Калиевые пруды и натриевые океаны. Физические свойства протоклеток

Nur · марта 22, 2015, 07:46:22

В популяционной генетике - все надежды на математику. Но мамодель - это возможность описать все и вся. А мне хочется описать точно, т.е. увидеть картину будто воочию... Нужна именно физическая модель...

Vladimir Matveev · марта 22, 2015, 09:00:32

ЦитироватьНо диполи... Они геометрически вытягиваются

Функциональные группы пептидной связи (прежде всего С=О) и сама пептидная связь имеет бОльший дипольный момент, чем вода. Взаимодействие с такими сильными диполями увеличивает и дипольный момент адсорбированной воды. Это объясняет, почему водородные связи в адсорбированном слое несколько более прочные, чем водородные связи между молекулами воды в объемной фазе. Именно усиленные водородные связи делают адсорбированную воду плохим растворителем: на их разрыв требуется больше энергии. Кроме того, поверхностное натяжение у фазы связанной воды выше, чем у объемной воды по той же причине - более прочные водородные связи. Чем меньше размер частицы, тем ей легче прорваться через фазу связанной воды. Это явление и называют полупроницаемостью.

Если температура - следствие средней кинетической энергии молекул, то температура связанной воды, скорость движения молекул которой ниже, должна быть ниже. Но кинетическая энергия - это не единственный фактор, определяющий температуру (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0). Температура связанной воды - это интересный вопрос к физикам.

Nur, о биоценозах и прочем судить не берусь.

Nur · марта 22, 2015, 09:28:12

Ну да, линейное растяжение по градиенту прочности связи...
Т. е. взаимоориентированное положение b- и g- карбоксильных групп белков - система фиксированных зарядов, которая избирательно адсорбирует K + в присутствии Na + (а после гидролиза аденозинтрифосфата – наоборот, связывает преимущественно ионы натрия и магния) и выполняющая также роль субстрата для возникновения потенциала покоя в поверхностном слое воды.
Вроде как-то так...

Nur · марта 22, 2015, 09:41:58

Полупроницаемость чем-то похожа на абсолютный барьер. Сталкиваясь с ним, испытываешь необходимость затратить на его преодоление все возрастающий объем энергии. В этом, наверное, смысл всех известных физических запретов. Они непреодолимы именно из-за затрат энергии, а не потому, что являются запретами по смыслу этого определения. Как говорится, весь вопрос - в цене вопроса...

Vladimir Matveev · марта 22, 2015, 09:52:53

Цитироватькарбоксильных групп белков - система фиксированных зарядов

Свободные карбоксильные группы в боковых цепях белков могут быть центрами связывания K+ в присутствии Na+ при определенной плотности заряда на них. А эта плотность не является раз и навсегда заданной. Электронное облако белковой молекулы (как и любой другой) весьма чувствительно к электростатическим взаимодействиям.

Nur · марта 22, 2015, 10:00:34

Почему это происходит... Просто АТФ поддерживает указанные карбоксильные группы белков в состоянии, когда они способны селективно связыватт К+ в присутствии Na+. Достигается такое благодаря способности АТФ снижать плотность электронов в пределах указанных групп в масштабе макромолекулы белка и всей клетки в целом. Снижение плотности электронов на карбонильных группах полипептидного остова становится возможным потому, что АТФ, действуя как акцептор электронов, удерживает белки в состоянии полноразвернутой конформации. Здесь сдвиг электронной плотности приводит к смене селективности этих групп от водородных связей с иминогруппами, в ччастности, в α-спиралях, к водородным связям с водой. В свою очередь, развертывание белковой молекулы и ее взаимодействие с водой приводит к образованию многослойных структур из поляризованных и ориентированных молекул воды в возрастающем масштабе, вплоть до масштаба, в конечном счете, целой клетки (преодолеть связи таких масштабов - та еще задачка). Правило размера тут приводит к тому, что концентратия гидратированных молекул и ионов в клеточной воде ниже, чем во внешней среде...

Nur · марта 22, 2015, 10:02:41

Ох, мой пост писался в момент, когда Вы отправляли свое сообщение... Прошу прощения за медлительность, а то со стороны разнобой во мнениях может показаться...

Дж. Тайсаев · марта 22, 2015, 10:07:20

Vladimir Matveev Наверное Вы всё таки имели в виду не электронное облако белковой молекулы, белок их имеет столько, что в нормальном городе столько жителей не будет, а внешнее электронное облако активного центра белка, на основе донорно-акцепторной или ионной связи. Я уже плохо помню, но кажется там калий-натриевая разность потенциалов работает без активного участия белков на границах клеточных мембран нейронов. А может какая комплексная калий-натриевая соль? Я не в курсе, просто спрашиваю.

Vladimir Matveev · марта 22, 2015, 11:09:51

ЦитироватьВы всё таки имели в виду не электронное облако белковой молекулы, белок их имеет столько, что в нормальном городе столько жителей не будет, а внешнее электронное облако активного центра белка

В репликах, которыми мы обмениваемся с уважаемым Nur, имеются ввиду белки с развернутой конформацией. В таком состоянии белки не имеют вторичных, а тем более третичных, структур. По этой причине, речи про активные центры быть не может. Речь идет о центрах связывания катионов - свободными карбоксильными группами остатков дикарбоновых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой). Что касается электронных облаков (http://chem21.info/info/1118090/), то важны не их размеры, а свойства. Главное их свойство - чувствительность к внешним воздействиям или химическим модификациям (вспомните, например, ряд хлорпроизводных уксусной кислоты).

На остальные Ваши вопросы Вы найдете, возможно, ответы в этой лекции: https://youtu.be/KcPG5g1P32o

Vladimir Matveev · марта 22, 2015, 11:17:17

ЦитироватьПочему это происходит... Просто АТФ поддерживает указанные карбоксильные группы белков в состоянии, когда они способны селективно связыватт К+ в присутствии Na+. Достигается такое благодаря способности АТФ снижать плотность электронов в пределах указанных групп в масштабе макромолекулы белка и всей клетки в целом.

Да, Nur, это механизм аккумуляции клеткой ионов калия, основанного на явлении адсорбции. Только адсорбцией можно объяснить способность микросфер Фокса удерживать калий в среде с преобладанием натрия.

Vladimir Matveev · марта 23, 2015, 10:43:08

Мне кажется, было бы полезно придумать новый термин, который обозначал бы образование, состоящее из белка в развернутой конформации, воды и К+, адсорбированного на его молекулярной поверхности - ионо-водо-белковый комплекс.

Опубликованный вариант: "физиологический атом". Недостатки этого понятия: (1) два слова (одно - удобнее в употреблении); (2) "атом" в физиологическом контексте звучит странно.

Предлагаю вариант: фазосома (фаза + тело). Тело, фазовое состояние которого отличается от фазового состояния окружающей среды.

Есть другие предложения?

Nur · марта 23, 2015, 11:01:14

Уважаемый Владимир Васильевич, добрый день!

Извините, пожалуйста, мне пришлось отвлечься по личным причинам. К тому же, смею предположить, что наша тема, похоже, начинает приобретать окраску популяризации сведений о свойствах клеточных мембран, поэтому, если Вы не возражаете, добавлю, для ликбеза (на форум, вполне возможно, заглядывают и небиологи и не физики), данные о точке зрения биохимиков, таких, как например уважаемый А. А. Болдырев. Вместе с ними, полагаю, будет интересно расширить представление о физических аспектах вопроса. Кроме того, попробую внести замечания, которые внесут какую-то ясность в отношении некоторых тезисов, которые я делал ранее.
Обязательно присоединюсь к обсуждению предложенного Вами термина...

С почтением,
Nur.

Nur · марта 23, 2015, 11:03:58

Кстати, уважаемый Владимир Васильевич, забегая вперед, можно спросить - разве энергии фосфатной связи достаточно для функционирования насоса... Считается, что перенос фосфатной группы сопровождается выделением большого количества свободной энергии - так ли это на самом деле...

Vladimir Matveev · марта 23, 2015, 11:40:38

Цитироватьзабегая вперед, можно спросить - разве энергии фосфатной связи достаточно для функционирования насоса... Считается, что перенос фосфатной группы сопровождается выделением большого количества свободной энергии - так ли это на самом деле...

Добрый день, Nur!
На протяжении последних десятилетий оценка энергии, заключенной в АТФ, неоднократно изменялась. Но что еще важнее (и печальнее!), никто еще не брался подсчитать, сколько требуется АТФ для всех-всех-всех процессов, в которых она требуется: откачка Na, синтез белка, шапероны и еще множество АТФ-зависимых процессов. Кому известны статьи с полным энергетическим аудитом клетки? Кто провел сравнение дебита с кредитом? Что об этом написал Болдырев, например?

У меня в памяти застряли такие цифры. Натриевая помпа потребляет 30% энергии клетки, а синтез белка - 70%. Спрашивается, на что живут остальные клеточные механизмы?

Nur · марта 24, 2015, 07:20:45

По мнению многих биологов, ионы калия и натрия являются индикаторами повреждения наружной клеточной мембраны. Здесь ионная асимметрия определяется как условие способности клетки реагировать на такое повреждение. Это, похоже, было чрезвычайно важным условием существования протоклеток на ранних этапах биологической эволюции, а впоследствии, стало определять возможность перехода возбудимых клеток (нейронов, например) в возбужденное состояние и наооборот. Сразу стоит заметить, что для создания электрохимического потенциала накопление калия более экономично. Простое объяснение состоит в том, что во внешней среде натрия значительно больше (120 ммоль), чем в саркоплазме (около 10 ммоль). Нетрудно понять следующее: чтобы создать электрохимический потенциал за счет значительного увеличения концентрации натрия внутри клетки, нужно много и накопить его. Трансмембранный потенциал в диапазоне от 90 до 120 мВ требует всего 0,10 (в редких случаях до 0,12) моля калия на 1 л, натрия – в десятки раз больше, если мне не изменяет память, до 3-4 или более, молей на 1 л.
Следует оговориться, что, согласно современным представлениям, работа натрий-калиевого насоса вносит совсем небольшой вклад в создание потенциала покоя. Основная роль здесь принадлежит так называемым калиевым каналам постоянного тока, специфическим белкам (канальцам), канализирующим мембрану и задержанным образом обеспечивающим выпрямляющую проводимость ионов калия по градиенту концентрации (реполяризацию до уровня потенциала покоя). Одновременный транспорт воды и ионов при этом осуществляется с большой скоростью, до 10^8 молекул или ионов в секунду.
Вообще, повышенная экономичность транспорта ионов калия определяет то, что в состоянии покоя электрическая проводимость мембраны возбудимой клетки для K+ в 10 – 15 раз выше, чем для Na+. В такой клетке все натриевые каналы закрыты, а калиевые каналы, наоборот, функционируют в рабочем режиме.