ЭЛЕКТРОДИНАМИКА БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

                     .       

                                                         Е.Т. КУЛИН

                   ЭЛЕКТРОДИНАМИКА БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

                                                        ВВЕДЕНИЕ

                                                                                                                                        Белковые молекулы и их надмолекулярные образования осуществляют в    живой клетке упорядоченное движение молекул, ионов и субклеточных элементов, процесс ее деления, транспорт веществ через плазматическую мембрану, транскрипцию генов, обеспечивают иммунную защиту, катализируют биохимические процессы, создают ионную асимметрию на мембранах и осуществляют ряд других функций, необходимых для жизнедеятельности клетки  (далее биологические функции).                                  

    В монографии экспериментально и теоретически обосновано следующее положение: физической основой биологических функций белковых молекул является совокупность законов и свойств создаваемого ими электрического поля, т.е. их электродинамика, которая присуща белковым молекулам благодаря их естественному электретному состоянию.

    Электретное состояние является фундаментальным электрофизическим свойством вещества твердых и жидкокристаллических диэлектриков и полупроводников, которое проявляется в результате действия на них сильного электрического либо магнитного поля, коронного разряда, гамма-излучения и других поляризующих факторов. Для электретного состояния вещества характерны долговременная (месяцы, годы) генерация сравнительно сильного электростатического поля и термостимулированный ток (ТСТ), т.е. электрический ток, который многократно возрастает при медленном повышении температуры.

   В 1-ой главе монографии описаны исследования, в результате которых были обнаружены и идентифицированы характерные проявления естественного электретного состояния вещества живых и мертвых тканей человека, животных и растений. Проявления электретного состояния в живых тканях зависели от процессов тканевого обмена веществ, что позволило назвать эти проявления биологическим электретным эффектом (биоэлектретный эффект), а его полевой компонент – биоэлектретным полем. В заключительной части главы описан фундаментальный факт: для генерации биоэлектретного поля необходима энергия, которая образуется в результате процессов фосфорилирования - дефосфорилирования полипептидных цепей белковых молекул.

    Во 2-ой главе на ряде примеров показано участие биоэлектретного поля в качестве движущей силы клеточной биомеханики.

    В 3-ей главе изложена ионная теория электретов и разработанная на ее основе ионная теория биоэлектретного эффекта. Суть обеих теорий заключается в следующем. В твердотельных диэлектриках и полупроводниках, а также в связанной воде гидратных оболочек белковых молекул протекают процессы образования анизотропно расположенных ион-молекулярных комплексов, которые, поглощая энергию, диссоциируют с образованием анизотропно расположенных электрически заряженных частиц: анионов, катионов и их пар (квазидиполей). При суперпозиции полей этих частиц создается сильное электростатическое поле – характерное проявление электретного состояния вещества.

    В 4-ой главе на ряде примеров показана роль биоэлектретного поля в качестве силового фактора белковых наномашин.                    

   В 5-ой главе содержится обзор результатов исследований топографии и динамики величин напряженности биоэлектретного поля у практически здоровых людей в состоянии спокойного бодрствования и при психических, эмоциональных и физических напряжениях, а также приведены примеры его использования для медицинской диагностики.

   В заключительной главе рассмотрены перспективные направления изучения проблемы электродинамики белковых молекул в живых системах на разных уровнях их организации.

1.  ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

    В начале 20-х годов минувшего столетия М.Егучи обнаружил, что застывший в сильном электрическом поле расплав карнаубской смолы, канифоли и пчелиного воска приобрел способность длительно (месяцы, годы) генерировать сравнительно сильное электростатическое поле [1,2]. Так был открыт класс физических объектов, которые предсказал О.Хевисайд и назвал электретами по аналогии с названием магниты (магнеты в английском звучании).   

   С момента открытия электретов и по настоящее время в результате исследований, проведенных учеными разных стран, установлено, что электретное состояние может быть образовано в твердотельных и жидкокристаллических диэлектриках и полупроводниках[1] в результате действия на них сильного электрического либо магнитного поля, коронного разряда, гамма-излучения и других поляризующих факторов, т.е. факторов, создающих электрическую поляризацию вещества. [3 – 7]

    К характерным проявлениям электретного состояния вещества относятся долговременная генерация электростатического поля[2] и текущий по градиенту его напряженности весьма слабый электрический ток, который многократно возрастает при повышении температуры. Сила этого тока, называемого термостимулированным током (ТСТ), и величина напряженности поля электрета (далее электретное поле) взаимосвязано изменяются при повышении температуры (Рис.1.1).    Учитыввая, что в диэлектрике основными носителями электричества являются ионы, можно полагать, что ТСТ – это поток ионов, текущей вдоль градиента напряженности электретного поля. Вследствие высокого удельного сопротивления вещества электрета изменение  силы ТСТ  происходит с запаздыванием по  отношению к практически мгновенному изменению напряженности электрического поля, что отражено на графике рисунка 1.1 в виде изменения плотности поверхностного заряда.

   Наряду с указанными характерными проявлениями электретному состоянию вещества присуща анизотропия[3] некоторых свойств, в частности, электрическая анизотропия, т.е. электрическая поляризация, которая проявляется в виде пьезо- и пироэлектрических эффектов. [  8  ]

    В первой половине 60-х годов минувшего столетия в живой растительной ткани, которая не подвергалась действию указанных выше поляризующих факторов, обнаружены свойства, присущие электретному состоянию вещества, т.е. долговременная генерация электростатического поля и ТСТ. Так, в 1962 году с целью определения в воздухе величины напряжения электрического поля колеоптила кукурузы немецкие ученые Грам и Герц применили вольтметр, основанный на электростатической индукции (вольтметр с вибрирующим электродом), и на расстоянии 1–2 мм от поверхности колеоптила обнаружили  электростатическое поле,  величины напряжения которого были в пределах 30 – 65 мВ.  [ 9 ]  Генерация этого поля коррелировала с текущим в колеоптиле постоянным электрическим током  (далее постоянный ток – ПТ). Этот ток – характерное свойство живых тканей человека, животных и растений.  Величина напряжения обнаруженного поля зависела от тканево метаболизма: при введении в питательный раствор исследуемого растения индолуксусной кислоты (ауксина) – стимулятора метаболизма напряженность поля возрастала, а при введении 2,4-динитрофенола --- ингибитора метаболизма на порядок снижалась.        

     Способность живой растительной ткани длительно генерировать электростатическое поле подтверждена в последующих исследованиях ряда ученых [10, 11, 12]. Результаты одного из них отражены на графике рисунка 1.2. На графике видно, что восходящая часть кривой напряжения поля совпадает с периодом начального размножения клеток семян клевера вследствие гидратации их на влажной фильтровальной бумаге, а ее нисходящая часть соответствует увяданию проростков семян вследствие их дегидратации и соответственно снижения в них интенсивности метаболизма.

   Второй компонент электретного эффекта – ТСТ в живой растительной ткани обнаружил в 1964 году Л.А.Сална [13]. Результаты его исследования отражены на графике рисунка 1.3.  В дальнейшем наличие ТСТ у живых растительных тканей подтверждено в исследованиях, проведенных на   проростках озимой пшеницы и листьях толстянки портулаковой [11, 14].

   Таким образом, в 1962 и 1964 годах в живой растительной ткани были обнаружены оба компонента электретного эффекта – долговременное поле и ТСТ, но они не были идентифицированы как отличительные признаки естественного электретного состояния ее вещества.        

   Существование электростатического поля в воздухе вблизи поверхности тела человека известно с начала минувшего столетия, когда были созданы электрометрические вольтметры, позволяющие измерять напряжение электрического поля в воздухе. Происхождение этого поля связывали с трибоэлектрическими зарядами, которые возникают на поверхности кожи человека при трении[4].                                       

   В 1972 году при условии нейтрализации трибоэлектрических зарядов на поверхности тела у практически здоровых людей обнаружено электрическое поле, генерация которого зависела от тканевого обмена веществ. [ 15]  Это поле было идентифицировано как проявление естественного электретного эффекта живых тканей. Учитывая зависимость от тканевого метаболизма, этот эффект назван биологическим электретным эффектом (биоэлектретный эффект), а его полевой компонент – биоэлектретным полем. [15,16]   Биоэлектретные поля в зоне 25 мм от поверхности эпидермиса человека, кролика, крысы, лягушки и листа клена имели средние величины напряженности соответственно 76, 30, 25, 12 и 16 В/м.[16] Величина напряженности биоэлектретного поля человека убывает обратно пропорционально 1-вой степени расстояния [16]. Ее величины у живых тканей человека в 24 раза выше, чем у мертвых [16].  Динамика напряжения поля у практически здоровых людей в состоянии спокойного бодрствования отражена на графике рисунка 1.4.

   При исследовании индивидуальных различий величин напряжения биоэлектретного поля у 6 женщин и 4 мужчин, находящихся в состоянии спокойного бодрствования, выявлено, что величины напряжения поля, измеренные на расстоянии 20 мм от поверхности предплечий, лежат в пределах 46 – 5300 мВ, среднее значение 648 мВ (округленно 0,65 В) [17].           

   Величины напряжения поля человека изменяются пропорционально первой степени расстояния и соответственно в такой же степени эти величины убывают с удалением от источника поля и возрастают с приближением к нему. [16] В соответствии с этой зависимостью при смещении входа вольтметра с расстояния 20 мм на расстояние 1 мм от поверхности тела человека величина напряжения поля возрастает в 20 раз. Как отмечено выше, на расстоянии 20 мм средняя величина напряжения поля предплечья человека составляет 0,65 В. Следовательно, на расстоянии 1 мм от предплечья она имеет значение, равное 13,0 В ( 0,65 В ˣ 20 ), и соответственно его напряженность в зоне 20 мм от поверхности эпидермиса составляет величину порядка 10⁴ В/м.

   Существование долговременного электростатического поля человека, не обусловленного трибоэлектрическими зарядами, подтверждено результатами исследований, которые провел Ю.В.Торнуев [18]. Величины напряжения исследованного им поля достигали значений 1000 мВ на расстоянии 50 мм от поверхности тела человека. (На расстоянии 1 мм это составит 50 В) В последующих исследованиях Ю.В.Торнуев и В.М.Дворников установили, что источником долговременного поля  человека являются клетки базального слоя эпидермиса. [19]

    Исходя из состава и строения эпидермиса человека (рис.2), можно определить величины напряженности биоэлектретного поля в монослое его базальных клеток, основываясь на результатах измерения величин напряжения биоэлектретного поля на поверхности эпидермиса.

    Как отмечено выше, величина напряжения биоэлектретного поля на поверхности эпидермиса человека в среднем имеет значения 13,0 В (см. рис. 2, точка А). Эта величина по направлению к источнику поля, т.е. к монослою базальных клеток эпидермиса возрастает обратно пропорционально 1-ой степени расстояния, т.е. если расстояние между точками А и В равно 150 мкм, а расстояние между точками Б и В равно 15 мкм, то напряжение поля в точке Б будет в 10 раз больше, чем в точке А (150 мкм : 15 мкм = 10). Следовательно, на верхней поверхности монослоя базальных клеток эпидермиса напряжение биоэлектретного поля будет равно 130,0 В, если диэлектрическую проницаемость рогового, блестящего, зернистого, шипового слоя эпидермиса принять равной 1. Нижняя поверхность монослоя базальных клеток в соответствии  с методикой измерений электрического напряжения заземлена, т.е. величина напряжения поля в точке В равна величине напряжения поля Земли, принимаемой за нулевое значение. Учитывая это, напряженность биоэлектретного поля в монослое базальных клеток эпидермиса имеет среднее значение  8,7 ∙ 10⁶В/м.[5]

    Группа ученных Мичиганского университета (США) с помощью нановольтметра размером 30 нм измерила напряженность электрического поля внутри живых клеток и установила, что ее величины достигают значений порядка 10⁷В/м [20]. Следовательно, можно констатировать, что живым клеткам присуща долговременная генерация электростатического поля, напряженность которого внутри клеток достигает величин порядка десятков миллионов вольт на метр,  т.е. им свойственно характерное проявление электретного эффекта.

   Таким образом, можно констатировать, что живым тканям человека, животных и растений присуще естественное электретное состояние.

     В 1973 – 1975 годах опубликованы результаты исследований, которые свидетельствуют о наличии спектров ТСТ в образцах игл дикобразов и рогов быков, которые не подвергались воздействиям, способным вызвать образование электретного состояния вещества [21, 22]. Спектр ТСТ образцов рогов представлен на графике рисунка 3. Этот спектр аналогичен спектру ТСТ дипольного полимерного электрета. ( См. рис.1.1.)

   Авторы этих исследований Е.Менефи, Е.Фукада, Р.Цимерман и С.Маскаренас идентифицировали обнаруженные спектры ТСТ как проявления естественного электретного состояния белка кератин, из которого состоят роговая ткань и иглы дикобраза.

   При рассмотрении спектра ТСТ белка кератина следует обратить внимание на отсутствие ТСТ в интервале температур 20 – 68*С. (См. рис. 3) Из этого факта следует, что для проявления естественного электретного состояния белка необходим определенный уровень тепловой энергии, а именно достаточной величины кванты энергии, которые в необходимом количестве образуются при температуре, выше 68*С. 

    В костной ткани (бедренная кость телят) спектр ТСТ описали в 1974 году А.Либофф и М.Фурст (рис. 1.5.). Как установили эти ученые, обнаруженные им спектры ТСТ, обусловлены белком коллагеном, который составляет 25 –35 % белка, содержащегося в тканях теплокровного организма.  В образцах переживающей костной ткани человека спектр ТСТ описан в работе [23] и отражен на графике рисунка 1.6.

   Результаты описанных выше исследований позволяют констатировать, что естественное электретное состояние присуще как живым, так и мертвым тканям, а субстратом, ответственным за это состояние являются их белковые компоненты.

  Благодаря сравнительно большой электропроводности живых тканях, по градиенту напряжения биоэлектретного поля текут ионные токи, плотность которых составляет величины порядка миллионных долей ампера на квадратный сантиметр. Эти токи в живой ткани обнаружены в середине 19 столетия и известны под названиями: постоянный ток (ПТ), электрический потенциал живых тканей, потенциал градиента основного обмена, омега-потенциал и другими. [24] Сила и направление течения ПТ коррелируют с величиной и знаком напряженности биоэлектретного поля. Об этом свидетельствуют результаты одновременных измерений величин напряжения биоэлектретного поля и силы ПТ в области предплечий, проведенных у практически здоровых людей. [25]  

   Как показано выше, в пространстве между основанием базального слоя  и поверхностью эпидермиса существует градиент напряжения биоэлектретного поля, направленный перпендикулярно к поверхности кожи. Следует отметить, что такое же направление имеет вектор естественной электрической поляризации эпидермиса человека. [26, 27]  

    Эпидермис человека состоит из следующих слоев: слой ороговевших клеток, плотно прилегающих друг к другу, и клеток зернистого, шипового и базального слоев, между которыми существуют щели, заполненные межклеточной жидкостью, содержащей ионы. Эти ионы смещаются вдоль градиента напряжения биоэлектретного поля эпидермиса, т.е. в межклеточной жидкости течет ионный ток. Сила этого тока измерена в эпидермисе морской свинки с помощью метода, суть которого отражена на рисунке 4. В результате проведенных исследований установлено, что сила ионного тока в эпидермисе находится в пределах 1,5–7,2∙10^-6 А/см². [28] Направление его течения перпендикулярно к поверхности эпидермиса, т.е. совпадает с направлением вектора его биоэлектретного поля и вектором естественной электрической поляризации эпидермиса. [29]   

   Как показано выше, Грам и Герц установили, что 2,4-динитрофенол десятикратно снижает величину напряженности биоэлектретного поля растения. Этот ингибитор метаболизма останавливает синтез аденозин-трифосфата (АТФ), что влечет как прекращение фосфорилирования белка, так и прекращение генерации биоэлектретного поля. Генерация биоэлектретного поля прекращается также вследствие остановки кровообращения в тканях человека и животных, так как при этом прекращается приток в ткани кислорода. В отсутствие кислорода прекращается окислительное фосфорилирование, в результате которого синтезируется АТФ. Вследствие этого прекращается фосфорилирование белковых молекул и генерация ими биоэлектретного поля. Наряду с фосфорилированием в белковых молекулах протекает процесс дефосфорилирования, в результате которого восстанавливается их структура и свойства, присущие им до фосфорилирования. Благодаря этому процесс фосфорилирования и соответственно выделение энергии, необходимой для генерации биоэлектретного поля, длиться непрерывно.

    При фосфорилировании белковой молекулы фосфатная группа от АТФ либо гуанозинтрифосфата (ГТФ) переносится на аминокислотный остаток серина, треонина либо тирозина полипептидной цепи молекулы белка. При этом происходит гидролиз АТФ либо ГТФ и выделяется химическая энергия, эквивалентная 40 – 60 кДж/моль. [30]    Благодаря этому, как отмечено выше, проявляется естественное электретное состояние белковых молекул в виде генерации ими биоэлектретного поля. При этом изменяется конформация белковой молекулы, т.е. смещение соседних атомных групп полипептидной цепи на расстояние нескольких десятых долей нм. [31]  Следовательно, химическая энергия, которая поступает в белковую молекулу вследствие фосфорилирования, преобразуется в энергию генерируемого ею электростатического поля и в изменение ее конформации. Благодаря этому белковые молекулы обретают новое качество – способность осуществлять ряд биологических функций: упорядоченное движение молекул, ионов и надмолекулярных образований во внутриклеточном пространстве, деление клетки, транспорт веществ через её плазматическую мембрану, транскрипцию генов, иммунную защиту, катализацию биохимических процессов, создание ионной асимметрии на мембранах и ряд других функций, необходимых для жизнедеятельности клетки.  

     Фундаментальное значение электретного состояние вещества в познании физико-химической основы биологических процессов предвидели Г.Сесслер и С. Маскаренас. [32.33]  В 70-е годы минувшего столетия С.Маскаренас обосновал актуальность проблемы электретного состояния биополимеров, т.е. белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, и предложил назвать биоэлектретами биополимеры, в которых образовано электретное состояние. [33]  Исходя из результатов собственных исследований и исследований других ученых, он констатировал, что белки: метгемоглобин, пепсин и уреаза при пятиминутном воздействии электрическим полем напряженностью 10⁵В/м переходят в электретное состояние. [34]  При этом они генерируют внешнее электрическое поле, соответствующее плотности поверхностного заряда порядка 10^-7Кл/см². Это весьма высокая напряженность электретного поля. Для сравнения отметим, что плотность поверхностного заряда электрета из полиэтилентерефталата имеет величину порядка 10^-9 Кл/см². (См. рис. 1.1) Принципиально важен факт, который установили С.Маскаренас и соавторы: связанная вода в гидратной оболочке белковых молекул является субстратом, ответственным за их электретное состояние. [ 33]

       Таким образом, естественное электретное состояние присуще веществу живых и мертвых тканей человека, животных и растений. Его молекулярной основой является естественное электретное состояние белковых молекул. В живых тканях электретное состояние белковых молекул проявляется при поглощении ими энергии, которая образуется в процессе фосфорилирования-дефосфорилирования их полипептидных цепей, а в мертвых тканях оно выявляется при их медленном нагревании в виде взаимосвязанных изменений величины напряжения электростатического поля и силы термостимулированного тока (ТСТ). В живых тканях наряду с биоэлектретным полем признаком их естественного электретного состояния является постоянный электрический ток (ПТ), текущий по градиенту напряженности биоэлектретного поля. 

Рисунок 1. График  1.1. Электрет из полиэтилетерафталата: сплошная кривая -- плотность поверхностного заряда, штриховая -- спектр ТСТ;  1.2. Динамика напряжения электростатического поля проростков диплоидного и  тетраплоидного клевера; 1.3. Спектр ТСТ стебля фасоли; 1.4. Динамика  напряжения биоэлектретного поля 2-х человек -- кривые 1, напряжение фонового поля в экранированной комнате -- кривые 2;  1.5. Спектр ТСТ костной ткани телят;   1.6. Спектр ТСТ костной ткани человека.

2.   БИОЭЛЕКТРЕТНОЕ ПОЛЕ – ДВИЖУЩАЯ СИЛА

КЛЕТОЧНОЙ  БИОМЕХАНИКИ

       Жизнедеятельность эукариотической клетки обеспечивают целесообразные движения внутри нее белковых молекул, белковых надмолекулярных образований и субклеточных элементов, процессы избирательного переноса молекул и ионов через ее плазматическую (внешнюю) мембрану, а также процессы сборки-разборки белковых структур. Совокупность этих движений и процессов названы биомеханикой клетки. Согласно современным представлениям движущей силой клеточной биомеханики являются тепловое движение и электростатические взаимодействия между белковыми молекулами и надмолекулярными образованиями. Эти взаимодействия осуществляются посредством электрических полей, которые создают связанные электрические заряды, возникающие в результате  диссоциации ионогенных групп белковых молекул.    

      Наряду с указанными электростатическими взаимодействиями силовым фактором клеточной биомеханики является биоэлектретное поле белковых молекул и надмолекулярных образований, напряженность которого во внутриклеточном пространстве достигает величин порядка 10⁷В/м. (См. 1-ю главу)  Такие величины напряженности  электрического поля достаточны для осуществления направленного движения в цитозоле белковых молекул и надмолекулярных образований. Об этом свидетельствуют излагаемые ниже факты,  доступные наблюдению с помощью светового микроскопа.

       В печеночной клетке теплокровных организмов движутся тысячи митохондрий и транспортных пузырьков, сотни лизосом, эндосом и других субклеточных элементов  с разными скоростями в различных направлениях по разным траекториям, причем они могут двигаться по одной и той же траектории навстречу друг к другу [34, 35]. При этом непрерывно движутся и потоки цитозоля. [36] Остановка внутриклеточного движения означает прекращение жизнедеятельности клетки. Так, остановка вращения хлоропластов в растительной клетке свидетельствует о ее гибели. [36]

Ведущая роль во внутриклеточном движении принадлежит цитоскелету. Цитоскелет эукариотической клетки состоит из белковой трехмерной сети, погруженной в цитозоль, и белковой пластины, расположенной под плазматической мембраной и называемой кортексом клетки. [26] Элементы цитоскелета образованы из линейных надмолекулярных структур: актиновых филаментов (АФ) диаметром 5-7 нм, промежуточных филаментов (ПФ) диаметром 8-12 нм и микротрубочек (МТ) диаметром 22-24 нм. Мономеры этих структур – это соответственно макромолекулы белков актина, кератина и тубулина. Боковые поверхности АФ, ПФ и МТ соединены между собой белковыми трабекулами. Благодаря этому они образуют трехмерную сеть, соединенную с кортексом клетки. Как показано в 1-ой главе, при фосфорилировании полипептидной цепи белковые молекулы, в том числе и белковые молекулы цитоскелета, генерируют сильное электрическое поле (биоэлектретное поле), которому присуще силовое  (пондермоторное) действие.

Пондермоторное действие биоэлектретного поля  фрагмента цитоскелета – фибриллы, состоящей из пучка АФ, отражено на рисунке 4. На  рисунке показано движение белковой микрочастицы (микросомы) в поле фибриллы, которые находятся в цитоплазме, выдавленной из клетки водоросли Nitella flexlis. [36] На рисунке видно, что микросома, совершая броуновское движение, приближается к фибрилле и на расстоянии нескольких микрометров от нее прекращает броуновское движение, затем сближается с фибриллой и скользит вдоль нее. Покинув сферу действия поля фибриллы, микросома возобновляет броуновское движение. Следует отметить, что при этом фибрилла движется в противоположном направлении по отношению к движению микросомы.

 Характер описанного движения микросомы вблизи фибриллы, бесспорно, свидетельствует о наличии их дистанционном силовом взаимодействии. При этом подавление броуновского движения микросомы на некотором расстоянии от фибриллы и возобновление его после удаления микросомы от фибриллы свидетельствует о силовом стабилизирующем действии ее биоэлектретного поля.

Поле пучка АФ способно выпячивать либо втягивать плазматическую мембрану клетки при перпендикулярном положении оси пучка к ее плоскости [26]. При повороте оси пучка параллельно плоскости мембраны действие его поля на мембрану прекращается. Биоэлектретному полю присуща дипольная конфигурация. При такой конфигурации электростатического поля величина его напряженность в продольном направлении значительно больше, чем в поперечном. Вследствие этого при повороте пучка АФ боковой стороной к мембране напряженность его поля меньше и недостаточна для деформации мембраны.

Фрагмент кортекса нейтрофила, состоящий из АФ, движется по поверхности твердой питательной среды в течение дня и более, пока не распадется на отдельные филаменты [26]. Это движение обусловлено взаимодействием биоэлектретного поля фрагмента с поверхностью среды.

Действие биоэлектретного поля конструкций из АФ проявляется на значительном расстоянии в масштабе клетки. Так, на внутренней поверхности кортекса клетки водоросли мужоции вблизи края ее единственного хлоропласта образуется конструкция из АФ в виде бугорков, силовое дистанционное действие которых поворачивает хлоропласт на 90^о, т.е. его край смещается примерно на 45 мкм от бугорков, если учесть диаметр клетки, равный 60 мкм [34].

Наряду с элементами цитоскелета, состоящими из АФ, во внутриклеточном движении участвуют МТ, которые генерируют биоэлектретное поле благодаря гидролизу ГТФ подобно тому, как это описано выше при гидролизе АТФ. Благодаря этому полю фрагменты МТ длиной 1 мкм и менее в течение нескольких часов движутся прямолинейно по поверхности стекла в жидкой питательной среде, содержащей некоторые ферменты и ГТФ [31].

 Прямолинейного движения фрагментов МТ можно объяснить наличием у биоэлектретного поле МТ внутреннего и внешнего компонентов. Внутренний компонент поля находится во внутренней капиллярной полости МТ и в результате взаимодействия его с электрическими диполями молекул воды происходит их движение вдоль продольной составляющей напряжения поля, т.е. происходит явление известное как электроосмос. В результате этого из фрагмента МТ вытекает струя воды и создается реактивная тяга, благодаря которой прямолинейно перемещающая фрагмент МТ.

Очевидно, что внешний компонент биоэлектретного поля МТ способен перемещать вдоль продольной составляющей напряжения поля микрочастицы, как это свойственно продольной составляющей напряженности биоэлектретного поля фибриллы (см. рис.4). Действительно, по поверхности МТ перемещаются моторные белки (кинезин и дионин) благодаря взаимодействию их поля с полем МТ [26].

Биоэлектретное поле элементов цитоскелета выходит за пределы клетки. Об этом свидетельствует процесс разъединения контактирующих клеток, который совершается следующим образом [26].  Вокруг зоны контакта на поверхности клеток образуются микрошипы и ламеллоподии, т.е. выпячивания плазматической мембраны, внутри которых располагаются пучки АФ с осью, направленной перпендикулярно поверхности клетки. Как показано выше, при таком расположении пучков АФ напряженность их поля максимальна в продольном направлении. Эти поля выходят за пределы клеток и в результате их взаимодействия клетки отталкиваются друг от друга и разъединяются.

Биоэлектретное поле одной клетки способно оказывать влияние на расположение субклеточных элементов в другой. Так, биоэлектретное поле цитоскелета одной клетки ориентирует цитоскелет в другой клетке, находящейся от нее на расстоянии до 1 мм [26].

       Силовое действие присущее биоэлектретному полю, существующему в цитоплазме, описали Камия и Аббе еще в середине минувшего столетия [32]. При одновременно измерении гидравлического давления и ПТ в цитоплазме миксомицета, они обнаружили, что вначале изменяется давление, а затем ПТ (рис. 5).

 Такое соотношение времени наступления изменения давления и  ПТ обусловлено тем, что как изменение давления, так и изменения ПТ обусловлены изменением напряженности биоэлектретного поля в цитоплазме. При этом изменения давления происходят благодаря электроосмосу молекул воды в капиллярных пространствах цитоплазмы, а изменение ПТ - благодаря смещению ионов в цитоплазме вдоль градиента напряжения биоэлектретного поля. Движение молекул воды вследствие электроосмоса происходит относительно быстрее, чем движение ионов в цитоплазме, которое происходит относительно медленнее вследствие ее электрического сопротивления.            

Если посредством центрифугирования сместить к внутренней поверхности кортекса живой клетки ядро, эндоплазматический ретикулум, митохондрии, лизосомы и другие субклеточные элементы, то тотчас после прекращения центрифугирования они перемещаются на свои прежние места во внутриклеточном пространстве [32].

 Для такого перемещения необходимо действие силы, направленной по определенным траекториям, ведущим смещенные элементы к их прежним местам расположения. Такой силой могут быть биоэлектретные поля тех элементов клетки, которые сохраняют свое расположение во время центрифугирования. К таким элементам относятся кортекс и цитоскелет.  Они создают во внутриклеточном пространстве биоэлектретное поле, векторы напряженности которого остаются неизменными во время центрифугирования. После прекращения центрифугирования смещенные субклеточные элементы движутся вдоль этих векторов и останавливаются в местах их стационарного расположения. Следовательно, во внутриклеточном пространстве существует определенная структура (архитектоника) напряженностей биоэлектретных полей, благодаря которой подвижные субклеточные элементы занимают стационарное расположение и совершают направленные движения.

Наряду с поступательным движением субклеточные элементы совершают в цитоплазме вращательные движения, а сама цитоплазма в клетках некоторых водорослей движется вдоль  плазматической мембраны, периодически изменяя направление движения. \     \  Замкнутая в кольцо фибрилла вращается в цитоплазме водоросли Nitеlla flexlis. \      \  В клетках листьев растений вращаются хлоропласты.  \      \

В электростатическом поле вращаются диэлектрические шары и эллипсоиды. Это явление известно как эффект Герца-Квинке-Сумото. Возможно, что вращение в цитоплазме замкнутых в кольцо фибрилл и хлоропластов  является аналогом этого эффекта.

Таким образом, приведенные факты позволяют заключить, что биоэлектретное поле, создаваемое белковыми структурами, является движущей силой клеточной биомеханики. Для познания физической основы  биоэлектретного эффекта, механизма генерации биоэлектретного поля, системы управления клеточной биомеханикой и ее роли в белковых наномашинах и наномеханизмах необходима теория биоэлектретного эффекта. Такая теория может быть разработана на основе теории электретного состояния вещества, в частности, на основе ионной теории электретов. Этой проблеме посвящается следующая глава.

3.  БИОЭЛЕКТРЕТНЫЙ ЭФФЕКТ В АСПЕКТЕ ИОННОЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРЕТОВ

      

     Молекулярным субстратом биоэлектретного эффекта является естественное электретное состояние связанной воды в гидратной оболочке белковых молекул. (См. 1-ую главу)  Связанная вода – это твердотельный полупроводник, и его электретное состояние можно объяснить, основываясь на теории электретов, в частности, на ионной теории электретов. В связи с этим ниже излагается эта теория и ее модификация, т.е. ионная теория биоэлектретного эффекта, позволяющая объяснить естественное  электретное биологических тканей.         

                            

3.1.   ИОННАЯ  ТЕОРИЯ  ЭЛЕКТРЕТОВ

3.1.1.   Источник поля электретов – совокупность

анизотропно расположенных ионов

Характерное  проявление электретного состояния вещества – это долговременная генерация сравнительно сильного электростатического поля, точнее квазиэлектростатического поля (далее электретное поле).  Электростатические поля образуются вследствие суперпозиции электрических полей, создаваемых электрическими зарядами, носителями которых в твердых диэлектриках являются ионы, ион-молекулярные комплексы (ИМ- комплексы) и полярные молекулы. В твердотельном веществе ионы образуются из его молекул и атомов в результате ионизирующего действия проникающей радиации околоземного радиационного фона, сильного электрического поля, высокой температуры и флуктуаций любых видов энергии, величина которых достаточна для выброса  электронов из  электронных оболочек молекул и атомов. \     \ 

Указанные носители электрических зарядов содержатся в структуре   твердых диэлектриков и остаются в ней после перехода их в электретное состояние. При суперпозиции электрических полей этих носителей вклад их полей в интегральное поле зависит от количества электричества, которое в них содержится, и от их количества в единице объема вещества.

Количество электричества, которое содержится в однозарядном ионе, т.е. в молекуле, которая потеряла либо приобрела электрон, соответствует количеству электричества, содержащегося в элементарном электрическом заряде, т.е. 1,6∙10^-19 Кл.

Количество электричества, за счет которого создается электрическое поле полярной молекулы, отражает величина ее электрического дипольного момента, измеряемого в дебаях (Д). В одном Д содержится количество электричества, равное 0,33∙10^-29 Кл∙м.  Величины дипольных моментов полярных молекул лежат в пределах от десятых долей до тысяч Д. В частности, большие дипольные моменты присущи белковым молекулам и достигают величин порядка 10³ Д. \   \  Соответственно в белковой молекуле с величиной дипольного момента, равной 10³Д, содержится количество электричества, равное 0,33∙10^-26 Кл∙м, т.е. в 10 миллионов раз меньше, чем в ионе.

  ИМ-комплекс – это ассоциат иона с молекулой. В таком комплекс существует индуцированный электрический диполь, созданный полем иона. Если допустить, что  величина  дипольного момента этого диполя равна 10³ Д, то количество электричества в нем составит величину порядка 0,33∙10^-26Кл∙м.
           Из соотношения величин количества электричества и соответственно такого же соотношения величин напряженности полей ионов, полярных молекул и ИМ-комплексов следует, что величина напряженности электретного поля – это результат суперпозиции полей ионов. Вклад в это поле электрических полей ИМ-комплексов и полярных молекул ничтожен и не будет учитываться при рассмотрении  процессов, в результате которых образуется электретное состояние вещества.

      Молекулы и ионы анизотропны, т.е. величины их свойств, в том числе и электрофизических свойств  существенно различаются в зависимости от направления их главных осей в прямоугольной системе координат.\   \ Вследствие этого величины напряженности интегрального поля, образованного суперпозицией полей ионов, зависят от их взаиморасположения в пространстве. При их хаотическом (изотропном) расположении вследствие суперпозиции их полей создается интегральное поле, напряженность которого мала. Так, например,  в водном растворе электролитов анионы и катионы, т.е. молекулы либо атомы, несущие соответственно отрицательный и положительный заряды,  расположены изотропно. Вследствие этого при суперпозиции их полей образуется интегральное электростатическое поле раствора, величина напряженности которого на расстоянии 2 – 3 мм от его поверхности имеет значения в пределах единиц – десятков В/м. \    \

     Сильное электрическое поле, характерное для электретного состояния вещества,  создается при анизотропном расположении ионов, так как при этом векторы напряженности их полей имеют одинаковое направление в прямоугольной системе координат, и вследствие этого величины напряженностей их полей  суммируются.

     Таким образом, источником поля электретов является совокупность  ионов,  анизотропно расположенных в их структуре.

3.1.2.   Электретообразующие процессы в твердом диэлектрике

В результате действия на твердый диэлектрик поляризующих факторов, указанных в 1-ой главе, в его веществе образуется электрическая поляризация и проявляется  способность генерировать сравнительно  сильное электростатическое поле, т.е. характерное проявление электретного состояния вещества. Величина напряженности этого поля на расстоянии 2 – 3 мм от  поверхности электрета достигает значений порядка 10⁶В/м. Наряду с   электрической поляризацией, т.е. электрической анизотропией электретному состоянию вещества  присущи анизотропия диэлектрической проницаемости, коэффициента преломления видимого света, электропроводности и других свойств. \   \

 Согласно современным представлениям, как  электретное состояние, так и анизотропия  свойств вещества обусловлены переходом части его молекул и ионов из изотропного в анизотропное расположение путем их поворота. \    \

Для поворота молекулы и перехода ее в твердом диэлектрике  е из изотропного в анизотропное расположение необходима энергия, величина которой должна быть достаточной для преодоления стабилизирующего действия сил полей межмолекулярного взаимодействия. \   \  При этом повернувшаяся молекула стабилизируется в новом положении благодаря изменению соотношения  этих сил. Из этого следует, что для  последующих поворотов, например, в изотропное расположение необходима энергия, величина которой сопоставима с величиной энергии, затраченной на предшествующий поворот.   

Наряду с поворотом молекул происходят повороты в анизотропное расположение и ионов. При взаимодействии анизотропно расположенных молекул и ионов образуются анизотропно расположенные  ИМ-комплексы. Величины энергии ассоциативных связей ионов и молекул в таких комплексах лежат в пределах от 0,09 до 1,70 эВ. \     \

ИМ-комплексы образуются как в газообразном, так и твердотельном веществе. \    \ В частности, ИМ-комплексы обнаружены в твердом диэлектрике – парафине, который способен переходить в электретное состояние. \    \

Величины энергии связей ионов и молекул в ИМ-комплексах зависят как от  свойств молекулы, так и от знака электрического заряда иона. Так, например,  в двумерном ИМ-комплексе, состоящем из молекулы водорода и аниона водорода (Н₂· ), энергия ассоциативной связи составляет величину, равную 0,09 эВ, а в комплексе молекула водорода – катион водорода (Н ₂· ) она составляет величину, равную 0,44 эВ. \    \  Такое различие величин энергии связи в этих комплексах можно объяснить тем, что отрицательно заряженный анион посредством электростатического поля отталкивается от отрицательно  заряженной   электронной   оболочки   молекулы и  ослабляет     близкодействующее поле притяжения межмолекулярного взаимодействия. При этом уменьшается энергия связи аниона и молекулы. В комплексе молекула водорода – катион водорода положительно заряженный катион притягивается к отрицательно заряженной электронной оболочке молекулы.  Вследствие этого длина связи  между катионом и молекулой сокращается, а энергия связи между ними возрастает.

Наряду с двумерными ИМ-комплексами в твердом диэлектрике образуются трехмерные комплексы: анион-молекула-катион. Величины энергии связи в таких комплексах больше, чем в двумерных комплексах.  Это обусловлено тем, что в трехмерном комплексе наряду с полями притяжения межмолекулярного взаимодействия действует притяжение электростатического поля между анионом и катионом.

        Поглощая энергию, достаточную для разрыва связи между ионом и молекулой, анизотропно расположенные двумерные ИМ-комплексы диссоциируют с образованием автономных анизотропно расположенных анионов и катионов. При поглощении такой энергии трехмерные комплексы диссоциируют с образованием анизотропно расположенных анион-катионных пар, в которых анион и катион расположены относительно близко друг к другу, но остаются автономными. Далее такие анион-катионные пары будут называться квазидиполями.

Ионы и квазидиполи, которые образуются вследствие диссоциации ИМ-комплексов, попадают в межмолекулярное пространство, а молекулы, входившие в комплексы, сохраняют свое анизотропное  стационарное положение в структуре  диэлектрика благодаря притягивающему действию сильных полей межмолекулярного взаимодействия. Следовательно, в результате диссоциации анизотропно расположенных ИМ-комплексов в структуре твердого диэлектрика создается совокупность анизотропно расположенных ионов и квазидиполей, при суперпозиции полей которых создается сильное электростатическое поле – характерное проявление электретного состояния вещества.

Из описанных процессов следует, что для создания совокупности анизотропно расположенных ионов и квазидиполей необходима совокупность анизотропно расположенных ИМ-комплексов, а для этого необходима совокупность анизотропно расположенных молекул. Как показано выше, такая совокупность молекул образуется благодаря действию поляризующих факторов, которые посредством поворота молекул переводят их в анизотропное расположение. Следовательно, молекулярной основой электретного состояния вещества является совокупность анизотропно расположенных молекул, которые, взаимодействуя с ионами, образуют совокупность анизотропно расположенных ИМ-комплексов. При диссоциации ИМ-комплексов вследствие разрыва ассоциативной связи молекул и ионов  ионы перемещаются в межмолекулярное пространство, а  молекулы сохраняют анизотропное расположение.  Вследствие этого они  могут вновь взаимодействовать с ионами с образованием анизотропно расположенных ИМ-комплексов. Поэтому электретное состояние вещества существует до тех пор, пока существует совокупность анизотропно расположенных молекул.

В межмолекулярном пространстве разноименные ионы, а также анионы и катионы, входящие в состав квазидиполей, взаимодействуют между собой и образуют электрически нейтральные молекулы вследствие перехода электрона от аниона к катиону (рекомбинация ионов). Наряду с этим ионы взаимодействуют со стационарными анизотропно  расположенными молекулами диэлектрика и вследствие этого образуются анизотропно расположенные ИМ-комплексы. Следовательно, наряду с распадом анизотропно расположенных ИМ-комплексов происходит их самопроизвольное образование. Описанные процессы совершаются за время максвелловской релаксации свободных зарядов, которое в диэлектриках длится в течение от сотых долей до десятков секунд.

      Таким образом, в твердом диэлектрике, перешедшим в электретное состояние, самопроизвольно текут процессы образования и диссоциации анизотропно расположенных ИМ-комплексов. При этом вследствие диссоциации комплексов образуется совокупность анизотропно расположенных ионов и квазидиполей, при суперпозиции полей которых создается сравнительно сильное электростатическое поле (электретное поле).

3.1.3.  Время жизни электретов

Время, в течение которого электрет генерирует внешнее электрическое поле,  называют временем его жизни. Из описанных выше процессов образования электретного состояния следует, что генерация электретного поля длится до тех пор,  пока в перешедшем в электретное состояние диэлектрике существует совокупность анизотропно расположенных молекул, образованная поляризующими факторами. Анизотропно расположенные молекулы переходят в изотропное положение при поглощении ими  квантов энергии, величина которых достаточна для их поворота. Такие кванты возникают при энергетических флуктуациях различных видов энергии. Они так же присущи  некоторым видам энергии, например, энергии радиоактивного излучения. При его действии электретное состояние мгновенно исчезает.

Переходы анизотропно расположенных молекул в изотропное положение влечет снижение напряженности электретного поля и в конечном итоге к прекращению его генерации. Однако наряду с описанным процессом в электрете происходит обратный процесс – переход молекул из изотропно расположения в анизотропное вследствие поляризующего действия внутреннего электретного поля, которому присуще высокая напряженность. Следовательно, в электрете одновременно текут процессы как перехода молекул из анизотропного расположения в изотропное, так и обратные процессы. От соотношения интенсивности этих процессов зависит количество анизотропно расположенных молекул в структуре электрета и соответственно величина напряженности его поля и продолжительность времени его  жизни.

Таким образом, согласно ионной теории электретов молекулярной основой электретного состояния вещества является совокупность анизотропно расположенных ИМ-комплексов, которые самопроизвольно образуются вследствие взаимодействия ионов с анизотропно расположенными молекулами. Следовательно, наличие совокупности анизотропно расположенных молекул является необходимым и достаточным условием для образования электретного состояния твердого диэлектрика. Генерации электретного поля  происходит вследствие  диссоциации анизотропно расположенных ИМ- комплексов при поглощении ими квантов энергии, достаточных для разрыва в них связи иона с молекулой. При этом образуется совокупность анизотропно расположенных ионов и их пар, при суперпозиции полей которых создается сильное электрическое поле – характерное проявление электретного состояния вещества.

3.2.  ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

В АСПЕКТЕ ИОННОЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРЕТОВ

Принципиальное значение для познания  физической основы биоэлектретного  эффекта имеет экспериментально установленный факт: субстратом, ответственным за электретное состояние белков, является связанная ими вода. \    \  Эта вода образует гидратную оболочку белковых молекул и наряду с их полипептидной основой участвует в осуществлении ими биологических функций. \    \  Связанная вода – это твердотельный полупроводник. Поэтому ее электретное состояние можно объяснить, основываясь на ионной теории электретов. 

Гидратная оболочка состоит из пласта  адсорбированных и связанных водородными связями неподвижных молекул воды толщиной не более одного нм, а также из жидкокристаллического пласта толщиной 2-3 нм, содержащего подвижные молекулы. \    \   Адсорбционный пласт молекул воды формируется в дипольном  электрическом поле, которое образовано благодаря суперпозиции полей пептидных связей полипептидной цепи (далее поле полипептидной цепи). Дипольные моменты пептидных связей равны 3.4 – 3.5 Д. Полярные молекулы воды в процессе адсорбции на полипептидной цепи ориентируются осями своих электрических диполей вдоль вектора напряженности поля полипептидной цепи и занимают на ней анизотропное расположение. Вследствие этого суммарные дипольные моменты белковых молекул имеют величины от нескольких десятков до тысяч Д.  Следовательно, гидратной оболочке белковых молекул присуща совокупность анизотропно расположенных молекул воды, т.е. молекулярная основа электретного состояния вещества согласно ионной теории электретов.

Особенность электретного состояния гидратной оболочки заключается в том, что в ней преимущественно образуются трехмерные ИМ-комплексы,  состоящие из полярных  молекул воды, ее анионов и катионов (Н₂О^— и Н²О⁺), а также  ионов гидроксила и протона (ОН^--  и Н⁺⁾.  Благодаря этому в этих комплексах существенно различаются величины энергии   ассоциативных связей  молекул и ионов.

         Механизм генерации электретного поля в гидратной оболочке белковых молекул аналогичен механизму генерации поля при электретном состоянии  неорганических веществ, т.е. вследствие  диссоциации анизотропно расположенных ИМ-комплексов с образованием анизотропно расположенных анионов, катионов и их пар.  Различие состоит лишь в том, что ИМ-комплексы в гидратных оболочках  диссоциируют при поглощении квантов как тепловой, так и химической энергии.

        Таким образом, основываясь на ионной теории электретов возможно объяснение естественное электретного состояния связанной воды в гидратной оболочке белковых  молекул и механизм генерации биоэлектретного поля

Наряду с биоэлектретным полем белковой молекуле присуще электростатическое поле двойного электрического слоя, существующего на межфазной границе полипептидной цепи и связанной ею водой. Через эту границ движутся электрические заряды в соответствии с правилом Кёна: в фазу с меньшей диэлектрической проницаемостью (в данном случае полипептидная цепь) смещаются отрицательные заряды и соответственно в фазе с большей диэлектрической проницаемостью (в данном случае вода) образуется избыток положительных зарядов. Благодаря этому в гидратной оболочке белковой молекулы создается двойной электрический слой (ДЭС). На границе раздела адсорбционного и диффузионного пластов ДЭС существует разность электрических потенциалов, называемая дзета-потенциалом. Средняя величина этого потенциала имеет значение  порядка 0,1В. \    \

Изложенная теория биоэлектретного эффекта позволяет объяснить ряд его проявлений. Так, в частности, ослабление и прекращение кровообращения  влечет  уменьшение и прекращение поступления АТФ в белковые молекулы.  В результате этого  уменьшается интенсивность и  прекращается процесс фосфорилирование  полипептидных цепей белковых молекул и соответственно поступление в их гидратную оболочку квантов энергии, необходимых для диссоциации ИМ-комплексов. Вследствие этого снижается напряженность биоэлектретного поля и прекращается его генерации. В следующей главе на ряде примеров показана роль биоэлектретного поля в механизмах белковых наномашин и осуществлении биологических функций белковыми молекулами.     

                                                                         Кулин Евгений Трофимович

                                                                                                  

7 октября 2013 года                       Электронный адрес: E.T.Kulin@gmail.com                                 

Хейворд  США                                                            

---

[1] Далее при упоминании диэлектриков будут подразумеваться и полупроводники.    

[2] Долговременная генерация поля – это такая длительность его  генерации, которая значительно превышает время максвелловской релаксации свободных зарядов.

[3] Анизотропия – зависимость физических свойств тела от направления   по его главным осям в прямоугольной системе координат.        

[4] Трибоэлектрические заряды – это свободные заряды, нейтрализация которых происходит в течение времени максвелловской релаксации свободных зарядов. При заземлении поверхности эпидермиса человека нейтрализация этих зарядов происходит в течение 2 – 3 минут.

[5] E   где      V₁ - напряжение в точке Б,   V₂ - напряжение в точке В, равное нулю, ε - диэлектрическая проницаемость, принятая равной 1 и l – расстояние, равное 15 мкм.