Живые организмы научились трансформировать структуру воды в высокопроводящее состояние

Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ обнаружили, что вода в белках, отвечающих за обеспечение живых систем энергией, и вода, на которую воздействуют постоянным электромагнитным полем величиной в десятки киловольт на сантиметр, ведут себя очень похожим образом.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review E. Главный источник энергии Солнца и других звезд во Вселенной — дефект массы, возникающий при слиянии двух протонов. В энергетике живых организмов принципиально важным является слияние протонов с молекулами воды. Речь в последнем случае идет, не о ядерной реакции, а о способности протона, как говорят химики, по-разному сольватироваться водой, то есть электростатически взаимодействовать, в зависимости от условий.

В последнее десятилетие несколько научных групп на Западе и в Бразилии показали, что при приложении большого электростатического поля в воде возникают интересные особенности, напрямую связанные с переносом протонов. Наблюдается резкий рост интенсивности так называемых трансляционных колебаний, частота которых находится в дальнем инфракрасном спектральном диапазоне. Одновременно с этим образуется большое количество протонов, сольватированных только одной молекулой воды.

Руководитель исследования ведущий научный сотрудник МФТИ Константин Мотовилов: «В основе множества открытий лежат неожиданные и по началу необъяснимые корреляции, которые только потом, с появлением развитых научных теорий, обретают глубокую осмысленную связь. В нашей команде мы давно занимаемся свойствами воды в биологических объектах.

Вернувшись на волне новых публикаций коллег о свойствах воды в условиях сильного внешнего поля к своим давно опубликованным данным, мы обнаружили, что аналогичный рост интенсивности трансляционных колебаний наблюдается только в тех белках, которые отвечают за транспорт электронов и протонов. Замечательным является то, что этим белкам для такого структурирования воды не требуется внешнее поле. Им удается каким-то образом подготовить воду к активному переносу протонов без него».

Важнейшая роль изменения концентраций протонов по разные стороны биологических мембран известна уже более полувека. В митохондриях естественное стремление выравнять концентрацию протонов, иными словами уменьшить электрохимический трансмембранный потенциал, заставляет работать ключевой для всей энергетики живых систем фермент — АТФ-синтетазу. Именно АТФ используется практически для всех действий, необходимых для жизни — от синтеза белков, до бега трусцой.

Величина трансмембранного протонного потенциала в живых митохондриях достигает колоссальных значений – 150 милливольт на пять нанометров толщины мембраны. Несмотря на значительные успехи последних лет в понимании структуры белковых комплексов, обеспечивающих генерацию протонного потенциала и его расходование на синтез АТФ, оставалось неясным, в какой именно форме протон перемещается вдоль митохондриальных мембран и внутри АТФ-синтетазы. Ученым лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ удалось ответить на этот вопрос.

«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 Зарина Гагкаева, первый автор исследования, аспирант МФТИ.

Нарушения в работе цепей переноса зарядов в митохондриях лежат в основе множества патологических процессов, приводящих к онкологическим заболеваниям, преждевременному старению тканей, различным миопатиям. Работа ученых из МФТИ помогает на новом фундаментальном уровне взглянуть на энергетику биологических мембранных процессов. Это даёт дополнительный инструмент — знание о нормальном физиологическом состоянии гидратации протонов — для борьбы с митохондриально-обусловленными заболеваниями.