Квантовые свойства биологических мембран Осипова М.Н. На

Квантовые свойства биологических мембран
Осипова М.Н.
На базе анализа известных экспериментальных данных о свойствах
биологических мембран высказана гипотеза о наличии высокотемпературного
бозе конденсата когерентных квазичастиц в поверхностных слоях липидного бислоя
биологических мембран, что позволяет объяснить многие, широко известные
экспериментальные данные о свойствах и явлениях в липидном бислое и в биологической
мембране.
Показана роль и механизм действия прошивающих белков со спиралевидными
участками из чередующихся аминокислот в биомембране при селективном транспорте,
проведении нервного импульса, в фотосинтезе, делении клетки, вращении жгутиков.
Одной из уникальнейших наноструктур, созданных природой, и которой обязана
своим существованием живая материя, является биологическая мембрана. С помощью
этой пленки толщиной менее 10 нм осуществляются практически все жизненно
важные процессы в клетках – преобразование внешней энергии (световой и
химической) в энергию электрического поля большой (более 105 В/см) напряженности,
организация селективного массообмена, передача информационного и управляющего
сигнала, движение клетки, ее деление и многие другие. И вполне понятно, почему
изучению свойств этой универсальной и жизненно необходимой структуры посвящено
такое огромное количество научных работ во всем мире.
Логично предположить, что биомембрана должна обладать фундаментальным
свойством, благодаря которому возможно осуществление всей совокупности изученных
явлений и, исходя из которого, можно объяснить и взаимоувязать эти явления с единой
позиции.
Биологическая мембрана (БМ) представляет собой пленку, состоящую из двух
симметрично расположенных слоев липидных молекул, гидрофильные головки
которых обращены к примыкающему к ним слою воды, а гидрофобные хвосты
молекул обращены внутрь пленки. Пленка, которую называют липидным бислоем
(ЛБ) или липидным сэндвичем пронизана крупными белками.
Совокупный анализ показал /1/, что по своим структурно-геометрическим,
термодинамическим, электрофизическим свойствам липидный бислой физически
подобен известной когерентной квантовой структуре типа джозефсоновского сэндвича.
А явления, наблюдаемые в биологической мембране, которая представляет собой
липидный бислой, пронизанный прошивающими белками, физически подобны
явлениям, протекающим в когерентной квантовой джозефсоновской структуре с
крупными инородными включениями. Это позволило выдвинуть гипотезу о наличии
когерентности во внешних, связанных с водой слоях липидного бислоя, а
промежуточный слой толщиной около 2 нм и электрическим сопротивлением порядка
105 Ом/см, образованный хвостами липидов с Ван-дер-Ваальсовой связью между собой,
рассматривать как слабую связь.
Какими же свойствами с учетом принятой гипотезы должен обладать липидный
бислой (далее ЛБ) и наблюдаются ли эти свойства при экспериментальных
исследованиях? Следует отметить, что используются хорошо изученные и широко
известные в специализированной литературе экспериментальные данные.
Структурно геометрические свойства ЛБ хорошо изучены. При общей толщине
порядка 6 нм он обладает резкой анизотропией электронной плотности в поперечном
направлении, т.е. внешние слои сэндвича обладают повышенной электронной
плотностью по сравнению с внутренним диэлектрическим слоем толщиной около 2 нм,
обладающим большим электрическим сопротивлением /3/. В многочисленных
экспериментах, связанных с измерением внешних электрических полей вблизи бислоя,
наблюдается градиент напряженности по нормали и отсутствие градиента
напряженности вдоль слоя даже в таких протяженных мембранных структурах, как
нервный аксон в состоянии «покоя».
Обязательным свойством джозефсоновских структур является наличие фазового
перехода второго рода, обусловленного «испарением» когерентного конденсата и
переходом когерентного состояния в нормальное /2/. Этот переход фиксируется, как
скачок теплоемкости при температуре перехода. Экспериментальные данные по
исследованию изменения структурных и термодинамических свойств липидных
бислоев /3/ указывают на наличие в них фазового перехода второго рода. Об этом
свидетельствует характерный, относительно маленький, но неизменно фиксируемый
методами дифференциальной калориметрии, скачок теплоемкости в зоне так
называемого «предперехода» (Lβ→ Pβ) в которой не нарушается структура слоя в
целом, в отличие от последующего скачка в зоне (Рβ→Lα) перехода, при котором
наблюдается «плавление» жирнокислотных цепей /3/.
Другим обязательным известным свойством джозефсоновских пленок является их
диамагнетизм. Липидный бислой, как показали измерения А.Н. Шалыгина и К.А.
Кротова, сделанные оригинальным методом магнитного захвата, обладает
диамагнетизмом /4/.
Липидный бислой, если его рассматривать как высокотемпературный
джозефсоновский сэндвич помещенный в электролит, должен быть непроницаем для
парамагнитных частиц, каковыми являются ионы H+, Na+, Ka+, Ca+ и др. В силу
диамагнетизма поверхностных слоев джозефсоновского сэндвича, на частицы,
имеющие собственный магнитный момент, как на магнитный диполь, будет
действовать отталкивающая сила, перпендикулярная поверхности, и вращающий
момент, который приводит диполь к устойчивому положению, когда угол между
направлением магнитного момента и нормалью к поверхности θ= π/2 и θ= 3π/2.
Решение, полученное Фейнманом /5/, показывает, что в этом случае сила отталкивания
будет равна F=3μ2/64πε0с2δ4 (здесь μ – магнитный момент частицы, δ – расстояние
между частицей и поверхностью, с – скорость света, ε – диэлектрическая постоянная).
При наличии нормальной составляющей внешнего электрического поля
напряженностью Е на ион с зарядом q=Ze (здесь Z – валентность иона, e –
элементарный заряд) кроме сил магнитного взаимодействия, будут действовать силы
электростатического взаимодействия Fэ = qЕ. Таким образом, положительные
парамагнитные ионы будут испытывать силу электростатического притяжения к
поверхности слоя и силу магнитного отталкивания, зависящую от величины их
магнитного момента μ. На расстояниях δ, где эти силы будут уравновешены, должны
образоваться как бы вмороженные слои положительных ионов, имеющих степень
свободы лишь в плоскости слоя. Именно так взаимодействуют заряженные ионы с ЛБ.
Непроницаемый для ионов Н+, Na+, Ka+, Ca++, Cl-, и др., ЛБ проницаем для крупных
нейтральных молекул. Это что касается липидного бислоя.
Биологическая мембрана, представляющая собой липидный бислой, пронизанный
различными прошивающими глобулярными белками, в свете принятой гипотезы
может рассматриваться, как когерентная структура с крупными инородными
включениями.
Белки, пронизывающие мембрану, имеют в своей конструкции α-спиральные
участки, которые прошивают сэндвич насквозь. Эти участки являются
фотоактивными – они способны поляризовать плоскую электромагнитную волну в
когерентную круговую с разностью фаз на концах спирали, а в самой спирале
происходит смещение заряда /6/. Кроме того многочисленные эксперименты
показывают, что такие белки и спиралевидные молекулы из чередующихся
аминокислот резко (на несколько порядков) уменьшают электросопротивления ЛБ в
поперечном направлении при их искусственном встраивании в бислой.
Если такую спиралевидную проводящую структуру поместить в
джозефсоновский сэндвич и подать управляющий сигнал (например, от электрического
осциллятора), то между обкладками сэндвича потечет ток и, согласно условиям для
нестационарного эффекта Джозефсона, между поверхностями возникнет разность
потенциалов U=hω/2e.
Хорошо известно, что одним из основных признаков функционирования любой
клетки является наличие на ее мембране мембранной разности потенциалов, причина
возникновения которой не находит объяснений с позиций классической физики. В
свете принятой гипотезы для возникновения мембранной разности потенциалов сквозь
нее должен протекать высокочастотный ток, причем величина разности потенциалов
пропорциональна частоте осциллятора (генератора), создающего этот ток. В качестве
осцилляторов высокочастотного электрического поля в клетках выступают
фотообратимые молекулы, которые, резонансно поглощая электромагнитную волну
(световую либо выделяемую при реакциях окисления), переходят из одного базисного
состояния в другое - в возбужденное состояние. Энергия обратного перехода из
возбужденного состояние в основное индуцирует высокочастотный ток в α-спиральной
части прошивающего белка. Универсальными для большинства клеток такими
осцилляторами являются молекулы АДФ, которые способны хемо- и
фотофосфорилироваться, переходя в высокоэргичную молекулу АТФ, генерирующую
при диссоциации электромагнитную волну, которая и индуцирует смещение зарядов в
α-спиральной части прошивающих белков, именуемых АТФазами. Другими, не менее
важными фотоактивными структурами, содержащими α-спиральную часть,
пронизывающую липидный бислой и присутствующими во многих живых клетках
являются такие как хлорофилл , бактериородопсин, иодопсин и др. Как показывают
спектральные характеристики хлорофилла и бактериородопсина эти белки имеют
несколько фотообратимых базисных состояний с различными частотами
фотопереходов как в области дальнего инфракрасного , так и в области видимого
спектра. В результате многочисленных исследований по измерению мембранной
разности потенциала установлено, что в живой клетке в квазистационарном состоянии
«покоя», когда энергия для жизнедеятельности обеспечивается за счет диссоциации
АТФ, разность потенциалов на мебране составляет около 60 мВ, а в клетках,
содержащих кроме АТФ фотоактивные белки, при освещении разность потенциалов
резко возрастает, достигая 120 – 200 мВ /6/.
Ток, текущий по α-спиральной части создает мембранную разность потенциалов,
равную U=hω/2e и магнитное поле, пронизывающее биомембрану, направленное
нормально к ее поверхности. Появление нормальной составляющей магнитного поля
является управляющим сигналом для движения парамагнитных заряженных частиц
сквозь мембрану.
Одной из характерных особенностей джозефсоновского сэндвича, пронизанного
полостями, образованными, например, крупными инородными включениями является
образование и пиннинг (закрепление) в этих полостях магнитных вихрей.
Mагнитное поле вихря пронизывает сэндвич и содержит в себе квант магнитного
потока Ф0 = 2,07 ∙ 10-15 Вб. В связи с малым поперечным сечением вихря индукция
магнитного поля В одноквантового вихря достигает огромной величины. После срыва
движение вихря происходит с постоянной скоростью Vв от центра пиннинга к центру.
Срыв вихря инициируется подачей на сэндвич транспортного тока либо созданием
температурного градиента /7/. Согласно закону Фарадея движение магнитного потока
создает электрическое поле напряженностью Е=Vв В, т.е. одновременно с магнитным
полем вихря вдоль поверхности движется фронт электрического поля.
Идентичные и возбудимые белковые молекулы, включенные в липидный бислой,
имеют совершенно одинаковую ориентацию и могут рассматриваться как когерентные
экситонные частицы, образующие «структуру в структуре». Не следует понимать
движение вихря, как его непрерывное механическое перемещение вдоль поверхности, а
скорее, как переход возбуждения с одного центра на другой. Вектор магнитного поля
вихря, вектор напряженности электрического поля и вектор скорости его движения,
совпадающего с вектором действия сил Лоренца, взаимно ортогональны. Магнитное
поле вихря пронизывает мембрану насквозь и вектор магнитной индукции направлен
нормально к поверхности мембраны.
Как прямое следствие из принятой гипотезы вытекает, что передача нервного
сигнала происходит в результате образования, срыва и равномерного
бездисипативного движения магнитных вихрей вдоль цилиндрической поверхности
биологической мембраны нерва, сопровождающегося движением продольного
электрического поля.
Вихрь движется вдоль нерва по винтовой с шагом, равным расстоянию между
центрами пиннинга. Возмущение магнитного и электрического поля в центрах
пиннинга, вызванное движением вихря, вызывает в свою очередь движение свободных
ионов – индуцированный ионный ток. Движение ионов направлено на уничтожение
возмущения электромагнитного поля, а именно, они проходят сквозь пору по винтовой
с радиусом R=mv/qB=(mkT)1/2/ qB (здесь m - масса иона, v - скорость иона , q - заряд
иона, B - магнитная индукция, k - постоянная Больцмана, T - температура).
Т.о., за перемещающимся вихрем несется возбужденный им антивихрь,
образованный заряженными ионами, приводящий систему в исходное
квазистационарное состояние. Следовательно, движение ионов сквозь биомемрану в
местах прошивающих белков является не причиной, а следствием прохождения
нервного импульса.
Образовавшееся магнитное поле, пронизывающее мембрану в центре пиннинга
меняется со временем. К тому же, согласно закону Фарадея, если сквозь какой-либо
замкнутый контур пространства проходит меняющийся во времени магнитный поток,
dФ
то в контуре наводится э.д.с. ε(t) =
. Следовательно, если в фиксируемом
dt
замкнутом контуре пространства возникает меняющийся во времени магнитный
поток, то в контуре возникает э.д.с. Т.о., передача нервного сигнала происходит в
результате прохождения по центрам пиннинга, образованными прошивающими
белками, импульса магнитного поля, которое сопровождается индуктивными ионными
токами, проходящими сквозь мембрану и возникновением потенциала, вызванного
изменением магнитного поля. В /9/ приведены результаты одновременной регистрации
магнитного поля и электрического потенциала при прохождении нервного импульса,
полученные Д.Вискво с соавторами (рис.1).
Рис. 1. (из Л /9/)
Одновременная регистрация магнитного поля (сплошные линии) и
электрического потенциала (прерывистые линии) изолированного
нерва лягушки при проксимальном (А) и дистальном (Б) раздражении нерва.
/Д.Вискво и др., 1980/
Как ведут себя свободные заряженные частицы в локально возмущенном
магнитном поле известно. Их индуктивное движение будет направлено через пору по
винтовой, образуя контур со свободными электромагнитными затухающими
колебаниями, при этом мембранный потенциал, магнитное поле и индуктивный ток
через мембрану будут меняться по законам квантовой электродинамики. Т.о.,
локальное изменение магнитного поля и есть то, что называют «воротами» для
поперечного движения заряженных частиц сквозь мембрану в зоне прошивающего
белка и для каждого вида иона эти «ворота» будут открыты до тех пор, пока их радиус
вращения в изменяющемся магнитном поле будет меньше радиуса поры, образованной
прошивающим белком.
Возможно, ли зафиксировать квант магнитного потока измерительными
средствами? Напряженность магнитного поля на расстоянии R от точечного
источника будет равна Ф0/2πR2, т.е., если измерительный прибор находится на
расстоянии 0,2 – 5,0 см от нерва, по которому проходит нервный импульс, то он должен
зарегистрировать импульс магнитного поля напряженностью 80 – 0,12 пТл. Это тот
порядок величин амплитуд магнитных импульсов, который фиксируются различными
авторами при биомагнитных измерениях /10/. При этом отметим, что одновременно с
изменяющимся во времени магнитным полем в точке измерения фисируется и
изменение электрического потенциала. Измерение электрического потенциала,
возникающего в месте изменяющегося во времени магнитного поля, не представляет
трудности, и применяемые приборы по измерению электронеомиограмм,
электрокардиограмм, электроэнцифалограмм, являются практическим
подтверждением передачи нервного импульса прохождением магнитного вихря.
Mагнитные поля, образующиеся при взаимодействии электромагнитных волн с
оптически активными зеркально асимметричными молекулами, играют большую роль
во всех жизненно важных процессах, таких как транспорт заряженных частиц,
обусловленный силами Лоренца, передача нервного импульса, обусловленная
движением магнитного вихря, вращение жгутиков, обусловленное взаимодействием
магнитных полей, индуцированных в оптически активных структурах «ротора» и
«статора», деление клетки, обусловленное взаимодействием индуцированных в
центриолях магнитных полей друг с другом, с диамагнитной клеточной мембраной и с
внутренним содержимым клетки.
Одной из функций биологической мембраны при фотосинтезе является
селективный отбор из внешней среды элементов для синтеза всех внутриклеточных
органелл, основную массу которых составляет углерод и водород. В окружающей среде
эти элементы в свободном состоянии практически отсутствуют, а находятся в
прочносвязанном состоянии с кислородом в виде Н2О и СО2. При солнечном освещении
молекулы воды и растворенных в ней веществ фотоионизируются – появляются ионы
водорода и углерода, которые быстро рекомбинируют, если их мгновенно не удалить из
раствора. Удаление их из раствора внутрь клетки происходит по описанному выше
механизму сквозь прошивающий белок, в α-спиральной части которого индуцируется
магнитное поле.
Кого заинтересовал данный подход, мы можем обсудить его более детально. Кроме
того, α-спиральные молекулы из чередующихся аминокислот по своим
электромагнитным свойствам подобны открытым углеродным хиральным
нанотрубкам, что создает простор для исследований в области применения их в
технологиях по опреснению воды, селективного извлечения из морской воды
различных веществ (включая водорород), как это происходит в клетке.
Мой emil - [email protected]
Литература
1. М.Н. Осипова. Квантовые явления в биомембранах. Биофизика том 48, вып.1,
стр. 139, 2003
2. В.В. Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. М., «Наука», стр.161, 1982
3. Биологические мембраны. Методы. Под ред. Дж.Финдлея и У.Эванза. М.,Мир,
стр.423,1990
4. А.Н. Шалыгин, К.А.Кротов. Магнитный захват одиноких биологических клеток
и модельных агрегатов клеточных мембран. EAY? n/160. вып.7, с. 83
Издательство Московского Университета, стр.163,1985
5. Р.Фейнман. Фейнмановские лекции по физике. Задачи и упражнения с ответами
и решениями. М., Мир, стр.542,1978
6. С.П.Балашов, Ф.Ф.Литвин. Фотохимические превращения бактериородопсина
7. Р.Фейнман. Фейнмановские лекции по физике. Том 3, М., «Мир», стр. 238,1965
8. Р.П.Хюбнер. Структуры магнитных потоков в сврхпроводниках. М.,
«Машиностроение». Стр. 219, 1984
9. Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, А.М. Горбач. Магнитные поля биологических
объектов. М,1987
10. Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения.
Под ред. Б.Б.Шварца и С.Фонера. М., «Мир», стр.256,1980