Loading...

Организмы используют молекулы воды для переноса протонов и получения энергии
Евгений Пелевин / МФТИ

Российские ученые обнаружили необычное поведение молекул воды, связанных с белками, которые обеспечивают живые системы энергией. Оказалось, что вода ведет себя так, будто на нее воздействует постоянное электромагнитное поле величиной в десятки киловольт на сантиметр. Статья опубликована в журнале Physical Review E.

Живые организмы потребляют ресурсы окружающей среды, чтобы вырабатывать энергию для работы своих систем. Для этого они часто заставляют протоны совершать электростатические взаимодействия (сольватировать) с молекулами воды. За последнее десятилетие физики выяснили, что при приложении большого электростатического поля в воде возникают интересные эффекты, напрямую связанные с переносом протонов. При этом интенсивность так называемых трансляционных колебаний, частота которых находится в дальней инфракрасной области спектра, резко возрастает. Одновременно с этим образуется большое количество протонов, сольватированных только одной молекулой воды.

В новом исследовании физики из МФТИ обнаружили аналогичный рост интенсивности трансляционных колебаний в белках, которые отвечают за транспорт электронов и протонов в клетке. Чтобы заставить воду вести себя таким образом, этим белкам не требуется внешнее поле: они могут самостоятельно  «подготовить» воду к активному переносу протонов.

Уже более пятидесяти лет известно, что изменение концентраций протонов по разные стороны биологических мембран играет в клетках огромную роль. В митохондриях поток стремящихся к выравниванию концентрации протонов вращает внутриклеточную «турбину» — ключевой для энергетики живых систем фермент, АТФ-синтетазу. Молекулы АТФ, которые называют «энергетической валютой» клетки, используются практически во всех процессах, необходимых для ее работы. Величина трансмембранного протонного потенциала в живых митохондриях достигает колоссальных значений — 150 милливольт на 5 нанометров толщины мембраны. Хотя о работе этого комплекса известно уже довольно много, то, в каком виде протон перемещается вдоль митохондриальных мембран и внутри АТФ-синтетазы, пока оставалось неясным. Авторы статьи узнали, как это происходит.

«Полученные нами данные в терагерцовом и инфракрасном диапазоне частот говорят о том, что эффективный перенос протонов осуществляется именно в форме катионов гидроксония Н3О+. В случае дальнейшего гидратирования протона с образованием более тяжелого катиона Цунделя H5O2+ мобильность зарядов значительно снижается. По-видимому, живые системы научились использовать эти особенности взаимодействия протонов с водой, выстроили вокруг них свою энергетику», — говорит ведущий автор публикации Зарина Гагкаева.

Результаты исследования позволяют на новом уровне взглянуть на энергетику биологических мембранных процессов. Работа российских ученых помогает лучше понять природу тех онкологических заболеваний и случаев преждевременного старения, которые возникли из-за нарушения в цепях переноса зарядов внутри митохондрий.


Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.