Разделы публикации

Дополнительно

Условия использования

Материалы данного сайта защищены законодательством об авторских и смежных правах. Права зарегистрированы. Несанкционированное копирование и распространение материалов ведет к уголовной ответственности и преследуется законом. Полное или частичное использование материалов допускается только с разрешения автора либо с указанием ссылки на автора и оригинал публикации!

Обоснование и обсуждение гипотезы

Настоящая гипотеза является развитием известной концепции В.П. Скулачёва о энерготранспортной функции митохондрий[1].

В 70-х годах прошлого века В.П. Скулачёвым и соавторами, исходя из хемоосмотического принципа мембранного фосфорилирования, была выдвинута идея переноса энергии вдоль нитчатых митохондрий, представляющих собой конгломераты более мелких митохондрий состыкованных между собою по средствам электропроводящих межмитохондриальных контактов.

Согласно этой концепции делокализованный протонный потенциал создаваемый протонными генераторами на сопрягающих мембранах за счёт дыхания может распространяться вдоль мембран в виде осмотических и электрических градиентов от мест его преимущественного образования к местам преимущественного потребления. Это приводит к переносу энергии по митохондрии как по « протонному кабелю». Такой перенос, отмечают авторы, заменяет диффузию АТФ, либо субстратов и кислорода от края клетки к её центру, или диффузию АДФ и фосфата в противоположном направлении. Таким образом, во-первых, ускоряется внутриклеточный транспорт энергии и, во-вторых, этот процесс превращается из случайного в направленный.

Авторы гипотезы соотносят энерготранспортную функцию митохондрий с их сложной пространственной организацией в объёме клетки. Так хондриом (совокупность всех митохондрий клетки), в зависимости от типа клеток и их функциональных нагрузок, может иметь различную пространственную организацию. От одиночно расположенных нитчатых или сферических внутриклеточных телец, до сложно организованного митохондриального континуума, в котором отдельные митохондрии объединены в общую энергосистему клетки с помощью многочисленных межмитохондриальных контактов[1,2]. Скулачёв и соавторы приводят экспериментальные данные, результаты которых интерпретируются ими как возможность существования межмитохондриального переноса энергии протонного потенциала через зоны митохондриальных контактов.

Таким образом, по гипотезе Скулачёва, энергетический перенос по системе сопрягающих мембран хондриома осуществляется за счёт градиентного переноса (диффузии) протонов в водной объёмной фазе вдоль поверхности внутренних митохондриальных мембран.

Однако, в таком виде, представленный механизм сужает область применения «кабельной» гипотезы расстояниями порядка 1 мм, поскольку эффективность подобного диффузного энергопереноса ограничивается величиной сопутствующих энергопотерь, на что указывают сами авторы гипотезы.

Картина энергопереноса могла бы быть качественно иной, если исходить из возможности существования иного принципа сопряжения мембранного фосфорилирования, без участия в нём делокализованного протонного потенциала.

Вопрос о латеральном (не диффузном) переносе протонов в сопрягающей митохондриальной мембране многократно обсуждался в литературе в рамках противостояния двух главных концепций мембранного фосфорилирования.

В начале 60-х годов прошлого века П. Митчелом предложен механизм мембранного фосфорилирования, по которому сопрягающие протоны покидают пределы мембраны и создают делокализованный мембранный потенциал, расходуемый на синтез АТФ и другие работы. Тогда же Р. Вильямс представил иной механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования, по которому протоны достигают АТФ синтетазы, не покидая пределы внутренней митохондриальной мембран.

Схематично идею Митчела можно представить в виде следующей цепи событий.

Конечное звено процессов клеточного катаболизма - восстановленные эквиваленты (NADH или FADH) передают «энергизованные» электроны на соответствующие дегидрогеназные комплексы, локализованные во внутренней митохондриальной мембране, и далее по системе дыхательных переносчиков (дыхательной цепи) до конечного окислителя – кислорода. Процесс ступенчатого окисления дыхательных переносчиков сопровождается захватом протонов из внутримитохондриального матрикса и их транслокацией через внутреннюю митохондриальную мембрану во внешнюю водную фазу с образованием на этой мембране протонного электрохимического градиента. Обратный перенос протона по его электрохимическому градиенту осуществляется через протонпроводящий канал особого трансмембранного ферментативного комплекса – АТФ синтетазы, при этом осуществляется реакция фосфорилирования АДФ до АТФ.

Таким образом, по Митчелу, энергия, освобождаемая при окислении субстратов дыхательной цепью митохондрий, забуферивается в трансмембранный протонный градиент и по мере надобности расходуется на синтезы АТФ и другую работу.

По мнению Р. Вильямса, энергия окислительных реакций в дыхательной цепи расходуется на повышение термодинамического потенциала иона водорода в результате его частичной дегидратации при переносе из воды в мембрану митохондрий. Такой «энергизованный» протон, не покидая пределов мембраны, транспортируется в каталитический центр АТФ синтетазы, где его энергия расходуется на образование АТФ. Таким образом, гипотеза Вильямса предполагает прямое сопряжение окисления и фосфорилирования без участия трансмембранного протонного потенциала. По сути, на молекулярном уровне, две гипотезы отличаются лишь способом доставки протонов к карбоксильным группам белка трансмембранного протонного канала АТФ синтетазы, где происходит запуск конформационно-релаксационных перестроек фермента приводящих к циклическому образованию АТФ. Доступность субстратов реакции, АДФ и неорганического фосфата, контролируют направление и скорость протекания процесса.

Отмечу, что в пользу того и другого представления о способе мембранного фосфорилирования накоплен обширный фактический материал.

В настоящее время Л.С. Ягужинским с соавторами [3] обоснована комбинированная схема мембранного фосфорилирования, объединяющая вышеуказанные подходы и не противоречащая экспериментальным данным. Исследователями была доказана возможность существования митохондрий в двух качественно разных функциональных состояниях, - в одном из которых реализуется модель Митчела, в другом - имеет место сопряжение дыхания и фосфорилирования без участия делокализованного протонного потенциала. Переход от одного режима функционирования к другому может осуществляться при относительно незначительных степенях набухания митохондрий спровоцированных изменениями тоничности окружающего их раствора. При высокой тоничности наблюдается выход протонов в водную фазу и возникновение осмотического градиента протонов, а при низкой тоничности раствора протоны переносятся к АТФ синтетазе, не покидая мембраны.

 

В целом кооперативные структурно функциональные перестройки биосистем в ответ на изменения тоничности внутренней среды достаточно изучены и являются, по мнению многих исследователей, основным механизмом адаптивных реакций живых организмов на субклеточном уровне. Альтернативные механизмы энергетического сопряжения in vivo представляются частным случаем таких адаптивных перестроек. В нашем случае представляет наибольший интерес процесс прямого сопряжения мембранного фосфорилирования.

Возможность переноса протонов вдоль энергосопрягающих мембран теоретически обоснована и доказана экспериментально. В основе приповерхностных протонных токов лежит кооперативный механизм протонной проводимости по структурам связанной на поверхности мембраны воды (Grotthuss mechanism). Явлению протонной проводимости в структурированных водных фазах посвящён большой объём научной литературы[4,5,6,7,8,9,10,11]. Схематично, процесс переноса протона по водным фракталам выглядит следующим образом:

Суть такого механизма в том, что по продольным упорядоченным структурам воды с относительно жёсткими водородными связями (квазинепрерывные фрактально-триплетные структуры Бернала – Фаулера) под воздействием электрического поля или концентрационного градиента кооперативно перемещаются уединённые волновые пакеты протонных зарядов - солитоны. Последние можно представить как «размазанные» области сжатия и разряжения средней плотности протонов. Солитоны - самоорганизованные устойчивые во времени волновые структуры. Своего рода волны-частицы. Сама природа солитонного механизма протонного переноса обеспечивает исключительно высокую эффективность перемещений протонов на значительные расстояния. Высокие значения подвижности протонов в водных токопроводах (эффект обнаружен в монослоях большинства природных фосфолипидов) характеризует эту эффективность.

То есть направленное движение протонов (протонный ток) в этом случае происходит в совершенно иной, чем ионный раствор проводящей среде и подчиняется квантовомеханическим законам туннельного зарядопереноса. Измеренная подвижность протонов в проводящих структурах связанной воды близка к характерной подвижности электронов в проводниках первого рода (металлах), и отличается от ионной проводимости более чем на 6 порядков. Исходя из этих соображений, легко объясняется влияние тоничности среды на переход от одного режима функционирования митохондрий к другому. Известно, что высокая ионная сила среды приводит к разрушению (плавлению водных квазикристаллов) протонпроводящих структур примембранно связанной воды.

Принимая во внимание приведённые особенности, концепция энерготранспортной функции митохондрий предстаёт в новом качестве. Снимаются пространственные ограничения эффективного дистанционного переноса энергии на большие расстояния. И если допустить, что не только межмитохондриальные контакты не являются барьером этому переносу, но и межклеточные, то, как следствие, нетрудно себе представить единую энергораспределительную систему организма, где избыток энергопродукции в одних областях организма (клетках, тканях, органах) может компенсировать энергодефицит в других. Причём многие клетки организма оказываются, подключёнными к этой системе через протонпроводящие межклеточные контакты и являются как источниками, так и потребителями обобщённого энергопотенциала организма. В биологической целесообразности существования такого механизма внутриклеточного и трансклеточного энергопереноса сомневаться не приходиться. С другой стороны, такая энергораспределительная система обладает всеми признаками, предъявляемыми биологами к так называемому структуроорганизующему биологическому полю. То есть несёт в себе информационно-регуляторную и координирующую функцию.

В пользу существования механизма внутри и трансклеточного переноса энергии по сопрягающим мембранам энергопродуцирующих клеточных органелл свидетельствуют следующие данные:

1. Установлены факты энергетического сопряжения между отдельными митохондриями при их близких контактах друг с другом. Так в эксперименте [2] деэнергизация одной из митохондрий при локальном разрушении части её внутренней митохондриальной мембраны вызывала отключение энергетических функций в цепочке контактирующих с ней и между собой других митохондрий клетки.

2. Для многих тканей в зонах межклеточных щелевых контактов описаны сложные шестимембранные контакты, включающие помимо контактной области плазматических мембран клеток, плотно прилегающие к ним мембраны хондриома соседствующих клеток. Установлено, что межмитохондриальные контакты образованы соединением не только наружных, но и внутренних мембран контактирующих митохондрий. Выявлены "точки слияния" митохондриальных мембран. Показана большая протяжённость и преимущественная ориентация митохондриальных филаментов вдоль основной оси клеток.

3. Сам факт существования квазипостоянных электрических и магнитных полей у живых организмов, и их зависимость от физиологических состояний организма, может служить косвенным доказательством гипотезы о существовании единой энергораспределительной системы организмов. Так, наличие областей организма с различными соотношениями продукции и потребления энергии протонного потенциала на сопрягающих мембранах функционально объединённых митохондрий создаёт разность электрических потенциалов между этими областями. А направленное движение зарядоносителей (протонов) в высокопроводящей среде (токопроводящие водные слои сопрягающих мембран) по градиенту электрического поля (от энергопоставщика к энергопотребителю) с неизбежностью должно создавать вдоль проводника квазистатическое магнитное поле тока. Подтверждением этому служит экспериментальное обнаружение продольного электрического тока в живом нерве при ненарушенных анатомических связях этого нерва с ЦНС и периферией обусловленного носителями зарядов с подвижностью в 300 см2 . В -1 . с -1 [12]. Важно, что в изолированном живом и убитом кипячением нерве ток отсутствовал. Приведённая величина подвижности зарядов (Холловская подвижность) на шесть порядков превышает характерную подвижность ионных зарядоносителей в растворе и свидетельствует о движении зарядов по проводникам с зонной проводимостью подобно движению обобществлённых электронов в металле. Претендентом на роль таких проводников в живых системах может быть лишь структурированная вода, а зарядоносителями обобществлённые в водных токопроводах протоны. На мой взгляд, представленный механизм наиболее просто объясняет существование и динамику электромагнитных полей живых организмов.

4. Возможность трансклеточного распространения протонного потенциала по цитоплазматическим клеточным мембранам представлена в экспериментах на нитчатых цианобактериях - трихомах, формирующих нитевидные многоклеточные структуры из сотен клеток [1]. При освещении всего 4 – 5% общей длины трихома протонный потенциал быстро распространялся на всю длину (несколько миллиметров) организма. По мнению А.С. Давыдова [5] и это уже доказано экспериментально [8], такой дистанционный протонный перенос по всей длине трихома осуществляется в слоях граничной структурированной воды, окружающих мембраны сочленённых бактериальных клеток, а не путём диффузии ионов водорода в жидкой водной фазе, как интерпретирует этот факт В.П. Скулачёв.

На сегодняшний день, детали представленного механизма мембранной энергетики, включающие по отдельности стадии захвата протонов из жидкой фазы за счёт работы дыхательных цепей, солитонного переноса протонного заряда по водным токопроводам и срабатывания молекулярной машины синтеза АТФ путём конформационных перестроек фермента при протонировании определённых карбоксильных групп белка достаточно хорошо изучены по отдельности. Новым является синтез указанных представлений для объяснения ряда биологических феноменов, где прослеживается определённая системность, описать которую возможно лишь при постулировании существования некого полевого энергоинформационного континуума в живых организмах.

« назад