Введение в квантовую фононную биологию
С. Н. Семёнов
Резюме: В рамках “Молекулярно-механической модели строения и функционирования биологических мембран” рассмотрены основные квантово-механические аспекты функционирования мембран. Показано, что биологические мембраны – квантовые системы и квантами, передающими взаимодействия в этих системах, являются фононы – звуковые кванты, а мембрана, как единая квантовая система, характеризуется своими специфическими квантовыми энергетическими уровнями, обусловленные их липидным составом и особенностями молекулярной структуры мембранных белковых систем. Обсуждается фононной механизм передачи внутриклеточной информации, в частности нервного импульса и способы его дестабилизации.
Рассматривая любые внешние воздействия на живой организм нужно всегда помнить, что он состоит из клеток, пусть даже это будет одноклеточный организм, но он тоже состоит их клетки – из одной. Поэтому, нельзя не учитывать внешнего воздействия на клеточном уровне. Более того, на уровне клеточной мембраны, являющейся уникальным образованием, т.к. именно где-то в мембране и проходит граница между живым и неживым – граница между принципиально разными системами. Вероятно, что это единственная известная нам структура с такими уникальными свойствами, но это не единственная уникальность биомембран.
Не будет преувеличением сказать, что биологические (клеточные) мембраны являются одной из важнейших структур, ответственных за обеспечение основных процессов жизнедеятельности клетки. Прежде всего, они отделяют живую клетку от её окружения. Мембраны первыми сталкиваются с различными внешними воздействиями и реагируют на них, они обеспечивают поступление в клетку (и клеточные органеллы) всех необходимых веществ и вывод из клетки продуктов её жизнедеятельности. Не смотря на многообразие выполняемых операций, мембраны характеризуются общими структурными и функциональными чертами. Все они построены, в основном, из липидов и белков. При этом липиды служат основным изолирующим и структурообразующим компонентом всех биологических мембран. А белковые молекулы, главным образом, ответственны за выполнение мембранами многообразных функций присущих живым клеткам (1 – 3). Толщина самой мембраны (40 – 60 Ǻ) меньше суммы линейных размеров 2-х образующих её молекул липида, расположенных по обе её стороны. В тоже время биологические мембраны являются весьма динамичными структурами, т.к. входящие в их состав молекулы находятся в непрерывном движение (4 – 8). Но, не смотря на такую подвижность, липидная часть мембраны сама по себе является превосходным диэлектриком и просто отличным барьером, препятствующим свободному проникновению через неё различных молекул. Более того, такой тонкий и динамичный барьер, видимый только в электронный микроскоп, обладает очень сложной внутренней структурой. В мембране, с точки зрения термодинамики и молекулярной физики, можно обнаружить участки с “кристаллической” структурой (9), характерной для твердых кристаллических тел, в то же время, центральная часть мембраны обладает “неупорядоченным” состоянием, близким по свойствам к жидкостям или, быть может, даже газам. Конечно, нужно понимать, что это говорится с известной долей упрощения, сделанного для облегчения понимания сути материала.
В последнее время вновь возник большой интерес к установлению корреляции механических свойств различных мембран с особенностями их строения и функционирования, обусловленный обнаружением широкого круга механозависимых явлений в биологических мембранах, в частности, связанных с различными каналами, включая ионные каналы в мембранах нервных клеток (10 – 16). Для объяснения наблюдаемых явлений была предложена “Молекулярно-механическая модель строения и функционирования биологических мембран” (в дальнейшем Модель) (17, 18). Модель позволяет описывать многие наблюдаемые структурные и функциональные свойства биомембран не только качественно, но и количественно. Более того, Модель предсказывает, что межмолекулярные взаимодействия в мембране должны сопровождаться излучением или поглощением квантов “механического взаимодействия” – фононов. Многие эффекты вокруг нас выглядят классическими потому, что классические физические законы на самом деле базируются на квантовой механике (19). Необходимость учета квантовых явлений возникает в последнее время при рассмотрении различных аспектов молекулярной биологии, например, генома (20). Данная работа посвящена описанию роли квантовых явлений при рассмотрении структуры и функций биологических мембран.
Модель показывает, что при рассмотрении строения и функционирования мембранных белков необходимо учитывать латеральное сжатие, которое они испытывают со стороны окружающей мембраны. Экспериментально подтверждено, что разные биологические мембраны характеризуются разным поверхностным давлением и сжимаемостью, обусловленными различиями в их липидном составе (17.1, 18.1). Под поверхностным давлением и сжимаемостью надо понимать именно давление и сжимаемость в их классическом физическом значении. При этом межмолекулярные взаимодействия в мембране можно описывать как взаимодействие молекул двумерного квазигаза (17.2, 18.2), который и создаёт внутримембранное латеральное давление. Отсюда сразу становится понятной необходимость поддержания постоянной температуры тела различных животных. Постоянная температура означает постоянство внутримембранного давления и, следовательно, постоянство добавочной свободной энергии сжатия, получаемой внутримембранной молекулой со стороны её окружения. Более подробно это рассмотрено в разделе “Квазистатика” (17.3) или “Quasistatic” (18.3). В противном случае, при непостоянной температуре, клетка будет нестабильно функционировать или ей придётся менять липидный состав своей клеточной мембраны, для поддержания необходимого поверхностного давления и сжимаемости, что бы не менялась добавочная свободная энергия мембранных белков, и соответственно – их структура и функциональные особенности, что и наблюдается на опыте (21 – 23).
Зависимость структуры и свойств мембранных белков от механических свойств мембраны позволило предположить, что процесс функционирования белковых систем сопровождается поглощением или излучением квантов этого взаимодействия – фононов. Т.е. в процессе активации мембранных белков под действием внешнего воздействия, например, при связывании мембранного фермента с субстратом из окружающего раствора, и образованием субстрат-ферментного комплекса выделяется энергия. Которая затем, при возвращении белковой молекулы и исходное (невозбуждённое) состояние может быть излучена в виде мембранного фонона. Выделившийся фонон может потом активировать иную белковую системы в мембране, будучи поглощенным ею, т.е. осуществив передачу информации вдоль мембраны и координацию деятельности различных мембранных белковых систем. Причём совсем необязательно, что бы эти мембранные системы были пространственно близки между собой или имели иную “видимую” связь. Скорее, не будет видимого сопряжения различных мембранных белковых систем между собой. Мы просто будем наблюдать событие, обычно вызывающее некий эффект (или эффекты), в том числе и иной природы, в некотором отдалённом участке биомембраны. Главное, чтобы в мембране существовала упорядоченная структура, похожая на структуру кристалла, обеспечивающая условия передачи фононной информации, а такие структуры, как отмечено выше, существуют в биологических мембранах. В противном случае, фонон может просто рассеяться в мембране, потратив свою энергию на её нагрев. Иными словами, при облучении клетки фононами с разными частотами (энергиями) будут обнаружены пики поглощения ультразвука, соответствующие собственным квантовым энергетическим уровням данной биомембраны. Можно назвать это и пиками “резонансного” поглощения ультразвука, когда его частота совпадает с частотой собственных мембранных фононов – полная аналогия с традиционным спектральным анализом химических соединений. Необходимо подчеркнуть, что речь идёт о биомембранах живых клеток, т.к. именно живая клетка стремится поддерживать постоянство своих параметров при изменении окружающих условий. Если клетке не удаётся это сделать, то она погибает.
Для проверки высказанного предположения были сконструированы спектрофононометры и методики их применения (24, 25). Затем определены ультразвуковые спектры мембран различных живых клеток. Предварительно пришлось разработать способ измерения поверхностного давления различных биологических мембран (17.1, 18.1). Эти величины были необходимы для количественной оценки ожидаемых явлений, как и результаты по оценки латеральной сжимаемости биомембран при поверхностных давлениях, равных давлениям реальных мембран, которые были легко получены на основании липидного состава различных клеток и литературных данных по сжатию липидных монослоёв различного состава на границе раздела полярной и неполярной фаз. На рис. 1 приведён типичный образец ультразвукового спектра живых клеток (спектр поглощения ультразвука в относительных единицах с.u. для водной суспензии микроорганизмов Bac. subtilis).
Часть ультразвукового спектра клеток Bac. subtilis в водной суспензии (физиологический раствор).
Естественно, что, так как механические параметры клеточной мембраны уникальны для различных клеток, то и фононные спектры разных клеток уникальны и могут служить для их идентификации. Таким образом, биологические мембраны – квантовые системы и квантами, передающими взаимодействия в этих системах, являются фононы – звуковые кванты. Именно фононы осуществляют межмолекулярный обмен сигналами внутри биологических мембран. Причём обмен сигналами и, соответственно, координация деятельности происходит не только между соседними молекулами, но и молекулами находящихся в разных участках биомембраны. Иными словами, мембраны, как единые квантовые системы, характеризуются своими специфическими квантовыми энергетическими уровнями (с точностью до kT, где k – постоянная Больцмана, а Т – температура в градусах Кельвина), обусловленные их липидным составом и особенностями молекулярной структуры мембранных белковых систем.
Надо отметить, что фононные спектры в биологии могут играть ту же роль, что и обычная, традиционная, фотонная спектроскопия в различных областях науки и техники при исследовании и идентификации разнообразных химических соединений. Активируя или инактивируя те или иные системы в биологических мембранах, мы будем менять и их функционирование, то есть, воздействовать на свойства клеток и их состояние. Самое простое, что можно сделать с клетками при этом – уничтожать выбранные клетки, не затрагивая других клеток в системе (например – раковые клетки).
Многие аспекты традиционной оптической спектроскопии справедливы и для предлагаемой “ультразвуковой”, фононной спектроскопии. Правда, надо учитывать, что фононы и фотоны отличаются не только одной буквой, но и относятся ещё и к разным типам квантовых частиц. Одни – Бозоны, другие – Фермионы и, следовательно, имеют некоторые различия в своём поведении.
В рамках фононной квантовой механики биомембран становятся понятными давно известные многочисленные факты, когда одинаковое ультразвуковое воздействие на разные клетки приводит к различным результатам, иногда противоречащим друг другу (26, 27). При традиционных исследованиях биологических объектов авторы не учитывали возможность “резонансного поглощения” ультразвука мембранными белками, которое может менять структурное и функциональное состояние последних, хотя и не отрицали, что поглощение ультразвука обусловлено белками и нуклеиновыми кислотами (28 – 30). Вероятно, с этим связаны прямо противоположные оценки влияния клеток на распространение ультразвука в структурированных и неструктурированных (лизированных или гомогонезированных) образцах тканей животных и человека (31 – 33).
Фонон – квант внутриклеточной информации
Одной из актуальных проблем современной клеточной биологии является изучение путей и способов распространение информации (обмен сигналами) внутри и между клетками. Важность этого вопроса очевидна – это и вопросы функционирования нейронов и всей нервной системы в целом и, соответственно, работы подконтрольных им иных клеточных систем организма, как в норме, так и при различных патологиях, где обнаружены изменения активности медиаторных систем и их рецепторов, а также связанные с этим нарушения мембран и ионных каналов нейронов. Интересно, что периферические органы и ткани обладают некоторой автономностью, т.е. способностью ограниченно функционировать в отсутствие нейрогуморальных регуляторных влияний. “Изолированные” таким образом органы работают на минимальном режиме их функциональных возможностей благодаря внутри- и межклеточным регуляторам (34).
Кроме того, в последние годы появились данные, что клетка, неадекватно реагирующая на “социальные сигналы”, поступающие от других клеток организма, может дать начало злокачественной опухоли (35).
Наиболее полно исследованы химические пути обмена межклеточной информацией при помощи нейомедиаторов и иных химических соединений. В настоящее время известно не менее 74 различных химических реакций, разделённых, как минимум, на 25 групп, в которых задействованы те или иные молекулы, принимающие участие в передаче межклеточной информации (36). Отмечено, что эти группы реакций можно рассматривать как “векторные реакции”. Т.е. это однонаправленные пути.
Гораздо меньше известно о процессах трансформации внемебранного – обычно химического, но не обязательно (в начале работы упомянуто о чувствительности биомембран к механическим воздействиям) – сигнала во внутримембранный сигнал. Под сигналом понимается любое внешнее воздействие, вызывающее изменения в клеточной мембране и/или уже внутри самой клетки, в её цитоплазме. Более подробно вопросы трансформации внешнего сигнала во внутримембранный и происходящие при этом процессы будут рассмотрены в отдельной работе (37). В данной работе рассмотрим только возможный механизм быстрого распространения сигнала, полученного клеткой в одном месте до его получателя (адресата), расположенного на другом, пространственно удалённом участке биомембраны. Самый известный процесс такого рода – распространение нервного импульса в нейронах.
Первой стадией таких трансформаций является связывание молекулы сигнала с соответствующей ей молекулой рецептором, расположенной на поверхности клетки. Для такого связывания сигнальная молекула и её рецептор должны специфично соответствовать друг другу (избитое, но, в общем, верное сравнение – подходить друг к другу, как ключ к замку). Всякая клетка имеет специфичный для нее набор рецепторов, и этот набор определяет круг химических сигналов, на который эта клетка реагирует. До этой стадии всё понятно; связывание сигнальной молекулы с её рецептором вызывает некие изменения в мембране – происходит трансформация внешнего химического сигнала во внутримембранный сигнал. Как конкретно происходит трансформация внешнего сигнала и во что он трансформируется в биомембране до сих пор не известно. Традиционные подходы не дают ответа. Для мембраны как квантовой системы не так важно, является химическая молекула сигнал ключом для мембранного рецептора или отмычкой. Для квантовой системы более существенно, что самопроизвольная реакция идет с выделением энергии, которая может быть излучена в виде мембранного фонона. Этот процесс схематично изображен на рисунке в работе, описывающей Модель, в разделе “Квазидинамика (Quasidynamics)” (17.4, 18.4). Естественно, что обратная реакция – отделение молекулы сигнала от молекулы мембранного рецептора – будет идти только с поглощением энергии, которой может быть энергия поглощённого комплексом рецептора с сигнальной молекулой мембранного фонона. Это можно представить в виде простых уравнений, принципиально описывающих процесс, без детализации:
Прямая реакция:
(внешний химический сигнал) + (мембранный рецептор) è
(комплекс рецептора с молекулой сигналом) +
(мембранный фонон = ħω);
Обратная реакция:
(комплекс рецептора с молекулой сигналом) +
(мембранный фонон = ħω) è
(мембранный рецептор) +
(химический сигнал, выделенный из мембраны).
Переименование прямой реакции в обратную и наоборот сути процесса не меняет. Более того, если вместо химического сигнала будем рассматривать любой другой сигнал, воздействующий на мембранный рецептор, то уравнения (и процессы, которые они описывают) не изменятся. Возможно только одно отличие в схемах: внешний сигнал вызывает активацию рецептора, его переход в возбужденное состояние с последующей релаксацией в исходную форму, которая и сопровождается излучением мембранного фонона. Естественно, что здесь может и не образовываться “относительно стабильный комплекс рецептора с внешним сигналом” и, следовательно, отсутствует обратная реакция – вся схема только упрощается.
Хорошо известно, что есть специализированные клетки, задача которых заключается в максимально быстрой и точной передачи сигналов от разных частей организма в мозг и обратно. Речь идет о нервных клетках (нейронах), связывающих мозг со всеми частями организма. Нейроны отличаются разнообразием, но всем им присуще наличие отростков. Короткими отростками (дендритами) нервные клетки контактируют друг с другом. Кроме коротких отростков нейрон обладает ещё и длинным отростком, называемым аксоном, по которому нервные импульсы идут от тела клетки к иннервируемым органам и другим нервным клеткам. Аксоны некоторых клеток тянутся на 50 – 70 см. Аксоны покрыты миелиновой оболочкой белого цвета. Миелиновая оболочка состоит из белков (миелина) и липида. Поверх миелиновой оболочки есть ещё швановская оболочка. Миелиновая оболочка, являясь изолятором, предотвращает рассеивание нервных импульсов и их переход на другие нервные волокна. Миелиновое покрытие по длине волокна имеет сегментарное строение; на границе двух сегментов имеются участки безмиелиновых перетяжек – так называемые узлы нервного волокна или перехваты Ранвье. За счет этого нервный импульс распространяется по волокну не непрерывно, а скачками: электрические импульсы “перепрыгивают” от одного перехвата Ранвье к другому. Скорость передачи нервного импульса по аксонам меняется от 150 м/сек для человека до 50 м/сек для лягушки (38 – 40).
Реально, как распространяется непосредственно сам нервный импульс на основании приведённых результатов говорить некорректно. В экспериментах измеряется так называемый “потенциал действия”, последовательно регистрируемый в разных перехватах Равнье после раздражения нейрона. Вот именно этот “потенциал действия”, и сопутствующие ему электрические процессы, распространяется по аксону скачками. Но то, что электрические явления сопровождают передачу сигнала нейроном, совсем не означает, что эти явления сами непосредственно и являются внутриклеточными информационными сигналами. (Очень это напоминает ёлочную гирлянду, там тоже внешне кажется, что разноцветные светлячки перепрыгивают из одного запаянного стеклянного шарика – лампочки, если кто не знает – в другой.) Здесь наблюдается предсказанный выше в данной статье квантовый процесс фононного обмена между различными мембранными белковыми системами в мембране аксона нервной клетки, когда воздействие в одном месте мембраны вызывает ответ в другом месте, причём воздействие и ответ могут иметь различную физико-химическую природу: общее между ними – квантово-механическое сопряжение через фононный обмен.
Нервная система, как и любая иная система, предназначенная для передачи информационных сигналов, должна удовлетворять ряду очевидных требований. Она должна быстро и без искажений передавать информационный сигнал. Желательно, чтобы система была универсальной, т.е. могла свободно передавать сигналы в противоположных направлениях и т.д. Кроме того, необходимо, чтобы в то время, когда сигналы не передаются – нервная клетка находится в покое – система потребляла минимум энергии, и самопроизвольно “автоматически” возвращалась в исходное работоспособное состояние после передачи сигналов. Ну и естественно, что система должна легко “обслуживаться”, что бы все необходимое для её нормального функционирования достаточно быстро и адресно попадало туда, где это всё необходимое требуется, создавая минимум помех процессу
29-04-2015, 03:04