Фонон - квант биологической (клеточной) мембраны (стр. 1 из 4)

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.