М.В.Листов (д.б.н.)
 А.И.Мамыкин (д.ф-м.н.)
Запись на плазмалемме*. Фейк или реальность?
        Диффузионный поток отрицательно заряженных свободных радикалов и перенос неспаренного электрона супероксидом и другими свободными радикалами являются составляющими энергетического обмена в биосистеме и условием активного состояния электромагнитного поля в структурах головного мозга, трофической функции нервных волокон, покрытых миелином. Важная роль активных форм кислорода (АФК) в физиологических процессах, происходящих в организме, во многих случаях обусловлена действием потока активных частиц отрицательно заряженных радикалов супероксида из жидких субстанций организма на микроструктуры наружной поверхности клеточной мембраны. В структуре интенсивно исследуемого биофизиками бислоя липидов мембраны гидрофильные полярные головки молекул липидов (и холестерина) внешнего и внутреннего слоёв мембраны ориентированы к водной фазе вне и внутри клетки под разными углами по причине подвижности отдельных молекул фосфолипидов в плоскости клеточной поверхности и их вращения в плоскости, перпендикулярной плазмалемме.
        Липопротеиновые фрагменты липидов, холестерина и структурных белков с ионофильными полюсами соединены между собой межмолекулярными силами взаимодействия в кластеры и плоты, площадь которых в сумме доходит до 20 % от общей клеточной поверхности, причём заряд этих участков отрицателен. Отдельные кластеры заякорены с помощью белковых нитей так называемого субмембранного комплекса поверхностного аппарата клетки, другие, их называют плотами, имеют свободу латерального перемещения по поверхности. Одна из возможных схем распределения зарядов в активном центре плазмалеммы клетки представлена на рисунке. Плоскостная модель (легко достроить до объёмной структуры) активного центра в форме пентагона состоит из отрицательно заряженного ядра, молекулы структурного белка, заряд которого компенсирован зарядом ионов Na+, K+ и аквакомплексов (Na.6H2O и K.4H2O) на внешней и внутренней поверхностях мембраны.
        Плазмалемма исходно имеет гидрофобную поверхность, которая в результате внедрения активных белковых центров и дефектов структуры становится гидрофильной в результате уменьшения свободной поверхностной энергии. Существенным для понимания механизма взаимодействия поверхности клеточной мембраны с диффузионным приповерхностным слоем является то, что поверхностные группы выступают в роли центров адсорбции, поскольку атомы водорода, принадлежащие сольватным оболочкам ионов Na+ и K+, способны образовывать водородные связи, координируя неподелённые электронные пары кислорода сорбированных из диффузионного слоя молекул воды с образованием связанных ионов гидроксония Н3О+, которые и формируют двойной электрический слой дипольной сети плазмалеммы. Близкие по энергетике процессы происходят на поверхности пористого кремния, где роль активных центров играют Si-Hx группы и наноразмерные поры.
        Энергетическая неоднородность поверхности клеточной мембраны определяется прежде всего различным строением металла-координатора, а также ассоциированных молекул воды и аквакомплексов противоионов, в зависимости от того, формируются они в виде отдельных кластеров вокруг отрицательно заряженного ядра молекулы структурного белка (см. рисунок) и адсорбированных им ионов металла, или покрывают фрагмент плазмалеммы с дефектами билипидного слоя. В первом случае аквакомплексы формируются как с внешней, так и с внутренней поверхности плазмалеммы, тогда как для компенсации отрицательного заряда дефектной структуры липидного бислоя достаточно кластера ассоциированных молекул Н2О с его внешней стороны.
        Ещё одно важное различие состоит в том, что аквакомплексы, образующиеся вокруг интегрированных в билипидный слой структурных белков, формируют кластеры под действием центральной силы притяжения к молекуле белка, которая убывает с увеличением расстояния медленнее сил отталкивания. Радиус действия межмолекулярных сил, напомним, не превышает 10 нм и распространяется на структуры с пониженной размерностью, в том числе на вторичные и третичные структуры гетерополимеров многоклеточной биосистемы, белков и нуклеиновых кислот, а также ДНК и РНК вирусов, неклеточных паразитов растений, животных и человека.
        Адсорбция противоионов дефектных участков плазмалеммы клеток ядерных организмов в свою очередь происходит под действием сил, равномерно распределённых по участку с нарушением структуры бислоя молекул липидов и липоидов, быстро спадая по мере удаления от границ дефектного участка. Подобная неоднородность поверхности приводит, как правило, к формированию фрактальных структур, которые обладают свойством памяти.
Определенный вклад в формирование потенциала действия вносят свободные, т. е. некоординированные молекулы воды, которые имеют большую свободу вращательных, возможно, поступательных движений, а при ассоциации диполей образуются олигомеры молекул Н2О за счёт водородных связей (Н2О)2, (Н2О)3 с общей формулой (Н2О)n.
        Предполагают, что при 0 °С вода состоит в значительной мере из молекул (Н2О)3, при нагревании до 4 °С утроенные молекулы диссоциируют с образованием удвоенных молекул (Н2О)2, которые сообщают воде повышенную плотность, вероятно из-за наличия в спаренных молекулах двух водородных связей. Принимая во внимание, что молекулы воды водородными связями могут объединяются в цепочки (Н2О)n и сети, можно предположить значительную роль молекул воды и её комплексов с металлами в поддержке кооперативных процессов, таких как поляризация мембран с передачей заряда через эстафетный механизм движения протонов по системе водородных связей, или связывание молекулы кислорода специальными белками-переносчиками крови, зависящее от рН. Водные системы (кровь, лимфа, ликвор, межклеточная жидкость) находятся в основе жидкой внутренней среды организма, содержащей супероксид, фактор, влияющий на плазмалемму и ее потенциал.
        Вода является основой биосистемы, воду содержат также липопротеиновые клеточные мембраны организма, а дипольная сеть биосистемы включает протяженные и координированные структуры, обладающие пониженной размерностью. Клетка является структурной, функциональной и генетической единицей организма, её внешняя мембрана служит основой дипольной сети биосистемы.Существенно, что на липопротеиновой матрице клеток происходит как локальная деполяризация, так и образование пористой структуры в результате окисления поверхностных центров отрицательно заряженными радикалами, перенос которых на поверхность осуществляется диффузионным потоком анион-радикалов кислорода, при этом изменение плотности потока АФК неизбежно модулирует фрактальную структуру кластеров на плазмалемме.
        Энергетическая неоднородность поверхности клеточной мембраны обусловлена прежде всего различным строением противоионных аквакомплексов, в зависимости от того, формируются ли они в виде кластеров вокруг отрицательно заряженных интегрированных белков или покрывают часть плазмалеммы с дефектами структуры билипидного слоя. Таким образом, характер поляризации плазмалеммы, а следовательно форма и интенсивность потенциала действия на ней, существенно зависят от топологии и поверхностной концентрации интегрированных белков, а также от формы и расположения дефектных участков плазмалеммы, определяя характерное поведение импульсов действия для эукариотических клеток различных органов, тканей и других составляющих биосистемы.
        Межмолекулярные взаимодействия (в том числе непосредственно вокруг репликационной вилки) происходят при сближении частиц и попадания в зону действия сил Ван-дер-Ваальса с радиусом действия до 10 нм. Величина сил может изменяться и зависит, например, от агрегатного состояния молекул воды. Явление сцепления молекул воды и слипание клеток при адгезии бактерий на поверхности фагоцита напоминают взаимодействия на уровне атомов и молекул. Молекулы ДНК располагаются на некотором равновесном расстоянии друг от друга, обеспечивая тем самым масштабную инвариантность и стабильность нуклеотидных последовательностей генетической памяти.
        Метилирование по цитозину с помощью ДНК-метилтрасфераз изменяет расстояние между нуклеотидами, что блокирует экспрессию генов сайта, укрытого под импринтом. Внутриклеточные объемы (компартменты), ограниченные липопротеиновой мембраной везикулы и цистерны мембранных органелл, также являются объектами с пониженной размерностью. Само ядро клетки, по сути, двухмембранный органоид, внешняя мембрана которого связана с плазмалеммой и внутренней жидкой средой каналами. Самособирающийся комплекс поверхностного аппарата живой клетки, синтезируемые клеткой молекулы билипидного слоя и структурные биполярные белки образуют дипольную сеть тканей и органов.
        Клетки реагируют на местное и общее повышение концентрации свободных радикалов во внутренней среде организма изменением топологии фрактальных поверхностных структур, ростом частоты локальных деполяризаций и осцилляций плазмалеммы, которая на большей части поверхности клетки представлена липидным доменом с холестерином и структурными белками, пронизывающими билипидный слой. Токи смещения, возникающие в процессе одноэлектронного переноса радикалами, приобретают синфазный характер, подобно вынужденным переходам в квантовых системах, в результате чего формируются импульсы солитонного типа, которые в сетях нейронов передаются в биосистеме на большие расстояния.
        Фрактальная поверхностная структура на плазмалемме, например, нервной клетки формирует локальный дипольный момент интегрированной в липидный бислой мембраны терминальной части молекулы структурного белка (его полярного полюса) и дипольных моментов, создаваемых зарядами адсорбированных ионов и ассоциированных в комплекс с ними молекул воды. При этом квантование происходит только в одном направлении (поперечном), тогда как вдоль канала квантования не происходит, поэтому электромагнитный импульс, записанный во фрактальной структуре, может быть объединён в нейронную сеть.

* Плазмалемма (клеточная мембрана) – поверхностная, периферическая структура, окружающая протоплазму растительных и животных клеток.
В оглавление