия, химические реакции и др. В состоянии термодинамического равновесия параметры системы не меняются со временем.

Равновесная конфигурация молекулы: расположение атомов в молекуле, соответствующее минимуму потенциальной поверхности Равновесная конфигурация относительно устойчива и характеризуется определенной внутренней энергией молекулы. Переход из одной равновесной конфигурации в другую осуществляется при квантовых переходах. В случае двухатомной молекулы равновесная конфигурация характеризуется равновесным межатомным расстоянием (равновесной длиной связи). В различных электронных состояниях молекула может иметь различные равновесные конфигурации. В данном состоянии многоатомная молекула может иметь одну или несколько равновесных конфигураций. При наличии нескольких эквивалентных (то есть получаемых друг из друга при операциях симметрии) равновесных конфигураций возможно туннелирование между ними, приводящее к туннельному расщеплению уровней энергии молекулы. Неэквивалентные равновесные конфигурации называются конформерами или конформациями молекул. Равновесные конфигурации определяются совокупностью равновесных координат атомных ядер или длин связей и валентных углов, которые называются структурными параметрами молекулы.

Равновесное состояние (состояние равновесия): состояние, в которое приходит термодинамическая система при постоянных внешних условиях. Характеризуется постоянством во времени термодинамических параметров и отсутствием в системе потоков вещества и энергии. При этом внутри равновесной системы продолжаются микроскопические процессы: изменяются положения молекул и их скорости при столкновениях. Примером устойчивого состояния является форма пламени горящей свечи. В большинстве случаев устойчивое состояние требует непрерывного притока энергии.

Равновесные явления: явления, характерные для систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

Равновесный потенциал калиевый: понятие, введенное мембранной теорией потенциала покоя и действия Ходжкина (A. Hodgkin) и Хаксли (A. Huxley). Калиевый равновесный потенциал в упрощенной форме: EK = 581 lg [K]_ex/[K]_in (формула Нернста). Разность между текущим значением мембранного потенциала и E_K называют электрохимическим градиентом для K⁺. Электрохимический градиент — причина пассивного движения K⁺ (и любого другого иона) через мембрану. Уравнение Нернста означает, что равновесный потенциал возникает в результате значительно большей концентрации К⁺ внутри клетки, чем в окружающей среде, при этом в обеих этих средах K⁺ должен быть свободным, то есть представлен водными растворами. Доказательства тому, что К⁺ внутри клеток на самом деле не свободен, а связан, см. в разделе 10.2. Связанное состояние K⁺ в клетке резко противоречит мембранной теории потенциалов покоя и действия.

Равновесный потенциал натриевый: принципиальную сторону вопроса см. Равновесный потенциал калиевый. Особенность для Na⁺ состоит в том, что внутриклеточная вода не является, согласно теории ассоциации-индукции, обычной водой, а структурирована, связана белками клетки и потому является плохим растворителем в том числе и для Na⁺ (см. гл. 11). Таким образом, по обе стороны клеточной поверхности свойства воды, ее состояние различаются, что никак не учитывается теорией потенциала покоя Ходжкина (A. Hodgkin) и Хаксли (A. Huxley).

Равновесный процесс: процесс перехода термодинамической системы из одного равновесного состояния в другое, столь медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные, то есть характеризующиеся очень медленным (в пределе — бесконечно медленным) изменением термодинамических параметров состояния. Всякий равновесный процесс является обратимым процессом, и наоборот, любой обратимый процесс является равновесным.

Развернутая конформация: см. Полноразвернутая конформация.

Раствор 731: раствор Рингера, обогащенный питательными добавками. Содержит витамины, свободные аминокислоты, другие биологически активные вещества, а также антибиотики. В таком растворе изолированная мышца лягушки может прожить до 9 дней при комнатной температуре [381].

Рецептор: молекула (обычно белок) на поверхности клетки, клеточного органоида или в цитоплазме клетки, специфически реагирующая изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества, обычно гормона или медиатора — то есть на гормональный сигнал, и передающая этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы, обычно при помощи механизма так называемых вторичных посредников. Химическое вещество, специфически соединяющееся с рецептором, называется лигандом этого рецептора. Однако под рецептором можно понимать и участок белковой молекулы, который непосредственно взаимодействует с лигандом.

Саркода: термин, предложенный Феликсом Дюжарденом (Felix Dujardin, 1801-1860) для обозначения живой материи клетки, но прижился термин «протоплазма».

Саркомер: см. Миофибриллы.

Свойства ближнего действия: свойства, проявляющиеся лишь при непосредственном контакте, в противоположность свойствам, проявляющимся при удаленном действии.

Связанная вода: вода, связанная коллоидами посредством различных механизмов, и приобретшая в результате свойства, отличные от свойств обычной воды (историю вопроса и подробности см. в работе [64, р. 278—306]).

Система фиксированных зарядов: трехмерный матрикс, несущий большое количество групп, обладающих каким-либо зарядом. См. Теория фиксированных зарядов Линга.

Скачкообразный путь: вариант движения ионов в системе фиксированных зарядов, при котором ион проходит через слои упорядоченной внутриклеточной воды между заряженными группами, не вступая с ними в непосредственное взаимодействие. Скачкообразность обусловлена динамикой структурных перестроек поляризованной воды.

Сорбционная теория А. С. Трошина: теория распределения веществ между клеткой и средой, согласно которой характер их распределения определяется двумя основными факторами: сорбцией веществ на внутриклеточных структурах и их растворимостью во внутриклеточной воде. Благодаря сорб-ционным процессам происходит аккумуляция веществ в клетке. Концентрация веществ, растворенных в клеточной воде, как правило, ниже, чем в объемной воде внеклеточной среды, так как растворяющая способность внутриклеточной воды ниже [90, 91, 92]. Теория относится к равновесным процессам и сохраняет свое значение по сей день (см. гл. 9).

Сорбция: поглощение твердым телом или жидкостью (сорбентом) жидкости или газа, или растворенного в жидкости вещества (сорбата), из окружающей среды. Поглощение вещества из газовой фазы всем объемом жидкого сорбента называется абсорбцией. Извлечение жидкостью какого-либо компонента из другой жидкости называется экстракцией. При сорбции паров пористыми телами происходит капиллярная конденсация. Обычно одновременно протекает несколько сорбционных процессов.

Состояние полного насыщения водородных связей: состояние молекулы воды, в котором она участвует в максимально возможном для нее количестве водородных связей с соответствующими группами макромолекул или с другими молекулами воды, включенными в многослойную поляризованную водную структуру (см. Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ)).

Стандартная свободная энергия адсорбции: адсорбция — один из важнейших типов поверхностных явлений. Явление адсорбции связано с тем, что силы межкмолекулярно-го взаимодействия на границе раздела фаз не скомпенсированы, и, следовательно, пограничный слой обладает избытком энергии — свободной поверхностной энергией. В результате притяжения поверхностью раздела фаз находящихся вблизи нее молекул адсорбата свободная поверхностная энергия уменьшается, то есть процессы адсорбции энергетически выгодны. Изменение свободной энергии (ΔF°) в результате адсорбции иона, молекулы или другого растворенного вещества на адсорбционный центр связано с константой равновесия адсорбции К уравнением ΔF° = -RT ln K, где R — газовая постоянная, а T — абсолютная температура.

Стандартная свободная энергия распределения растворенного вещества, ΔF°: изменение стандартной свободной энергии системы (ΔF°) при распределении растворенного вещества между двумя фазами (от момента добавления вещества в систему и до установления диффузионного равновесия), подчиняется уравнению ΔF° = -RT ln q (которое может быть выведено из уравнения Вант-Гоффа), где R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, а q — истинный равновесный коэффициент распределения растворенного вещества, то есть коэффициент распределения вещества в системе, в которой оно не сорбируется.

Стехиометрия: соотношение между количествами вступающих в реакцию реагентов и образующихся продуктов. Стехиометрия может выполняться в течение всей реакции. Если в течение реакции образуются в заметной концентрации промежуточные продукты, стехиометрическое соотношение между реагентами и продуктами меняется, и мы имеем дело с реакцией, стехиометрия которой меняется во времени. Для элементарных реакций стехиометрия не зависит от времени. В физических процессах также может иметь место определенное соотношение между взаимодействующими атомами и молекулами.

Стиль мышления: устойчивая, целостная система особенностей теоретического объяснения исследуемого объекта, характеризующаяся спецификой методологических принципов построения знания. В основании каждого стиля мышления лежит парадигма (от греч. paradeigma — пример, образец) — совокупность теоретических и методологических предпосылок, определяющих конкретное научное исследование, — которая воплощается в научной практике на данном историческом этапе. Стиль мышления — это тип мышления, свойственный данной исторической эпохе. Смена стиля мышления связана с научными революциями, со «сменой понятийной сетки, через которую ученые рассматривают мир» (Т. Кун, Thomas Samuel Kuhn, 1922—1996). История физиологии показала, что стиль мышления не может быть моноцентричным (молекулярным, клеточным, тканевым, органным, организ-менным, популяционным, биосферным); в современной физиологии он должен быть системным, многоуровневым.

Структурообразующий белковый матрикс (СБМ): гипотетическая кооперативная система взаимосвязанных преимущественно или полностью нативно развернутых белков, пронизывающая весь объем клетки, предложенная Лингом. Одной из важнейших функций этой системы является поддержание большей части клеточной воды в упорядоченном (поляризованном) метастабильном состоянии, обеспечивающим основные характеристики проницаемости клетки в покое. При физиологической активности (возбуждении) и повреждении клетки, или ее части, СБМ обратимо утрачивает свои свойства. Поляризованная вода превращается в воду с обычными свойствами. Ее растворяющая способность возрастает. При переходе клетки в нормальное состояние, свойства СБМ восстанавливаются.

Суррогатный (модельный) ион: ион, служащий заменой другому иону, близкому к нему по свойствам. Например, Rb⁺ используется в качестве иона, «моделирующего» поведение K⁺. К ним же относится Cs⁺ и Tl⁺.

Таутомерия: быстрая обратимая структурная изомеризация; способные к таутомерии вещества при установившемся равновесии представляют собой смеси двух (или нескольких) взаимопревращающихся изомеров — таутомеров (см. Изомерия). Наиболее распространена прототропная триадная таутомерия (миграция протона между крайними атомами триады — системы трёх атомов, два из которых связаны двойной связью; миграция сопровождается перемещением двойной связи). К этому виду таутомерии относятся кето-енольная, имино-енаминная, амидная, в том числе лактим-лактамная, трёхуглеродная, кольчато-цепная и некоторые др.

Теория ассоциации-индукции (АИ): в 1962 году Гильберт Линг предложил первую физико-химическую теорию, объясняющую жизнь на молекулярном и электронном уровне. Эта теория связывает воедино три основных компонента живых клеток — белки, воду и ионы, — а также указывает на индукцию (вызванные изменения электронной плотности в молекулах), как на основной механизм, координирующий и регулирующий свойства функциональных групп белка и различные клеточные функции.

Теория: систематизация знания, схема, обладающая предсказательной силой в отношении какого-либо явления. Теории формулируются, разрабатываются и проверяются в соответствии с научным методом. Стандартный метод проверки теорий — прямая экспериментальная проверка («эксперимент — критерий истины»). Однако часто теорию нельзя проверить прямым экспериментом (например, теорию о возникновении жизни на Земле), либо такая проверка слишком сложна или затратна (макроэкономические и социальные теории), и поэтому теории часто проверяются не прямым экспериментом, а по наличию предсказательной силы — то есть если из неё следуют неизвестные/ незамеченные ранее события, и при пристальном наблюдении эти события обнаруживаются, то предсказательная сила присутствует. Обобщая, цель науки — предсказывать будущее; как в наблюдательном (аналитическом) смысле — описывать ход событий, на который мы не можем повлиять, так и в синтетическом — создание посредством технологии желаемого будущего. Образно говоря, существо теории в том, чтобы связывать воедино «косвенные улики» и вынести вердикт прошлым событиям и указать, что будет происходить в будущем при соблюдении определённых условий. При появлении более общей, более точной или более удобной в практическом плане теории, старая теория уступает дорогу новой. Научные теории не имеют ничего общего с религией. Теории, которые всё объясняют при помощи введения понятия бога, используют показания «очевидцев» в качестве доказательства своей истинности, не являются научными по причине отсутствия объективных процедур проверки своей состоятельности и предсказательной силы. Теория может быть как исходным пунктом научных исследований, так и их результатом. Поскольку «факты» воспринимаются и осмысляются посредством теоретического знания, они всегда теоретически нагружены. Поэтому «объективных» фактов, стоящих вне теоретических представлений, не существует.

Теория липидного строения биомембран: согласно этой теории липидный бислой — это основная структура мембраны, которая создает относительно непроницаемый барьер для большинства водорастворимых молекул. Впервые в 1925 году было показано, что липиды из мембран эритроцитов, экстрагированные ацетоном, образуют на поверхности воды пленку. При уменьшении площади пленки до образования сплошного мономолекулярного слоя оказалось, что площадь образовавшегося пятна в два раза больше площади поверхности эритроцита. Поскольку единственной мембраной эритроцитов является плазматическая мембрана, был сделан вывод, что липидные молекулы в ней должны быть организованы в виде непрерывного бислоя. Этот вывод оказался верным и оказал глубокое влияние на клеточную биологию. Доказательством того, что все биологические мембраны — это липидные бислой, было получено позднее при исследовании высокоупорядочен-ных биологических мембран с помощью дифракции рентгеновских лучей. Другим доказательством служит возможность механического расщепления их замороженных образцов на два липидных монослоя, как следует из данных, полученных с помощью электронной микроскопии методом замораживания-скалывания. Однако сторонники этого взгляда упускают из виду, что на поверхности протеиноидных микросфер, не содержащих липидов, также наблюдается под электронным микроскопом бислой, морфологически неотличимый от липидного бислоя (см. рис. 5Е и Протеиноидные микросферы). Следовательно, бислой, видимый в электронный микроскоп, не доказывает, что он липидный. Кроме того, эритроцит — высокоспециализированная клетка, состав мембраны которого сильно отличается от состава мембраны типичной клетки.

Теория мембранного насоса: идея, изменившая представление о мембране, как о пассивной структуре, работающей по принципу сита. Насос стал активным элементом мембраны, который работает с использованием химической энергии. Результатом работы насоса является перемещение иона или молекулы против градиента концентрации. Наиболее известным из этих насосов является натриевый насос.

Теория многослойной организации поляризованной воды (теория МОПВ): согласно этой теории Линга (предложенной в 1965 г.), последовательность диполей (групп NH и CO) полипептидной цепи комплементарна структуре молекулы воды. Это создает благоприятные стерические условия для адсорбции воды белком, при которой молекула воды поляризуется (возрастает ее дипольный момент) и, соответственно, возрастает прочность образуемых ею водородных связей. Увеличение стабильности водородных связей приводит к формированию устойчивых многослойных ассоциатов из молекул воды вокруг белка с развернутой конформацией. Регулярная структура полипептидной связи определяет и регулярную структуру слоев связанной воды. Долю структурированной воды в клетке определяет уровень АТФ. В клетке в состоянии покоя большая часть воды находится в связанном состоянии. Этой особенностью определяется концентрация свободных веществ в клетке: они вытесняются из клетки в среду. Структурированная вода выполняет барьерную функцию на поверхности клетки, ограничивает диффузию свободных веществ, включая саму воду, внутри ее. При активации клетки связанная вода десорбируется, увеличивая ее проницаемость. Десорбция воды может быть локальной (например, при потенциале действия) или охватывать всю клетку. Группы пептидной связи, освободившись от взаимодействия с водой, могут включаться в элементы вторичной структуры белка. Комплементарными воде могут быть цепи и других полимеров. Они также будут способны связывать и структурировать воду.

Теория поляризации де Бура-Цвиккера (de Boer-Zwikker): физические свойства пленок существенно отличаются от свойств объемных образцов из того же вещества, что связано с влиянием как свободной поверхности, так и границы между пленкой и подложкой на процесс формирования пленки. Поверхностные и граничные слои часто характеризуются дальним порядком расположения ориентированных молекул, что ведет к образованию ориентированных квазикристаллических макроструктур. Экспериментально было установлено еще в 1930 г., что формирование ориентированных граничных слоев происходит в случае контакта поверхностно-активных веществ с поверхностью твердого тела. Исследования в этой области показали, что силовое поле твердого тела не экранируется первым слоем молекул жидкости. Но ориентация молекул полярной жидкости в первом приграничном к твердой поверхности слое играет роль «затравки», организующей ориентацию последующих слоев. Механизмом, реализующим этот эффект, может являться взаимодействие молекулярных диполей с образованием нейтральных в целом «цепочек», перпендикулярных к поверхности контакта. Подобные соображения стали основой эмпирической поляризационной теории де Бура и Цвиккера, показавшей, как локальное короткодействие, распространяясь в жидкости путем индуцирования дипольных моментов в соседних слоях, порождает дальнодействующие силы, упорядочивающие большие объемы вещества. Поэтому в граничных слоях структура жидкостей изменяется по сравнению с объемной, и тем сильнее, чем выше ее полярность и размер молекул растворенного в ней вещества. В то же время, граничные слои переходят по мере удаления от твердой подложки в объемную жидкость. Твердая поверх-ность рассматривается в теории де Бура и Цвиккера как подобие шахматной доски, ячейки которой представляют собой положительно и отрицательно заряженные центры (см. раздел 11.2).

Теория предсуществования потенциала покоя: одна из фундаментальных теорий клеточной физиологии, выдвинутая Эмилем Дюбуа-Реймоном (Emil DuBois-Reymond, 1818—1896), согласно которой электропотен-циал между разными сторонами мембраны нервной или мышечной клетки существует у клетки и в состоянии покоя (потенциал покоя), а не возникает лишь в результате ее повреждения, как утверждал в своей теории альтерации ученик Дюбуа-Реймона Лудимар Герман (Ludimer Hermann) и названный им потенциалом повреждения или демаркационным потенциалом.

Теория сильных электролитов Дебая-Хюккеля: предложенная Питером Дебаем (P. Debye) и Эрихом Хюккелем (E. Hueckel) в 1923 году статистическая теория разбавленных растворов сильных электролитов, согласно которой каждый ион действием своего электрического заряда поляризует окружение и образует вокруг себя некоторое преобладание ионов противоположного знака — так называемую ионную атмосферу. В отсутствие внешнего электрического поля ионная атмосфера имеет сферическую симметрию, и ее заряд равен по величине и противоположен по знаку заряду создающего ее центрального иона. В этой теории не уделено почти никакого внимания образованию пар противоположно заряженных ионов путем непосредственного взаимодействия между ними.

Теория усиления ассоциации противоионов при фиксации одного из них: одно из ключевых положений взглядов Линга, согласно которому фиксация в пространстве заряда или центра адсорбции значительно повышает прочность комплекса адсорбент-адсорбат (фиксированный анион-K+, например) по причинам кинетического и электростатического характера. Кинетическая составляющая эффекта стабилизации состоит в том, что подвижность такого комплекса в пространстве будет значительно ограничена или даже равна нулю, что приведет к резкому снижению кинетической энергии молекулярных столкновений. (Подробности см. в разделе 10.1, п. 1). См. также Энтропийная составляющая усиления ассоциации противоионов в системе фиксированных зарядов.

Теория ферментативной реакции Михаэлиса-Ментен: центральным положением теории является утверждение, что для протекания ферментативной реакции необходимо образование фермент-субстратного комплекса. При этом, между свободным ферментом, свободным субстратом и фермент-субстратным комплексом устанавливается равновесие. Скорость реакции намного меньше скорости образования фермент-субтратного комплекса, поэтому расщепление субстрата практически не влияет на указанное равновесие. Зависимость концентрации фермент-субстратного комплекса от концентраций фермента и суб-страта соответствует изотерме адсорбции Ленгмюра. Это доказывает, что фермент действует как гетерогенный катализатор и реакция достигает максимальной скорости, когда весь фермент находится в комплексе с субстратом. Это условие выполняется, если реакция протекает при избыточной концентрации субстрата.

Теория фиксированных зарядов Линга (ТФЗЛ): количественная статистическая теория избирательного накопления в клетках и их моделях калия в присутствии натрия. Она основана на механизме усиленной ассоциации противоионов с фиксированными зарядами. В случае живой клетки и некоторых моделей фиксированным анионам присуща избирательность к калию, обусловленная более сильным электростатическим взаимодействием с ним, чем с Na⁺. Это объясняется меньшими размерами гидратированного K⁺ по сравнению с гидратированным Na⁺ и другими различиями в характере ближнего взаимодействия этих катионов с фиксированными анионами. На основе теории фиксированных зарядов Линга возникла теория ассоциации-индукции.

Теория электролитической диссоциации Аррениуса: в 1887 году шведский физико-химик Сванте Аррениус (1859-1927) предложил теорию, согласно которой при растворении в воде многие кислоты, соли и основания самопроизвольно диссоциируют на положительные и отрицательные ионы, способные перемещаться независимо друг от друга. Удостоен за эту теорию Нобелевской премии по химии в 1903 году.

Триплетный адсорбционно-десорбционный путь (биллиардный и ротационный): если входящий катион (к примеру, Rb⁺) прочно связывается с фиксированными анионами на поверхности клетки, то его диффузия в клетку будет медленной. Но проникновение в клетку Rb⁺ существенно ускорится в результате взаимодействия с другими катионами, например, с K⁺. Приближение K⁺ к паре фиксированный анион-Rb⁺ снизит энергию активации десорбции Rb⁺ и его движение «по головам» фиксированных анионов станет более динамичным. Подобный триплетный путь называется ротационным, если активирующий катион (K⁺) перемещается изнутри клетки навстречу Rb⁺. Если же активирующий ион перемещается снаружи внутрь, как и входящий Rb⁺, то такой триплетный путь называется биллиардным (см. рис. 36).

ТФЗЛ: см. Теория фиксированных зарядов Линга.

Унифациальные клетки: клетки, мембрана которых одинакова на всем своем протяжении (мышечные, нервные клетки, эритроциты).

Уравнение Трошина: уравнение А1 в приложении.

Уравнение химических реакций Вант-Гоффа: в 1884 году Якоб Хендрик Вант-Гофф (Vant-Hoff, Jacobus Henricus, 1852-1911) вывел одно из основных уравнений химической термодинамики — уравнение изохоры, выражающее зависимость константы равновесия от температуры и теплового эффекта, а также уравнение химической изотермы, выражающее зависимость химического сродства от константы равновесия реакции при постоянной температуре. Изобара и изохора Вант-Гоффа связывают изменение константы химического равновесия с тепловым эффектом реакции в изобарных и изохорных условиях соответственно. Очевидно, что чем больше по абсолютной величине тепловой эффект химической реакции, тем сильнее влияет температура на величину константы равновесия. Если реакция не сопровождается тепловым эффектом, то константа равновесия не зависит от температуры.

Усиление ассоциации противоионов при перекрытии электрических полей: катионообменная смола как типичная система фиксированных зарядов содержит только фиксированные анионные центры. Каждый катион при этом испытывает электростатическое притяжение не только ближайшего фиксированного аниона, но и других фиксированных анионов. Такие перекрывающиеся взаимодействия лучше удерживают катион. Этот вывод подтверждается характером взаимодействий в такой совершенной системе фиксированных зарядов, как кристалл NaCl, в котором каждый ион Na⁺ окружен шестью ионами Cl^- и наоборот. В этом случае сила перекрывающихся взаимодействий Na⁺ с противоионами выше, чем между двумя ионами Na⁺ и Cl^- (что описывается константой Маделунга — потенциалом иона в поле других ионов). В отличие от рассмотренных систем, клетка (протоплазма) в состоянии покоя представляет собой, как правило, амфотерную систему фиксированных зарядов, так как содержит фиксированные заряды обоих знаков. В результате поле, действующее на свободный катион со стороны фиксированного аниона, может ослабляться ближайшими фиксированными катионами. Однако в клетке фиксированные анионы и катионы распределены, как правило, неравномерно [15, Fig. 15.5]. Даже на протяжении одной молекулы белка плотность распределения фиксированных зарядов может сильно различаться [180, Fig. 3.5]. Это означает, что в клетке существуют реальные условия для перекрытия полей взаимодействия фиксированных анионов с K⁺, например, что усиливает его связывание.

Фазовый переход (фазовое превращение): в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе. Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход. Наиболее часто рассматриваются фазовые переходы при изменении температуры, но при постоянном давлении (как правило, равном 1 атмосфере). Именно поэтому часто употребляют термины «точка» (а не линия) фазового перехода, температура плавления и т.д.

Физиология клетки: наука, изучающая функционирование клеток, регуляцию клеточных функций, реакцию клеток на внешние воздействия, адаптацию клеток к условиям окружающей среды, взаимодействие клеток друг с другом.

Физическая природа живого состояния: согласно теории ассоциации-индукции, физической основой жизни является протоплазма в высокоэнергетическом (с запасом энергии) состоянии и с низкой энтропией. В состоянии функциональной активности запас энергии протоплазмы уменьшается, а энтропия возрастает. Энергия, выделившаяся при переходе клетки в активное состояние, идет на совершение биологической работы.

Фиксированный анион: отрицательно заряженная функциональная группа, являющаяся частью белка, другой макромолекулы или системы фиксированных зарядов.

Фиксированный заряд: химическая группа, фиксированная в пространстве и несущая положительный или отрицательный заряд.

Фиксированный катион: положительно заряженная функциональная группа, являющаяся частью белка, другой макромолекулы или системы фиксированных зарядов.

Центр адсорбции: участок твердого тела или макромолекулы, способный адсорбировать ион или молекулу.

Цитоплазма: часть протоплазмы эукариотиче-ских клеток без ядра.

ЭАКА: электроноакцепторный кардинальный адсорбат.

ЭДКА: электронодонорный кардинальный адсорбат.

ЭИКА: электроноиндифферентный кардинальный адсорбат.

Экстравертные модели: развернутые или полноразвернутые белки или линейные полимеры с доступными для непосредственного взаимодействия с водой атомами кислорода или азота, несущими по свободной паре электронов. Последовательность диполей в полипептидной цепи белка комплементарна структуре молекулы воды. Требование комплементарности должно соблюдаться и при выборе линейных полимеров.

Электрогенный насос: гипотеза, согласно которой в состав поверхностной мембраны входят молекулярные насосы (натриевая помпа — исторически первая), способные вместе и по отдельности осуществлять асимметричный транспорт заряженных частиц (ионов) внутрь клетки и из клетки в окружающую среду. В результате неравномерного распределения зарядов между клеткой и средой, поддерживаемого энергией метаболизма, на границе раздела, — то есть на мембране, — возникает разность электрических потенциалов.

Электронная плотность: плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке пространства. Атом водорода — наименьший из всех атомов. В состав его ядра входит лишь один протон, несущий единичный положительный заряд. Такой атом является системой из двух зарядов: положительно заряженного ядра, окруженного симметричной сферой отрицательного электричества — электроном, который из-за быстрого перемещения изображается в виде облака (у атома водорода электронная плотность одинакова в любой точке сферы). В достаточно сложных молекулах электронная плотность, как правило, несимметрична, а форма «облака» может меняться. Например, при замещении трех атомов водорода метильной группы уксусной кислоты на чрезвычайно электроотрицательные атомы хлора, ее константа диссоциации (pK) снижается с 4,76 почти до 1 в результате индуктивно вызванного снижения силы притяжения H⁺ к карбоксильной группе; сила кислоты при этом возрастает. Существуют две простые, но логичные точки зрения на это явление. По одной из них, увеличение силы кислоты отражает смещение плотности распределения единственного избыточного электрона карбоксильного кислорода в сторону от H⁺, и в результате сила притяжения протона ослабевает. В этом смещении состоит физический смысл величины с, измеряемой в единицах расстояния (Å). Согласно другой точке зрения, причиной этого явления служит не смещение, а «разжижение» «облака отрицательного электричества», то есть снижение электронной плотности вокруг однозарядного атома кислорода.

Электронная поляризация-деполяризация химической связи: поляризация—асимметрия (смещение) электронной плотности ковалентной связи. Величина смещения (поляризация-деполяризация) может меняться в зависимости от взаимодействий, в которые вступает молекула. Поляризация связей вносит существенный вклад в электрический дипольный момент молекулы. Дипольный момент поляризованной связи может вызывать поляризацию соседних связей в молекуле (индуктивный эффект). Такие взаимодействия могут носить циклический, повторяющийся характер.

Электроноакцепторный кардинальный адсорбат (ЭАКА): кардинальный адсорбат, выступающий в роли акцептора электрона при взаимодействии с кардинальным центром адсорбции.

Электронодонорная способность: легкость, с которой радикал отдает электрон связавшей его молекуле. Метильная группа CH₃ обладает более высокой электронодонорной способностью по сравнению с атомом водорода. По этой причине уксусная кислота CH₃-COOH обладает большим сродством к H⁺ и диссоциирует слабее (pK = 4,76), чем муравьиная кислота H-COOH (pK = 3,75), у которой в качестве донора электрона выступает атом водорода.

Электронодонорный кардинальный адсорбат (ЭДКА): кардинальный адсорбат, отдающий электроны (кардинальному) центру адсорбции при связывании с ним.

Электроноиндифферентный кардинальный адсорбат (ЭИКА): кардинальный адсорбат, который не обладает ни электронодонорными, ни электроноакцепторными свойствами при взаимодействии с центром связывания (адсорбции).

Электроотрицательность атома: количественная характеристика способности атома в молекуле притягивать к себе электроны. К примеру, хлор более электроотрицателен, чем водород. Понятие электроотрицательности атомов было введено Л. Полингом.

Элементарная живая машина: минимальный молекулярный комплекс (белок-вода-K⁺-АТФ), обладающий, согласно теории ассоциации-индукции, основными физическими свойствами живой клетки.

Энтропийная составляющая усиления ассоциации противоионов в системе фиксированных зарядов: закон макроскопической электронейтральности исключает выход сколько-нибудь значительного количества противоионов из системы фиксированных зарядов. В связи с этим противоионы остаются в ограниченном объеме системы фиксированных зарядов вместо того, чтобы рассеиваться в гораздо большем объеме окружающей среды. Иначе говоря, свободные ионы ассоциируются с системой фиксированных зарядов. Поскольку энтропия системы, особенно ее изменение, напрямую зависит от объема, доступного противоионам, то высокая степень ассоциации свободных ионов с фиксированными означает снижение энтропии системы. См Теория усиления ассоциации противоионов при фиксации одного из них.

Энтропия диссоциации: диссоциация адсорбированного вещества, распад ассоциата ионов и молекул сопровождается ростом энтропии системы.

Энтропия: термодинамическая функция состояния системы, представляющая собой меру ее неупорядоченности. Является мерой количества энергии в физической системе, которая не может быть использована для выполнения работы. Энтропия S прямо пропорциональна теплосодержанию H (или H_rev) и обратно пропорциональна абсолютной температуре T. Таким образом, S = H_rev/T. В статистической механике энтропия связана с количеством комплексионов Ω (числом возможных микросостояний системы) соотношением S = kT ln Ω, где k — постоянная Больцмана.

Эффективное столкновение: в водном растворе, к примеру, при комнатной температуре молекулы воды и других веществ постоянно перемещаются вследствие теплового движения, сталкиваясь друг с другом. Если молекулы (частицы) находятся в ассоциированном состоянии, и столкновение с ними других молекул (частиц) разрушает эти ассоциаты, то такие столкновения мы будем называть эффективными.

Эффекторный центр: один из группы реактивных центров, физиологически значимое изменение которого происходит при связывании (адсорбции) определенной молекулы с рецептором, пространственно удаленным от эффекторного центра.

Явление кооперативности: Ральф Фаулер (Ralph Fowler) впервые применил термин «кооперативные переходы» к изменениям состояния системы, взаимодействие элементов которой усиливается с течением процесса изменения так, что существенно ускоряет его ход в целом (положительная кооперативность). Таким образом, сила взаимодействия атомов или молекул возрастает по мере нарастания изменений в системе, делая их коллективно согласованными. Кооперативность нельзя объяснить простым сложением свойств отдельных атомов и молекул, ее природа — в кооперации элементов системы, в результате которой система ведет себя как единый ансамбль, подчиняющийся определенному закону изменения.

ЯМР, ядерно-магнитный резонанс: был открыт в 1946 г. Ф. Блохом (F. Bloch) и Э. М. Парселлом (E. M. Purcell), за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1952 г. Суть явления заключается в том, что при определенных условиях вещество, состоящее из атомов, обладающих ненулевым спином, может резонансно поглощать/испускать электромагнитную энергию в радиочастотном диапазоне. Эффект наблюдается в скрещенных магнитных полях, одно из которых является сильным постоянным полем, а второе — слабым переменным, изменяющимся с частотой в радиодиапазоне Поскольку частота, на которой наблюдается ядерно-магнитный резонанс, определяется свойствами ядра и его ближайшего окружения, то ЯМР может использоваться для идентификации атомов/групп атомов и химических связей. Как правило, для наблюдения резонанса используются атомы водорода H¹ и группы атомов, содержащие его. Начиная с 1950-х гг. ядерно-магнитный резонанс широко используется для физического и химического молекулярного анализа, а с конца 1970-х ЯМР стал одним из основных методов структурного анализа сложных биологических макромолекул, в том числе белков (например, можно определить в свободном состоянии находятся исследуемые молекулы или в связанном). Вначале ЯМР использовали физики для измерения ядерного момента различных элементов. Затем химики приспособили его для исследования строения молекул и т. д. А после создания теории поляризованных полимолекулярных слоев клеточной воды (в рамках теории ассоциации-индукции), ЯМР помог проверить эту теорию. Кроме того, методы ядерного магнитного резонанса используются в магнитно-резонансной томографии для визуализации внутренних органов человека с диагностической целью.