Некоторые аспекты биохимической физики, важные для медицины

Фок М.В.

Некоторые аспекты

биохимической
физики, важные
для медицины

МОСКВА

ФИЗМАТЛИТ ®

УДК 577.3
ББК 28.05
Ф 75

Издание осуществлено при поддержке
Российского фонда фундаментальных
исследований по проекту 07-02-07006д

Ф о к М. В.
Некоторые аспекты биохимической физики, важные для медицины. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 128 с. —
ISBN 978-5-9221-0788-4.

В форме, доступной для широкого круга специалистов в области
биологии и медицины, изложены основы теории регулирования. Описано устройство принципиально нового прибора «КИНОКС», позволяющего исследовать кинетику оксигенации крови; рассмотрены исследованный с его помощью механизм перестройки цитоплазматической
мембраны и роль мембраны в авторегуляции метаболизма клетки.
Приведены некоторые медико-биологические выводы.

ISBN 978-5-9221-0788-4

c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2007

c⃝ М. В. Фок, 2007

Содержание

Введение........................................................................................................................4

Глава 1

ОснОВные.пОнятия,.применяемые..
В.биОхимическОй.физике

1.1..Основные.понятия.молекулярной.физики.........................................................7
1.2..Основные.понятия.теории.регуляции...............................................................28

Глава 2

механизм.пОддержания.гОмеОстаза

2.1..Введение...............................................................................................................34
2.2..стабилизация.одного.параметра........................................................................35
2.3..стабилизация.двух.параметров..........................................................................39
2.4..стабилизация.концентрации.белков.при.кратковременных.флюктуациях...48

Глава 3

прОницаемОсть.цитОплазматическОй.мембраны

3.1..Введение...............................................................................................................65
3.2..мембрана.эритроцита.активно.участвует.в.переносе.кислорода....................66
3.3..кинокс.—.прибор.для.исследования.кинетики.оксигенации
и.деоксигенации.крови.......................................................................................71
3.4..молекулярный.механизм.изменения.проницаемости
цитоплазматической.мембраны.........................................................................85
3.5..Экспериментальное.подтверждение.механизма.изменения.проницаемости.....90
3.6..регуляция.проницаемости.мембраны.эритроцита.in vivo.............................98

Глава 4

медикО-биОлОгические.следстВия.
регуляции.прОницаемОсти.цитОплазматических.мембран

4.1..Взаимодействие.молекул.воды.с.липидами.матрикса.мембраны................. 106
4.2..диагностический.кинокс.................................................................................. 118
4.3..биофизика.гипертонии.и.диагностика............................................................ 120

список.литературы.................................................................................................. 126

Введение

биохимическая.физика.и.медицина.достигли.такого.уровня,.
когда.для.дальнейшего.их.развития.требуются.надежные.количественные.данные..привычные.для.медицины.оценки.типа.«улучшает».или.«ухудшает».явно.недостаточны..например,.что.значит.
выражение.«улучшает.снабжение.кислородом» — увеличивает.или.
уменьшает?.Ведь.вреден.как.недостаток.кислорода,.так.и.избыток..
В.литературе.можно.даже.встретить.утверждение,.будто.к.живым.
организмам.законы.физики.не.применимы..но.все.мы.состоим.
из.атомов,.которые,.большей.частью,.объединены.в.молекулы,..
а.молекулы — в.более.крупные.образования..есть.в.нас,.конечно,.
и.отдельные.атомы.и.ионы..поэтому.физические.законы,.действующие.в.живом.организме,.те.же.самые,.что.и.в.неживой.природе..
разница.не.в.этом,.а.в.свойствах.структур,.где.эти.законы.действуют..при.одной.и.той.же.массе.и.скорости.брошенного.мальчишкой.
камня.результат.броска.зависит.от.того,.попадет.ли.этот.камень..
в.столб.или.в.чью-то.голову,.а.также.и.от.того,.был.ли.это.округлый.
булыжник.или.угловатый.кусок.щебня,.т..е..зависит.от.структуры.
обоих.взаимодействующих.партнеров..В.такой.формулировке.все.
это,. конечно,. прекрасно. знают,. но. почему-то. забывают,. когда.
надо.применять.физические.законы.к.рассмотрению.процессов,.
протекающих.в.живых.клетках.и.тканях..некоторые.даже.ссылаются.на.известного.физика.пригожина,.который.писал,.что.к.
живым.организмам.газовые.законы.не.применимы..но.он.имел.в.
виду.лишь.то,.что.величина,.называемая.парциальным.давлением.растворенного.в.жидкости.газа,.например.кислорода.в.плазме.
крови.(рО2), — вовсе.не.механическое.давление,.а.мера.концентрации.этого.газа.в.растворе..на.стенки.сосуда.этот.«газ».не.давит..
мнение.о.неприменимости.к.организму.законов.физики.связано..
и.с.тем,.что.ткани.организма — сложная.неоднородная.система,.
для.которой.действительно.не.годятся.взятые.из.учебников.простые.
формулы,.относящиеся.к.однородным.средам..многие.не.учитывают.и.того,.что.в.клетках.постоянно.протекают.взаимосвязанные.
биохимические.и.биофизические.процессы.и.невозможно.повлиять.
только.на.один.из.них,.не.затронув.и.другие.процессы..Все.эти.
ошибки.вызваны.тем,.что.авторы.отмахиваются.от.трудных.для.
них.физико-химических.вопросов,.вместо.того.чтобы.постараться.в.них.разобраться..с.этим.связано.и.то,.что.количественные.

Введение


данные, которые все-таки можно найти в литературе как правило, не сопровождаются указанием, в каких опытах и при каких
условиях они были получены. В лучшем случае отмечают «in vivo»
или «in vitro», не сообщая, однако, при какой температуре — комнатной (20 °с) или температуре тела — и при каком атмосферном
давлении — от которого зависит рО2 вдыхаемого воздуха — было
это «in vitro». Все это очень затрудняет применение таких данных
для количественного анализа в том или ином конкретном случае,.
а нередко приводит к противоречиям между данными разных
авторов. Вот пример. Во многих книгах можно найти такие физиологические данные: время обращения крови 45 секунд, т. е. за
час она совершает 80 оборотов, а общее ее количество 5-6 литров;
концентрация гемоглобина в эритроците 6 мм/л, они занимают
около 40 % объема крови; молекула гемоглобина обратимо присоединяет 4 молекулы кислорода. В цикле кровообращения эритроциты оксигенируются в легких почти до 100 %, но отдают тканям
лишь 25 % имеющегося у них кислорода, т. е. по одной молекуле
от каждой молекулы гемоглобина..перемножив эти числа получаем, что за час кровь отдает тканям примерно 1,2.м.кислорода.
но потребление кислорода можно вычислить и по другим данным.
В литературе можно найти утверждение, что человеку требуется
один кубометр воздуха в час, причем в выдыхаемом воздухе содержится 16 % кислорода..известно, что в чистом воздухе содержится 20 % кислорода, отсюда следует, что потребление кислорода составляет 4 % от общего объема вдыхаемого воздуха, или
40 литров в час..при нормальном атмосферном давлении и нуле
градусов.цельсия одна грамм-молекула газа занимает 22,4 л, но
неизвестно, при каких давлении и температуре воздуха был найден
этот кубометр..если предположить, что при 20 °с.и нормальном
давлении, то получится, что потребление кислорода равно 1,66.м.
в час, т. е. на 40 % больше..чему верить?
Всем, конечно, очевидно, что без знания основ молекулярной

физики невозможно разобраться в протекающих в клетках на молекулярном уровне процессах. Однако этого еще недостаточно.
дело в том, что клетки способны регулировать протекающие в
них процессы, сохраняя постоянство своей внутренней среды несмотря на изменение внешних условий..подчеркнем, что внешних
для клетки, а не для всего организма..например, изменение кон-.
центрации кислорода в соприкасающейся с клеткой межклето-.
чной жидкости, чем бы оно ни было вызвано, является для нее
изменением внешних условий..а.организм стремится нарушить
это постоянство, изменяя внутриклеточные процессы таким об
,

,


Введение

разом,.чтобы.они.служили.организму.в.целом..например,.самим.
клеткам.желудка.желудочный.сок.не.нужен,.и.они.избавляются.
от.него,.выпуская.его.в.полость.желудка..а.там.он.нужен.для.переваривания.пищи.и,.значит,.для.обеспечения.поступления.питательных.веществ.во.все.клетки.организма,.в.том.числе.и.в.клетки.
желудка,.но.не.только..многие.болезни.связаны.с.нарушением.
регуляции.внутриклеточных.процессов..для.того.чтобы.во.всем.
этом.разобраться,.необходимо.владеть.хотя.бы.основными.понятиями.теории.регуляции.
В. первой. главе. книги. разъясняются. основные. понятия. как.
молекулярной.физики,.так.и.теории.регуляции..Во.второй.главе.
в.обобщенном.и.упрощенном.виде.проведен.анализ.внутриклеточных.процессов,.обеспечивающих.гомеостаз,.т..е..постоянство.
внутренней.среды.клеток..В.третьей.главе.рассмотренные.в.предыдущих. главах. понятия. применяются. для. описания. молекулярного.механизма.изменения.проницаемости.оболочки.клетки.
(цитоплазматической. мембраны),. влияния. этих. изменений. на.
внутриклеточные.процессы.и.их.воздействия.на.проницаемость.
мембраны..Эта.обратная.связь.играет.большую.роль.в.жизнедеятельности.клеток..В.четвертой.главе.сделаны.некоторые.выводы.
медико-биологического.характера.
я.надеюсь,.что.эта.книга.поможет.читателям.критически.обдумывать. постановку. количественных. опытов,. чтобы. получать.
надежные.количественные.результаты,.а.главное.—.разбираться..
в.молекулярных.механизмах.протекающих.в.организме.процессов.
и.во.взаимосвязях.между.ними,.а.также.делать.хорошо.обоснованные.выводы,.столь.нужные.для.практической.медицины.

Глава 1

Основные понятия, применяемые 

в биохимической физике

1.1. Основные понятия молекулярной физики

Электронная плотность..то.что.атом.состоит.из.ядра.и.электронов,.все,.конечно,.знают..но.далеко.не.все.знают,.что.атомы.не.
имеют.резких.границ,.так.как.электрон — не.точка..его.волновые.
свойства.приводят.к.тому,.что,.строго.говоря,.плотность.электронного.заряда.не.равна.нулю.даже.на.макроскопическом.расстоянии.
от.ядра.атома..Это.означает,.что.ни.атомы,.ни.молекулы.не.имеют.
резких.границ..Электронные.орбиты,.изображения.которых.часто.
встречаются.в.книгах,.это,.в.лучшем.случае,.всего.лишь.траектории.
центра.тяжести.электрона,.а.не.электрона.как.целого.
атомным.диаметром.называют.такое.расстояние.между.ядрами.одинаковых.атомов,.на.котором.между.ними.возникают.силы.
отталкивания,. быстро. возрастающие. при. их. дальнейшем. сближении..но.надо.иметь.в.виду,.что.при.еще.большем.сближении.
может.возникнуть.притяжение,.которое.приведет.к.образованию.
двухатомной.молекулы..Отсутствие.резких.границ.у.атомов.и.молекул.проявляется.и.в.том,.что.их.электронные.оболочки.легко.
деформируются..атом — не.мячик,.а.молекула — не.резиновая.
игрушка..Об.их.форме.и.размерах.можно.говорить.лишь.приближенно..В.жидкости.и.в.твердом.теле.нет.пустот.между.атомами,.
но.в.то.же.время.возможно.диффузионное.перемещение.атомов.
и.даже.молекул.
если.уж.сравнивать.атом.с.мячиком,.то.надо.сказать,.что.он.
похож.на.мячик,.покрытый.пушистым.мехом,.наподобие.меховой.
шапки,.причем.толщина.мехового.слоя.больше.диаметра.самого.
мячика..молекула.же.похожа.на.игрушку,.составленную.из.таких.
мячиков..к.этому.надо.добавить,.что,.в.отличие.от.настоящего.
меха,.волоски.на.этих.«игрушках».непрерывно.шевелятся,.поэтому.
при.сближении.таких.«атомов».они.начинают.взаимодействовать,.
как.только.соприкасаются.их.волоски..Волоски.могут.так.перепутаться,.что.потребуется.некоторое.усилие,.чтобы.отделить.один.
«атом».от.другого..В.такой.игрушечной.«молекуле».волоски.зани


Глава 1. Основные понятия, применяемые в биохимической физике

мают.пространство.между.мячиками,.и.их.сцепление.друг.с.другом.
обеспечивает.прочность.этой.«молекулы»..а.резко.возрастающие.
силы.отталкивания.возникают.лишь.после.того,.как.«атомы».сближаются.настолько,.что.начинают.соприкасаться.сами.мячики.
картина.получилась.яркая,.но.не.надо.верить.ей.безоговорочно..
Она.нужна.только.для.того,.чтобы.лучше.запомнились.необычные.
свойства. электронной. оболочки. атомов. и. молекул.. В. действительности.никаких.волосков.в.ней.нет..Это — сплошная.среда,.
плотность.которой.в.каждой.точке.зависит.как.от.расположения.
ядер.атомов,.так.и.от.того,.находится.ли.молекула.в.основном.
или.в.возбужденном.электронном.состоянии..под.геометрической.
формой.молекулы.обычно.подразумевают.фигуру,.образованную.
самими.«мячиками»,.т..е..такой.поверхностью,.продвижение.за.
которую.вызывает.резко.возрастающие.силы.отталкивания.

Молекула воды..ее.обычно.изображают.как.шарик.(атом.кислорода).с.двумя.отростками.(атомы.водорода),.выходящими.из.
него.под.тупым.углом.друг.к.другу.(рис..1)..подобную.картинку.
можно.найти.во.многих.книгах.(см.,.например,.[1].и.[2])..разница.состоит.лишь.в.форме.этих.отростков..В.тех.же.книгах.можно.
найти.и.измеренную.в.опытах.величину.расстояния.между.ядрами.

Рис. 1..истинная.форма.молекулы.воды:.а.—.общий.вид,.б.и.в.—.разрезы.плоскостями.симметрии,.г.—.данное.в.том.же.масштабе.общепринятое.изображение.
молекулы.воды.[2]..их.различие.по.размерам.и.форме.бросается.в.глаза

а

+

O
H

б

81°

104,5°

4,6 A

0,96 A

H
H

O

+
+


в

г

3,7 A

3,7 A

3,1 A

 
1.1. Основные понятия молекулярной физике 


атомов.кислорода.и.водорода.(оно.чуть.меньше.одного.ангстрема)..Это.позволяет.оценить.объем.такой.фигуры..Он.получается,.
конечно,.разным.для.разных.картинок,.но.всегда.не.превышает.
нескольких. десятых. кубического. ангстрема.. а. с. другой. стороны,.по.массе.молекулы.воды,.числу.молекул.в.грамм-молекуле..
и.плотности.воды.получаем,.что.в.жидкой.воде.на.одну.молекулу.приходится.30.кубических.ангстрем,.т..е..в.сотню.раз.больше...
то.что.объем.молекулы.воды.действительно.таков,.подтверждается.очень.малой.сжимаемостью.жидкой.воды:.чтобы.уменьшить.ее.
объем.всего.на.10.%.требуется.больше.3.000.атмосфер..Это.значит,.
что.молекулы.в.ней.уже.находятся.на.таком.расстоянии.друг.от.
друга,.когда.дальнейшее.их.сближение.вызывает.резко.возрастающие.силы.отталкивания..если.бы.молекулы.воды.имели.такую.
форму,.какую.рисуют.в.книгах,.то.сжать.жидкую.воду.так,.чтобы.
ее.объем.уменьшился.раз.в.десять,.было.бы.очень.легко..В.дей-.
ствительности.даже.о.нескольких.десятках.процентов.речи.быть.не.
может..Ошибка.чудовищная!.и.такую.чепуху.авторы.книг.о.воде.
переписывают.друг.у.друга,.не.удосуживаясь.сделать.приведенную.
выше.простую.оценку!
Отсюда.следует,.что.многие.биохимические.и.биофизические.
явления,.где.участвуют.молекулы.воды,.придется.объяснять.заново..истинная.форма.молекулы.воды.напоминает.пухлый.треугольный.пирожок.(рис..1а)..как.следует.из.несложной.оценки,.ее.
толщина.около.3,1.Å,.длина.4,8.Å.и.ширина.3,7.Å.[3]..такая.форма.
соответствует.и.полученному.в.результате.квантовомеханического.
расчета.распределению.электронной.плотности.[4]..но,.как.уже.
говорилось,.электронная.плотность.отличается.от.нуля.на.любом.
расстоянии. от. атома.. поэтому. неизвестно,. какой. электронной.
плотности.соответствует.та.граница,.начиная.с.которой.возникают.силы.отталкивания..следовательно,.из.такого.расчета.можно.
найти.только.геометрическую.форму.молекулы,.но.не.ее.размеры..
форма.получается.близкой.к.найденной.простейшим.способом,..
а.приведенные.выше.размеры.соответствуют.найденному.из.опыта.объему..таким.образом,.рис..1а.гораздо.ближе.к.действитель-.
ности,.чем.рис..1г.
Одним.из.следствий.ошибки.с.формой.молекул.воды.является.
утверждение,.что.они.образуют.водородные.связи.друг.с.другом..
если.бы.молекулы.воды.были.такими,.как.их.рисуют.на.картинках,.то.атом.водорода.одной.молекулы.мог.бы.подойти.к.атому.
кислорода.другой.молекулы.на.расстояние,.значительно.меньшее.
того,.на.котором.он.находтся.от.его.«собственного».атома.кислорода,. заменив. тем. самым. один. из. атомов. водорода. «чужой».

Глава 1. Основные понятия, применяемые в биохимической физике

молекулы..В.действительности.же.форма.молекулы.такова,.что.
подобное. сближение. невозможно.. Возможность. образования.
водородной.связи.исключает.и.то,.что.молекула.воды.имеет.дипольный.момент.(1,84.д)..как.известно,.водородные.связи.легко.
образуются. между. нейтральными. углеводородными. цепочками..
с.не.полностью.насыщенными.связями..здесь.же.ничего.подобного.нет..если.принять,.что.центры.тяжести.двух.положительных..
и.отрицательного.зарядов.в.молекуле.воды.совпадают.с.положением. ядер. водорода. и. кислорода,. то. получается,. что. кислород.
оттянул.на.себя.по.трети.электронного.облака.от.каждого.атома.
водорода..поэтому.для.обмена.протоном.необходимо,.чтобы.он.
«вылез».из.оставшейся.у.него.части.электронной.оболочки,.а.для.
обмена. нейтральным. атомом. водорода. необходимо,. чтобы. он.
оторвал.от.кислорода.притянутую.им.часть.своего.электрона..Все.
это.показывает,.что.предположение.о.существовании.водородных.
связей. между. молекулами. воды. нельзя. считать. обоснованным..
следовательно,.и.эффекты,.объясняемые.существованием.таких.
связей,.надо.объяснять.как-то.иначе..В.частности,.надо.учитывать,.что.из-за.сравнительно.большого.дипольного.момента.при.
относительно.малых.размерах.молекул.воды.между.ними.должно.
быть.сильное.электростатическое.взаимодействие.

Тепловое движение..В.беспорядочном.тепловом.движении.участвуют.все.частицы,.причем.независимо.от.их.размеров.средняя.
энергия.теплового.движения.у.всех.частиц — от.отдельных.атомов.
до.броуновских.частиц,.состоящих.из.огромного.числа.атомов, —  
одинакова.. Она. зависит. только. от. температуры.. различаются.
лишь.скорости.движения — чем.крупнее.частица,.тем.меньше.ее.
тепловая.скорость..но.у.атомов.и.некрупных.молекул.скорость.
огромна..так,.при.комнатной.температуре.средняя.скорость.молекул.воздуха.около.412.м/с.(почти.1.500.км/час)..Они.мечутся.во.
все.стороны,.сталкиваются.друг.с.другом.и.разлетаются.в.разные.
стороны,.как.бильярдные.шары..с.такой.скоростью.они.стукаются.
и.о.нашу.кожу..мы.этого.не.осознаем,.но.результат.их.действия.
ясно.ощущаем..если,.например,.скорость.их.движения.уменьшится.
всего.на.6.м/с,.то.нам.станет.холодно,.а.если.возрастет.на.6.м/с —  
то.жарко..такое.изменение.средней.скорости.теплового.движения.
молекул.воздуха.соответствует.изменению.его.температуры.примерно.на.7 °с,.т..е..вместо.21 °с.станет.14.или.28 °с..как.видно,.
тепловое.движение.играет.огромную.роль.в.жизнедеятельности.
всех.организмов.
из-за.огромной.скорости.теплового.движения.многие.вызванные. им. явления. происходят. очень. часто.. например,. молекулы.

 
1.1. Основные понятия молекулярной физике 
11

воздуха.движутся.так.быстро,.что.хотя.плотность.воздуха.невелика.и.все.его.молекулы,.вместе.взятые,.занимают.лишь.0,1.%.
общего.объема,.каждая.из.них,.пролетев.некоторое.расстояние.
без.сопротивления,.сталкивается.с.другой.молекулой.примерно.
сотню. миллионов. раз. в. секунду.. конечно,. не. исключено,. что..
в.результате.столкновения.какая-нибудь.молекула.остановится,.но.
через.стомиллионную.долю.секунды,.если.не.раньше,.ее.толкнет.
другая.молекула.и.она.снова.будет.двигаться.с.огромной.скоростью...
такое.же.движение.происходит.и.в.бронхах,.и.в.альвеолах..казалось.
бы,.по.сравнению.с.тепловым.движением,.воздух.в.них.следует.
считать.неподвижным,.и.не.только.в.них,.но.и.в.самом.свирепом.
урагане..но.разрушительное.действие.урагана.вызвано.не.тем,.что.
увеличилась. скорость. хаотического. движения. молекул. воздуха,..
а.тем,.что.все.они.приобрели.дополнительную.скорость.в.одном..
и.том.же.направлении.и.их.движение.стало.частично.направленным..хаотическое.и.направленное.движение.всюду.сопутствуют.
друг.другу,.в.том.числе.и.в.живых.организмах,.но.играют.они.
разную.роль..так,.хотя.скорость.направленного.движения.воздуха.
в.бронхах.в.сотни.тысяч.раз.меньше.скорости.хаотического.движения.его.молекул,.именно.направленное.движение.обеспечивает.
доставку.кислорода.к.альвеолам.при.вдохе.и.удаление.выходящей.
из.них.углекислоты.при.выдохе..хаотическое.же.движение.(диффузия,.о.которой.речь.впереди).помогает.продвижению.кислорода.
по.альвеолам.и.обеспечивает.его.движение.в.ацинусах,.а.также.
движение.по.ним.углекислоты,.направленное.в.противоположную.
сторону.. В. альвеолярных. капиллярах. продвижению. кислорода.
к. эритроцитам. помогает. частично. направленное. движение —  
перемешивание,.вызванное.течением.крови.через.сужения.и.расширения.альвеолярных.капилляров..а.внутри.эритроцитов.опять.
господствует.хаотическое.движение,.диффузия,.которая.и.доставляет.кислород.к.гемоглобину.
В.жидкости.молекулы.тоже.все.время.движутся..причем.средняя.
скорость.их.движения.того.же.порядка.величины,.что.и.в.газе.при.
той.же.температуре..каждая.молекула.то.прижимается.к.одной..
из.соседних.молекул,.то.отодвигается.от.нее.и.прижимается.к.другой.молекуле..иногда.одновременно.сходятся.или.раздвигаются.
несколько.молекул..В.результате.то.здесь,.то.там.возникает.местное.
уплотнение.или.разрежение — флюктуация.плотности..случайно.
изменяется.(флюктуирует).не.только.плотность.жидкости,.но.и.
скорость.движения.ее.молекул,.а.значит.и.их.кинетическая.энергия..
каждая.молекула.жидкости.может.сравнительно.легко.продвинуться.в.одну.сторону.лишь.на.очень.малое.расстояние.—.всего.лишь.на.