Вода и клетка
Sep. 13th, 2011 04:54 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
imbgДавно у нас не было цитат из «Шагреневой кожи...» — одного из самых интересных трудов В.А. Кордюма, моего шефа, завотделом в ИМБГ.
И в продолжение прошлого поста — пассаж о воде в клетке. В принципе, специалистам это известно, но почитать все равно интересно будет и им, и людям, далеким от биологии.
Начнем с самого-самого, просто-таки незыблемо очевидного — субстанции, в которой протекают биохимические процессы. Совершенно понятно и абсолютно надежно установлено, что такой субстанцией в клетке всегда является вода (за редчайшими исключениями, когда ферментативные процессы осуществляются в липидной фазе мембран).
Но если теперь от всех этих общих и надежных экспериментальных (но всегда частных и часто вообще косвенных) данных и их удивительно прямолинейных экстраполяции на клетку перейти к реальным, не менее надежным, непосредственно к проблеме соотнесенным данным, то все выглядит, мягко говоря, совсем не так.
Но если это принять как действительность, то тогда надо признать, что в клетке нет условий для реально имеющих место скоростей биохимических процессов с их реальными непрерывными массопотоками из-за диффузии между всеми реальными промежуточными и конечными взаимосогласованными циклами. Нет потому, что скорости перемещения вследствие диффузии в таком вязком растворе резко замедлятся. И тогда производят спасающий ситуацию перерасчет.
Для связанной воды дают оценки, эквивалентные кристаллизационной воде в химически чистых реагентах. А именно — количество молекул воды, прочно связанной с биологическими макромолекулами:
10–11 молекул воды на пару оснований нуклеиновых кислот;
14–18 молекул воды на одну молекулу липидов;
0,4 г воды на 1 г сухого белка и т. д.
Таким образом, все основные процессы в клетке протекают не в той водной фазе, которую имеют в виду, т. е. не в свободной — «капельно-жидкой» воде. Наоборот. В клетке содержание воды в зонах метаболических процессов жестко контролируется. А капельно-жидкая вода (действительно, часто в изобилии) присутствует либо в сосудах, полостях, либо в межклеточном пространстве. Внутри же клетки — в специальных компартментах — вакуолях.
Там же, где осуществляются ферментативные процессы, вода присутствует в связанном виде — адсорбирована многослойно (что допускает, но лишь в определенной мере, свободу движения) на поверхности макромолекул. И вся система нормально функционирует без капельно-жидкой воды. А наглядным примером такого состояния являются клетки организмов, вообще не потребляющие воду как таковую. У некоторых из них капельно-жидкой воды как таковой нет даже в вакуолях. Желающие проверить такое могут поймать моль (лучше не в стадии личинки, а в стадии имаго, т. е. мотылька) и убедиться в этом методом «прямого эксперимента ». Передвигаться в таких условиях мелкие молекулы еще как-то могут по слоям адсорбированной воды, а вот макромолекулам диффундировать просто не в чем.
Читать книгу целиком — Оглавление.
И в продолжение прошлого поста — пассаж о воде в клетке. В принципе, специалистам это известно, но почитать все равно интересно будет и им, и людям, далеким от биологии.
Начнем с самого-самого, просто-таки незыблемо очевидного — субстанции, в которой протекают биохимические процессы. Совершенно понятно и абсолютно надежно установлено, что такой субстанцией в клетке всегда является вода (за редчайшими исключениями, когда ферментативные процессы осуществляются в липидной фазе мембран).
Но если теперь от всех этих общих и надежных экспериментальных (но всегда частных и часто вообще косвенных) данных и их удивительно прямолинейных экстраполяции на клетку перейти к реальным, не менее надежным, непосредственно к проблеме соотнесенным данным, то все выглядит, мягко говоря, совсем не так.
В отношении воды ситуация в наших представлениях вообще находится далеко за гранью любой фантастики. Согласно существующим взглядам, все процессы в клетках протекают в водной фазе. Иначе никакой диффузии, переноса мелких молекул, движения макромолекул и т. д. просто не может быть. Вода — колыбель жизни, ее среда (для кого только внутренняя, а для кого и внутренняя и внешняя).
В процентном соотношении вода составляет основную массу организмов: она все переносит, растворяет и одновременно ространственно организует за счет гидрофильных, гидрофобных, водородных, зарядовых и прочих связей и взаимодействий; участвует почти во всех химических превращениях, всех ферментативных и неферментативных реакциях; организует (вернее, реализует заложенную в первичной последовательности) пространственную структуру всех макромолекул (да и немакро- тоже) и очень многое прочее. Все это абсолютно, безоговорочно, непреложно так и только так. В общем виде.
А вот переходя к конкретике, к деталям, ситуация разительно меняется. Если оценивать все усредненно, то воды в клетке не просто много — ее в несколько раз больше, чем всего остального вместе взятого. И, казалось бы, все в клетке должно в воде буквально плавать. До недавнего времени так и считалось. Вопросы о правомерности подобных представлений возникли после того, как начали определять в клетке истинное состояние внутриклеточной воды. Когда количество независимых определений такого состояния стало минимально достаточным для сравнений, появились комментарии.
И первым выводом оказалось то, что те самые абсолютно надежные экспериментальные данные очень часто в независимых экспериментах показывают очень противоречивые результаты. Так, количество внутриклеточной воды для сердца в 10 независимых определениях у разных исследователей колебалось от 1,81 ±0,59 до 4,32±0,24 мл Н20 на 1 г сухого остатка. Объясняется такой разброс методическими трудностями. И первым выводом оказалось то, что те самые абсолютно надежные экспериментальные данные очень часто в независимых экспериментах показывают очень противоречивые результаты. Так, количество внутриклеточной воды для сердца в 10 независимых определениях у разных исследователей колебалось от 1,81 ±0,59 до 4,32±0,24 мл Н20 на 1 г сухого остатка. Объясняется такой разброс методическими трудностями.
Надо определить воду не в органе или ткани, а именно в клетках этого органа или ткани, т. е. каким-то образом разделить воду внутриклеточную, межклеточную, в сосудах и т. д. Но и это — опять же только для суммарного определения воды в клетке. Главные же проблемы заключаются в оценках состояния этой внутриклеточной воды. «Сухой остаток» клетки — это, в основном, энергично (и в значительных количествах) адсорбирующие воду макромолекулы — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Примем усредненные (по разным экспериментам) соотношения вода/сухой остаток за 3,0, т. е. на 3 мл воды — 1 г биополимеров (в основном). Это 25 %-й раствор.
Взять, например, альбумин или ДНК в виде 25 %-го раствора. Попробуйте экспериментально получить такую смесь. В каком состоянии в ней будет вода? Не надо никаких специальных измерений, чтобы стало ясно, что на капельно-жидкую воду, ту самую, которую имеют в виду, когда рассматривают внутриклеточные процессы, рассчитывать не приходится.
Но если это принять как действительность, то тогда надо признать, что в клетке нет условий для реально имеющих место скоростей биохимических процессов с их реальными непрерывными массопотоками из-за диффузии между всеми реальными промежуточными и конечными взаимосогласованными циклами. Нет потому, что скорости перемещения вследствие диффузии в таком вязком растворе резко замедлятся. И тогда производят спасающий ситуацию перерасчет.
Для связанной воды дают оценки, эквивалентные кристаллизационной воде в химически чистых реагентах. А именно — количество молекул воды, прочно связанной с биологическими макромолекулами:
0,4 г воды на 1 г сухого белка и т. д.
А уже на основании таких расчетов количество связанной воды принимается (в среднем) за 0,3 г на 1 г сухой массы клеток сердца. И это при том, что ранее выполненные скрупулезные эксперименты показали, что 0,3 г Н2 0 на 1 г сухой массы не хватит даже для того, чтобы вокруг макромолекул клетки образовался хотя бы мономолекулярный слой воды. Как же обстоит дело с остальной водой? По современным представлениям, в классическом капельно-жидком состоянии она содержится только в вакуолях. Вне их, т. е. в цитоплазме (нуклеоплазме) вода находится в каком-то структурированном состоянии. Диапазон такой структурированности, по мнению разных авторов, варьирует.
Одним из наиболее сложных (но оставляющих хоть какое-то место относительно свободной воде) является представлением о том, что заряды основных и кислых групп белков, заряды на других макромолекулах, распределение гидрофильных и гидрофобных доменов и, наконец, коллективное поведение молекул составляют причину образования зон толщиной примерно 6 нм (60 А), в которых вода подвижна так же (или почти), как при ее капельно-жидком состоянии и в ней могут быть растворены и свободно диффундировать мелкие молекулы. Но при всем том состояние воды (пока совершенно непостижимым образом) изменяется физиологически — по команде самих клеток. Это в общем-то давно известные переходы гель—золь, описанные феноменологически еще лет сто тому назад и даже в общих чертах на уровне механизмов неизвестные и поныне.
Таким образом, все основные процессы в клетке протекают не в той водной фазе, которую имеют в виду, т. е. не в свободной — «капельно-жидкой» воде. Наоборот. В клетке содержание воды в зонах метаболических процессов жестко контролируется. А капельно-жидкая вода (действительно, часто в изобилии) присутствует либо в сосудах, полостях, либо в межклеточном пространстве. Внутри же клетки — в специальных компартментах — вакуолях.
Там же, где осуществляются ферментативные процессы, вода присутствует в связанном виде — адсорбирована многослойно (что допускает, но лишь в определенной мере, свободу движения) на поверхности макромолекул. И вся система нормально функционирует без капельно-жидкой воды. А наглядным примером такого состояния являются клетки организмов, вообще не потребляющие воду как таковую. У некоторых из них капельно-жидкой воды как таковой нет даже в вакуолях. Желающие проверить такое могут поймать моль (лучше не в стадии личинки, а в стадии имаго, т. е. мотылька) и убедиться в этом методом «прямого эксперимента ». Передвигаться в таких условиях мелкие молекулы еще как-то могут по слоям адсорбированной воды, а вот макромолекулам диффундировать просто не в чем.
В изучении «сухого» анабиоза (т. е. анабиоза, достигаемого высушиванием) имеются очень яркие примеры того, сколько надо воды для протекания ферментативных процессов. Вот один из них. Цисты водного ракообразного Artemia salina являются стадией жизненного цикла, приспособленного к сохранению при пересыхании водоемов. При влажности цист менее 30 г воды на 100 г их сухой массы(это те самые 0,3 г воды на 1 г сухого вещества, которые считают «связанной») все процессы прекращаются (как указывалось выше, при этом Н20 не хватает даже для образования монослоя вокруг макромолекул).
Но когда влажность повышается до 35 г воды на 100 г сухой массы цист, начинают функционировать метаболические пути углеводов, аминокислот и цикла Кребса. То есть начинают функционировать даже не отдельные ферменты, а сложные биохимические циклы. Что и как на молекулярном уровне в таких условиях может двигаться? Но даже в нормальных обводненных клетках при точных измерениях делают совершенно однозначные заключения о том, что ни вода, ни ионы «просто так» за счет диффузии не могут перемещаться на значительные расстояния.
Но когда влажность повышается до 35 г воды на 100 г сухой массы цист, начинают функционировать метаболические пути углеводов, аминокислот и цикла Кребса. То есть начинают функционировать даже не отдельные ферменты, а сложные биохимические циклы. Что и как на молекулярном уровне в таких условиях может двигаться? Но даже в нормальных обводненных клетках при точных измерениях делают совершенно однозначные заключения о том, что ни вода, ни ионы «просто так» за счет диффузии не могут перемещаться на значительные расстояния.
Итак — свободной воды, в которой все может плавать, диффундировать, где «всем хорошо», в клетке нет, и условий для быстрых, точных, согласованных, взаимосвязанных и т. д. биохимических реакций не существует...
Читать продолжение — на ст. 489 Читать книгу целиком — Оглавление.
