Калиевые пруды и натриевые океаны. Физические свойства протоклеток

[Vladimir Matveev]

Одновременный транспорт воды и ионов  при этом осуществляется с большой скоростью, до 10^8 молекул или ионов в секунду.

До тех пор, пока не будет доказано, что все клеточные "механизмы, потребляющие энергию АТФ", потребляют АТФ именно в тех количествах, в которых клетка способна синтезировать этот носитель энергии, роль АТФ как основного источника энергии не может считаться доказанной. В литературе НЕТ ДЕТАЛЬНОГО расклада энергетики клетки: сколько АТФ-долларов клетка "печатает" в единицу времени и сколько (и на что) эта валюта расходуется в ту же единицу времени.

Антитеза: приписываемые клетке механизмы, нуждающиеся в энергии АТФ, потребляют АТФ (если следовать теории) в гораздо большем количестве, чем клетка способна реально синтезировать. Теоретические потребности не совпадает с реальными возможностями.

[Nur]

Уважаемый Владимир Васильевич, доброго утра!

...так и я примерно о том же, о решающей роли естественной экономии. Мой предыдущий пост вкупе с некоторым сказанным до этого, говорит о том, что в клетке основное количество процессов идет по градиентам, т.е. в направлении, детерминированном физическими условиями... Тут, по моему личному мнению, организация АТФазной помпы - довольно позднее эволюционное приобретение, работающее против электрохимического градиента, а потому предназначенное, скорее, для подключения дополнительных возможностей жизнеобеспечения клетки, если можно так сказать, в "порядке мобилизации"... А те же канальцы - по моему, это наглядный пример действия законов Бернулли для канала с узким сечением потока жидкости, рост динамического давления из-за возрастания скорости.

[Vladimir Matveev]

Minkoff, L., & Damadian, R. (1973). Caloric catastrophe. Biophysical journal, 13(2), 167.
Abstract. Six solutes known to be actively transported by bacteria were studied with the cell in a "minimum energy" state to determine if sufficient energy were available from cellular stores of ATP to supply the energy necessary to run postulated membrane-situated "pumps." Steady-state cellular concentrations of potas-sium, calcium, magnesium, leucine, glycine, and a-methyl glucoside were determined together with tracer fluxes, oxygen consumption, ATP turnover, and the P:O ratio. From these measurements, it was calculated that the energy supply, 4.20 cal/340 min-g dry wt, fell far short of the energy necessary (28.28 cal/340 min-g dry wt), by classical membrane theory, to operate "pumps."

Доброе утро, Nur! Вот нашлась работа (приложена), в которой показано, что, исходя из теории, бактериальной клетке требуется в 6.7 раза больше энергии, чем клетка реально вырабатывает (28,28/4,2). Значит, либо теория построена на ошибочных основаниях, либо энергетический обмен клетки недооценен. За истекшие годы статью процитировали 52 раза.

[Nur]

Очень интересно, Владимир Васильевич, большое спасибо! Сейчас скачаю ее в свой архив...

[Питер]

Nur,    для  полноты  картинки  добавьте  в  свой  архив   вот  это.   Ну  и все  ссылочки в  этой  статье  гляньте -  они все   есть в   открытом  доступе.

[Vladimir Matveev]

для  полноты  картинки  добавьте  в  свой  архив   вот  это.   Ну  и все  ссылочки в  этой  статье  гляньте -  они все   есть в   открытом  доступе.

Похоже, я один глянул на цитированную литературу, приведенную в статье Essig, A. (1975). Caloric Catastrophe Reconsidered. Biophysical journal, 15(5), 501.
Минкоф и Дамадиан в своем ответе на критику (Minkoff, L., & Damadian, R. (1974). Reply to letters on" caloric catastrophe": Inadequacy of the energy available from ATP for membrane transport. Biophysical journal, 14(1), 69.) (источник [4]) у Essig'a) рассмотрели замечания критиков, привели контраргументы и пришли к следующему заключению: "We conclude, therefore, as we began. Membrane models of solute transport dependent on the hydrolysis of ATP for energy are thermodynamically untenable. Transport reactions dependent on ATPase's for the release of energy from the terminal phosphate bond of ATP do not comply with the Laws of Energy Conservation." (Статью прилагаю). Таким образом, речь идет об обычной научной дискуссии, а не о сообщении ТАСС, срывающим последние покровы с преступлений империализма. Источники из того же письма Essig'a [5-7] - это ничто иное как обмен репликами в форме писем в редакцию. Не письма надо писать, а ставить независимые эксперименты. Ждем-с...

Интересный обзор тех лет, в котором затрагивается "энергетическая катастрофа": Hazlewood, C. F. (1975). A Role for Water in the Exclusion of Cellular Sodium—Is a Sodium Pump Needed?. Cardiovascular diseases, 2(1), 83. (Приложена).

[Питер]

Я-то  тоже  глянул    -   и  никак  не  могу  не  согласиться с  не состоятельностью  критики. А    то  что авторы  остались "при  своих"  - это  норма.   А  насчет  экспериментов  -  это верно,   ставьте ... Почему-то  даже   Minkoff   от  этой  темы  ушел.

[Vladimir Matveev]

Почему-то  даже   Minkoff   от  этой  темы  ушел.

Денег не дали, вот и ушел. Всё и так ясно, зачем платить?

[василий андреевич]

Вот элементарная задачка, подобную уже давал на этом форуме давным-давно.
  По какой наклонной кривой шарик быстрее скатится к потенциальному минимуму? Отвечаю, по нижнему. Это и есть возможная аналогия естественности удержания К+, который следует по "нижней" дорожке, тогда как верхняя для натрия. И это характерно именно для адсобционнго "многослойника".

[василий андреевич]

  Теперь чуть назад, к адсорбции. Раз уж договорились, что образование системы вода-белок ведет к понижению энтропии, то это значит, что функционирование его обязательно связано либо с повышением энтропии среды, либо с понижением потенциальной энергии по отношению к среде, либо со скрытым от нас механизмом повышения энтропии системы за счет увеличения количества структур фазосомы. Предпочтительнее, что бы сработали все три "либо". Именно в таком разрезе можно уверенно говорить о Естественности процесса.
  Остановлюсь только на "количестве" структур фазосомы, в связи с избирательностью калия. И тут такое дело дополняется, что, скорее всего, нельзя ограничиваться молекулой воды, как диполем. Это пирамидка с электроотрицательным кислородным пиком и положительным водородным основанием. Пики для катионов, основания - не для аниона хлора.
  Калий, образующий менее стойкие соединения, оказывается "быстрее" натрия в "нужном месте в нужное время". Но именно натрий, выталкиваемый из адсорбционного слоя организует для калия "потенциальную нишу" в фазосоме, как бы препятствуя исходу калия. (математику не сложно разработать)
  И эти рассуждения обходятся без привлечения эффекта полупроницаемой мембраны. Наоборот, мембрана формируется таким образом, что бы способствовать "естественному эффекту", более того, появляется возможность заработать "энергетические баксы", раскрывая поры для обмена катионами со средой. Раскрытие пор и есть работа "нервного" импульса, пробегающего как потенциал действия. А вот о его природе еще необходимо "посудачить". То, что я называл ионистром по отношению к протоклетке, есть не конденсатор для электронов в прямом смысле, а система изменяемых емкостей для катиона калия. Потому и пробовал намекать на поперечные фононы, как осцилляторы "нулевых" биений, но активирующихся резонирующими контурами, дабы дать толчок (при адекватном сигнале извне) для "солитонного бега" калиевой емкости.
  Калиевые же емкости - это уже способности белка выставлять в адсобционный слой те или иные (гидро-фобно-фильные) окончания.

  Подозреваю, что уже наговорил с три короба, из которых "валится" очень многое, что обязует меня выдумывать эксперименты в подтверждение-опровержение.

[Vladimir Matveev]

По какой наклонной кривой шарик быстрее скатится к потенциальному минимуму? Отвечаю, по нижнему. Это и есть возможная аналогия естественности удержания К+, который следует по "нижней" дорожке, тогда как верхняя для натрия. И это характерно именно для адсобционного "многослойника".

Это интересный результат, но моя оценка интуитивная – нет подробностей.

Теперь чуть назад, к адсорбции. Раз уж договорились, что образование системы вода-белок ведет к понижению энтропии, то это значит, что функционирование его обязательно связано либо с повышением энтропии среды, либо с понижением потенциальной энергии по отношению к среде, либо со скрытым от нас механизмом повышения энтропии системы за счет увеличения количества структур фазосомы.

Василий Андреевич, с образование адсорбционного слоя воды на молекулярной поверхности развернутого белка растворенные вещества выталкиваются из него в объемную фазу воды. Может ли это перераспределение растворенных частиц увеличивать энтропию объемной фазы (среды)? Второе: коль скоро образование адсорбционного слоя воды идет самопроизвольно, то это и означает падение воды в потенциальную яму, не так ли? Здесь на память приходит дискуссия «Entropy–enthalpy compensation: Fact or artifact?» (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1110/ps.37801/epdf).
Что касается идеи «увеличения количества структур фазосомы», то она представляется спорной. Коль скоро это ФАЗОсома, то все частицы в ней «повязаны» и она представляется единым целым.
Всё, что сказано о воде в какой-то степени относится и к K+. Он тоже адсорбируется на молекулярной поверхности белка, связываясь со свободными карбоксильными группами, в результате чего его подвижность резко ограничивается.
Фазосома – очень удачный термин! Вы украли его у меня по каналам телепатической связи  (этот термин мне тоже пришел в голову дней 10 назад, правда, в английском варианте – phasosome). Отличная альтернатива пресловутой липосоме!

Теперь еще раз о Минкофе. Вера в то, что исследования энергетического баланса клетки (или хотя бы ее «натриевого насоса») ЛИЧНОЕ дело Минкофа или кого-то еще – это, конечно, наивность. Энергетика клетки - принципиальный, фундаментальный вопрос клеточной физиологии. Это понятно всем серьезным исследователям и потому я убежден, что дело Минкофа не ограничилось подметными письмами. Серьезные попытки опровергнуть выводы Минкофа наверняка были, но они не удались. Воцарилось молчание в надежде, что когда-нибудь в будущем, Минкофа всё-таки удастся опровергнуть. 
Не лучше обстоят дела с макроэргической связью АТФ. Нетрудно задаться вопросом: а как именно выделятся энергия АТФ и как она утилизируется биологическими структурами? На этот счет нет не то что ДЕТАЛЬНОГО описания, нет вообще никакого описания! Энергию, заключенную в АТФ, измеряют в калориметрах. Значит ли это, что энергия АТФ освобождается в виде кинетической энергии (тепло – это движение частиц)? Как это может выглядеть? Расщепление АТФ представляют следующим образом: АТФ + H2O — АДФ + H3PO4 + энергия. Предположим, что условия реакции таковы, что и АДФ, и ортофосфорная кислота диссоциированы. Тогда эти частицы будут расталкиваться электростатическим взаимодействием. В этом случае ортофосфорная кислота (как более легкая) со страшной силой отлетит от АДФ и ударившись обо что-то, отдаст свою кинетическую энергию тому препятствию, с которым она столкнулась. А дальше что? Образовавшаяся механическая деформация миозина и/или актина преобразуется в мышечное сокращение? Наивность этой схемы очевидна. Поэтому рассуждения об АТФ обычно заканчивается фразой: выделившаяся энергия используется для биологических целей. Это напоминает мелодрамы, которые всегда заканчиваются свадьбой. Что же происходит с героями после счастливой свадьбы никто не описывает и никого не интересует!

[василий андреевич]

Фазосома – очень удачный термин! Вы украли его у меня по каналам телепатической связи  (этот термин мне тоже пришел в голову дней 10 назад, правда, в английском варианте – phasosome). Отличная альтернатива пресловутой липосоме!

Я поступил много банальней: выписал Ваш термин на листок, что бы употребить для "троичной системы" белок-вода-калий. Тут ведь как корабль назовешь, так он и поплывет. Новый термин должен быть короток, ёмок и исключать многообразие толкований.

Есть термин жить и есть - функционировать. Первый понимают все, но никто не сможет правильно сформулировать. Второй более лаконичен, как соответствие частей целому. Протоклетка не живет, но обязательно функционирует без нарушений физических законов и принципов. А эти принципы так или иначе завязаны на симметрии (сохранности) и изменчивости (дисперсии, рассеянии, повышении энтропии).
  Термодинамика начинается с дихотомии работы и тепла. Работа, условно, олицетворяет порядок, тепло - беспорядок. Температура - это мера "качества" тепла-беспорядка. Обесценивание "качественного" беспорядка с высокой температурой до низкокачественного есть работа(!) среды. И это краеугольный момент - работа среды по созиданию потенциальной энергии условного, но естественного потока. Потенциальная энергия иначе может именоваться структурой, текстурой, фактурой. Например, белок - структура, вода-белок - текстура, вода-белок-калий - фактура.
  Функционировать, значит, встать на пути рассеяния энергоконцентрата в "пустоту", дабы работать над фактуризацией некой протяженности, допустим, протяженности протоклетки. Отсюда вытекает, что фактуризация протекает с обязательным повышением энтропии формации система-среда и уменьшением кинетической энергии потока от концентрата. На деле это выглядит как поглощение порции (высокочастотного кванта), включение порции в структуру протоклетки, активация обменных процессов, и обязательно выброс тепловых (слабо структурированных) отходов в ту среду, которая готова именно эти отходы принять. Полезный результат и есть образование обновленной фазосомы.

  Мы сколь угодно долго можем вслед за Минкиным "молиться" на невероятность процесса абиогенеза, пока не разберемся с энергетикой, вводя понятие изолированной формации система-среда. На примере с обогащением системы калием, повышение энтропии прежде всего связано с рассеянием натрия в среду, как выброс отходов, которые принимает океан. Белок есть рабочее тело, соприкасающееся с калий-натрий-хлорным источником, включающим и тепло (кинетику) океана. Протоклетка вовлекает калий в фактуру фазосомы и выбрасывает хлористый натрий. Протоклетка совершает положительную работу над средой. При этом отрицательная работа среды связана с "заталкиванием" теплого раствора в клетку. Разница работ называется энтальпией. Изменение энтальпии в процессе многократного обмена между средой и системой в составе условно изолированной формации и есть функционирование (термодинамическая жизнь).
  Этальпия протоклетки должна выглядеть, как горбатая экспонента от рождения к становлению и обратно, к смерти и рассеянию-распаду с высвобождением кинетики из структурированного вещества. Но и каждый этап от поглощения к выбросу отходов - это энтальпический взбрык, как бы цикл от рождения к гибели.
  Доказав, что натрий и хлор способны самопроизвольно покидать протоклетку из-за особенностей белковой структры с водным кластером, мы, тем самым, подчеркиваем, что океаническая среда совершает естественную работу по фактуризации протоклетки. Сие, по большому, выглядит, как рассеяние океанической кинетики в разнообразие структур различных протоклеток, которые совершают естественное же движение в потенциальные (природные) ниши. При этом энтропия формации растет!

[Nur]

Уважаемый василий андреевич, доброе утро!
Вопросы. 1) Цитирую; "...Потому и пробовал намекать на поперечные фононы, как осцилляторы "нулевых" биений, но активирующихся резонирующими контурами, дабы дать толчок (при адекватном сигнале извне) для "солитонного бега" калиевой емкости..." (Ответ #189 : Апрель 01, 2015, 01:14:55, четвертый абзац сверху). Значит, фононы могут выступать и в роли ретрансляторов...

[Nur]

Кстати, если быть точным, то, обычно, определяют, что живая бактериальная клетка способна накопить ионы калия в саркоплазме до концентрации 10^-1 моль. При этом его концентрация во внешней среде составляет обычно 10^-4 моль, т.е. в тысячи раз меньше. На производство такой работы, как показывают расчеты, клетка должна затратить энергию, равную почти 803 ккал/моль или около 35 эВ. При учете, что при гидролизе одной молекулы АТФ выделяется примерно 12,5 ккал/моль (около 0,54 эВ), т.е. на 1 акт создания сходного градиента концентрации потребуется осуществить гидролиз 64 молекул АТФ. В которых заключено более 1 952 кДж/моль, что сопоставимо с эффективностью полного окисления 2-х молекул глюкозы в условиях экспериментально установленной потребности клетки в свободной энергии (или до 34% от теоретического максимума в 2 840 кДж/моль в пересчете на 1 молекулу)... (David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger. Principles of biochemistry. Fifth edition. New York: W. H. Freeman and company, 2008.)
А это, как ни крути, примерный выход АТФ от 2-х циклов трикарбоновых кислот.

[Vladimir Matveev]

Мы сколь угодно долго можем вслед за Минкиным "молиться" на невероятность процесса абиогенеза, пока не разберемся с энергетикой, вводя понятие изолированной формации система-среда.

Хотел бы обратить внимание на важное обстоятельство. Адсорбционный слой воды, однажды образовавшись и вытолкнув в окружающую среду Na+, не требует постоянного притока энергии для поддержания образовавшегося натриевого градиента. То есть, в отличие от модели натриевого насоса, фазовый механизм разделения растворенных веществ несопоставимо более экономичен.

Простой пример: в двухфазной системе вода/октанол вещество распределяется согласно степени своей гидрофобности. Концентрация гидрофобного вещества в спиртовой фазе будет выше, чем в воде: http://chem3513-2007.pbworks.com/f/1196800274/11111.png Для поддержания такого концентрационного градиента энергии не требуется.