Немного истории

В 1902 году Паули и Рона обнаружили, что добавление нейтральных солей в раствор желатина при 30 °С приводит к его разделению на два слоя (фазы) с четкой границей между ними. В нижнем слое содержание желатина было высоким, в верхнем — низким. В 1929 году Бугенберг-де-Йонг (1893-1977) и Х. Крюйт предложили назвать это явление коацервацией (от лат. acervu — скопление и приставки co — вместе). Фаза, богатая коллоидом, была названа коацерватом. Если в стабилизации структуры коллоида важную роль играют солевые связи между фиксированными анионами и фиксированными катионами коллоида, коацерват называется комплексным.

В прошлом коллоидные химики называли все белки коллоидами. Это наводило на мысль, будто любой белок может образовывать коацерват. Однако это не так. Оказалось, что к коацервации способны лишь белки, которые Бугенберг-де-Йонг назвал линейными белками — такие, как желатин. Большая же часть глобулярных белков в тех условиях, в которых линейные белки образуют коацерваты, кристаллизуется. Это различие очень важно, и о нем следует помнить. Дело в том, что большая часть исследованных природных белков относится к глобулярным белкам. На этом фоне желатин уникален в том отношении, что постоянно находится в линейной или, как называет такие конфигурации Линг, в полноразвернутой конформации. Как возникает такая конформация и каким образом обеспечивается ее стабильность, долгое время было неясно.

Уникальные свойства желатина — ключ к новому пониманию коллоидов

При всей кажущейся «примитивности» и обыденности этого вещества, коллоидные свойства желатина вплоть до недавнего времени оставались необъяснимыми. Вообще, своим названием коллоиды обязаны именно желатину, да и исторически это самый «заслуженный» коллоид. Вне всяких сомнений, несостоятельность определения коллоидов немало способствовала снижению интереса к коллоидной химии и ее невысокой оценке как науки со стороны определенной части научного сообщества.

Уникальные свойства желатина стали поддаваться объяснению после двух событий:

1. Первое — установление своеобразного аминокислотного состава желатина, благодаря которому не менее 56% его полипептидной цепи постоянно находится в полноразвернутой конформации и потому полностью доступно воде. Это объясняется тем, что желатин на 13% состоит из остатков пролина и на 10% — из гидроксипролина, аминокислот, неспособных к образованию б-спиральной или в-складчатой структуры ввиду отсутствия атома водорода у их пирролидинового атома азота. Кроме того, 33% аминокислотных остатков принадлежит глицину — «разрушителю спиралей», а отсутствие в молекуле желатина дисульфидных мостиков (—S—S—), стабилизирующих третичную структуру, — еще одна причина открытости полипептидного остова этого белка воде.
2. Вторым событием стало появление и признание ТМОПВ, объясняющей характерные свойства коллоидов формированием на их основе поляризованной и ориентированной воды.

С учетом сказанного и идей прошлого родилось новое определение коллоидов:

«Коллоид — это кооперативный ансамбль полноразвернутых макромолекул (или их агрегатов) и полярного растворителя (например, воды). Макромолекулы, формирующие коллоидную систему, характеризуются геометрически правильным чередованием диполей (групп NH и СО пептидной связи белков или диполей иной природы) или фиксированных зарядов вдоль полимерной цепи. При растворении такие макромолекулы взаимодействуют с полярным растворителем, ограничивая подвижность его молекул в результате многослойной адсорбции на своей поверхности, правильно расположенные заряды которой ориентируют их в пространстве и поляризуют. Поляризованность (увеличение дипольного момента молекул растворителя) — важнейшая предпосылка для формирования многослойной структуры связанной воды».

Обратите внимание, что, согласно этому определению, коллоидом является экстравертная модель, тогда как интровертная им не является или ее коллоидные свойства выражены слабо. Большинство «нативных», то есть глобулярных белков интровертны, большая часть их полипептидной цепи недоступна воде, поэтому их нельзя отнести к истинным коллоидам.

Проведенное нами разграничение повторяет взгляды Томаса Грэма, заявлявшего, что вещества, образующие кристаллы, — не коллоиды, а кристаллоиды. Вот и в случае белков, оказалось, что нативные глобулярные белки способны формировать кристаллы в тех условиях, в которых линейные или полноразвернутые белки образуют коллоидную систему — коацерваты. В дальнейшем мы увидим, что живые клетки являются коллоидами, тогда как мертвые утрачивают большую часть коллоидных свойств живой протоплазмы.

При этом можно не сомневаться в том, что, несмотря на любые наши усилия, нам вряд ли удастся полностью избавиться от наследия прошлого — череды вопиющих ошибок и закоренелых представлений в этой области — и убедить существующий научный истеблишмент в правильности именно такого определения. Как бы то ни было, оно послужит важной цели — сосредоточит наше внимание на том, что коллоиды — это не только вещество (макромолекулы), но еще и поляризованная вода (или другой полярный растворитель), образующая многослойную структурированную оболочку вокруг этого вещества, несущего определенным образом организованную систему зарядов.

Объяснение феномена коацервации, основанное на ТМОПВ

Коацервация — это расслоение гомогенного водного раствора на две несмешиваемые фазы с четкой границей между ними. Такой раствор непременно должен содержать полноразвернутые цепи макромолекул, к примеру, желатина (но не глобулярных белков), в достаточной концентрации. Как правило, процесс коацервации запускается повышением температуры. Хотя этот вопрос некогда был весьма популярен, до сих пор не существует объяснения, что представляет собой коацерват на самом деле, и почему он вообще образуется. Два взаимоисключающих определения коацерватов, предложенные творцом коллоидной химии и коацервации Бунгенберг-де-Йонгом, опровергнутые его же собственными экспериментами, говорят о том, что этот вопрос далек от решения.

Взглянем на эту застарелую проблему иначе: коацервация — это автокооперативный переход, во время которого одновременно протекает три процесса:

1. Стягивание молекул воды вокруг поверхности полноразвернутой экстравертной молекулы (к примеру, желатина) и их ориентация и поляризация полярными группами макромолекулы (таких, как СО и NH пептидных связей) с образованием многослойной структуры вдоль макромолекулы. Затем отдельные водо-белковые комплексы сливаются в единый ассоциат, в котором все макромолекулы целиком включены в общий водный «кокон».
2. Вытеснение части избыточной воды ассоциата в фазу, бедную экстравертным веществом, в результате оптимизации структуры ассоциата.
3. Формирование поверхности коацервата из линейных макромолекул (со связанной и структурированной водой), ориентированных перпендикулярно поверхности раздела фаз и образующих с такими же соседними макромолекулами непрерывную структурированную водную оболочку вокруг коацервата. Таким образом, формируется граница между богатой экстравертным веществом коацерватной фазой и бедной экстравертным веществом фазой растворителя, молекулы которого по степени упорядоченности не отличается от обычной объемной воды. Таким образом, граница раздела фаз — это граница раздела между двумя состояниями воды.

Причина, по которой процесс коацервации запускается при повышении температуры, состоит в вытеснении наименее поляризованных молекул воды из коацерватной фазы в среду в результате «стремления» поляризованных водных оболочек макромолекул к слиянию между собой, так как энергия взаимодействия поляризованных молекул воды между собой выше, чем «обычных» в силу более прочных водородных связей. В результате прирост энтропии системы коацерват-среда, связанный с выходом молекул воды из конденсированной фазы (так как доля структурированной воды в системе при этом снижается), начинает перевешивать вклад в термодинамику системы процесса слияния структурированных водных оболочек, снижающих энтропию и свободную энергию системы. Этот термодинамически выгодный процесс завершается дополнительным усилением поляризации молекул связанной воды и, как следствие, — утолщением водных слоев в пространстве между макромолекулами. Таким образом, рост энтропии системы в результате перераспределения воды между коацерватом и дисперсионной средой является движущей силой коацервации. В силу автокооперативности этот переход подчиняется правилу «все или ничего». Увы, точное количественное описание феномена трехмерного кооперативного перехода (частным случаем которого является коацервация) — одна из труднейших задач теоретической физики, которая все еще ждет своего решения.

Ранее мы назвали NP-NP-системой двухмерную сеть положительных (Р) и отрицательных (N) центров, расположенных в шахматном порядке (элементарная NP-NP-система — две параллельно расположенные полноразвернутые макромолекулы). Две параллельные NP-NP-системы образуют элементарную трехмерную NP-NP-NP-систему. Предположим, что коацерват представляет собой систему NP-NP-NP, где имеется несколько параллельных полимерных цепей или несколько параллельных друг другу плоскостей. Введем обозначения: то, что раньше выглядело как система NP-NP, будет выглядеть как (NP)². Цепи желатина в коацервате, таким образом, будут обозначаться (NP-NP-NP)ⁿ, где индекс n соответствует некоторому среднему количеству цепей, объединенных общей водной оболочкой, идущих параллельно друг другу и сгруппированных вокруг общей оси симметрии. Коацерват на основе поливинилметилового эфира ([—СН₂СН(OСН₃)—]_n), содержащий вместо Р-центров незаряженные группы (О-центры), следует обозначить так: (NO-NO-NO)ⁿ; это значит, что коацерват образован на основе полимера, который представляет собой череду отрицательно заряженных атомов (в данном случае — кислорода), перемежающихся с нейтральными группами.

Представленная выше модель коацервации является ключом к пониманию ряда явлений.

1. Во-первых, она дает объяснение резкой очерченности границы коацервата, а значит, и его способности не смешиваться с окружающей обычной водой. До сих пор никому не удавалось предложить молекулярного механизма этой несмешиваемости.
2. Во-вторых, модель объясняет, почему только полноразвернутые белковые цепи (или линейные белки, как их называл Бунгенберг-де-Йонг), могут образовывать коацерваты: согласно ТМОПВ, получившей всесторонние убедительные подтверждения, лишь полноразвернутые белковые цепи могут связывать воду в форме многослойной структуры поляризованных молекул, объем которой может быть значительным.
3. В-третьих, она отвечает на вопрос, почему протоплазма из поврежденных клеток — от инфузории Дюжардена до клеток Bryopsis Лепешкина — не смешивается с водой: она просто представляет собой коацерват, что давно подозревал и Лепешкин, и другие ученые, хотя они и не предложили этому физико-химического объяснения.

Читатель, вероятно, еще помнит, что электронно-микроскопические исследования с радиоактивной меткой позволили установить неспособность к регенерации мембраны клетками с плотной желеобразной протоплазмой как у мышечных волокон лягушки. Однако эти данные не исключают возможности регенерации мембран клетками с менее вязкой протоплазмой. Теперь, вооружившись новым определением коацервата, продолжим исследовать эту тему.

Регенерация мембран была центральной темой «Осмотических исследований» Пфеффера. Он искренне верил, что протоплазма обладает способностью мгновенно образовывать новую мембрану, как только приходит в соприкосновение с «другим водным раствором». Именно этот аргумент был разящим оружием в руках сторонников мембранной теории в их борьбе с Кайтом, который утверждал, что клетки содержат несмешивающуюся с водой протоплазму. Однако обратимся к интересному наблюдению: в 50%-м растворе поливинилметилового эфира (ПВМЭ) при умеренном повышении температуры (до 34 °С), как и в растворе желатина, возникают коацерваты, но, в отличие от желатина, в раствор ПВМЭ не нужно добавлять соль или гуммиарабик. При охлаждении коацерваты на основе ПВМЭ снова переходят в раствор. Эти опыты доказывают, что первопричина данных изменений лежит не в самом факте контакта субстрата с водным раствором, который «однозначно» запускает процесс формирования «мембраны», а в чем-то другом: ведь полимер контактирует с водой и до, и после перехода в коацерватную фазу.

Как будет показано позже, протоплазма любой клетки в состоянии покоя, согласно ТМОПВ, представляет собой матрикс NP-NP-NP-типа из параллельно ориентированных развернутых белковых цепей и уже в силу этого не способна смешиваться с водой. При таком понимании нет необходимости в особых барьерах, отделяющих клетку от внешней среды. Интересную иллюстрацию этого утверждения мы находим у Лепешкина в его опыте с раздавленными клетками морской водоросли Bryopsis, из которых выделялись капли протоплазмы, способные в гипотоническом растворе образовывать внутри себя вакуоли. Обратите внимание на то, что новая «водостойкая» граница вакуоль/протоплазма образовывалась вовсе не тогда, когда соответствующий участок протоплазмы «соприкасался с другим водным раствором». Никакого «другого раствора» тут не было. Вакуоль возникает в объеме протоплазмы и содержит либо воду, выделившуюся из нее самой (гипотония — фактор повреждающий), либо воду, проникшую из окружающей среды.

Не менее значимо наблюдение Лепешкина, что вакуоли в каплях протоплазмы Bryopsis, возникнув, исчезают при добавлении в гипотонический раствор морской воды для восстановления изотоничности среды. Из этого наблюдения с очевидностью следует, что если мембрана и возникает на поверхности раздела протоплазма/вакуоль, то она обладает фантастической способностью не только с легкостью появляться, но и бесследно исчезать. Вместо того чтобы искать успокоения в несостоятельных утверждениях об удивительных свойствах мембраны, лучше еще раз обратится к простой и понятной модельной системе — раствору ПВМЭ, в котором, как и в протоплазме Bryopsis, запуск коацервации или обратного процесса определяется исключительно активностью воды в протоплазме (ее связанным или свободным состоянием) и чувствительностью этого состояния к физическим условиям среды (температуры, в данном случае), а не формированием такого сложного и стабильного надмолекулярного комплекса, каким учёным-медикам всегда представлялась мембрана.

Несмешиваемость коацервата с водой не означает, что вблизи новой поверхности протоплазмы не происходит вторичной перестройки ее структуры. Как показали выдающиеся опыты Уеды, Инуе и их коллег по Хоккайдскому университету в Японии, образование новых поверхностей в каплях протоплазмы Nitella действительно влечет за собой вторичную перегруппировку. Однако не эта перегруппировка обеспечивает несмешиваемость протоплазмы с водой. Будь протоплазма обычным водным раствором, она бы неизбежно стала растворяться в окружающей воде, особенно при встряхивании, и вместо тысяч мельчайших нерастворимых в воде капелек (которые наблюдал Лепешкин) мы получили бы, в конце концов, протоплазматический бульон.

Итак, не мгновенная регенерация мембраны является причиной устойчивости капель протоплазмы. Протоплазма, как коацерват в силу своей внутренней структуры, а не только структуры поверхности, независимо от своей вязкости, не способна смешиваться с водой — что и предположил в общей форме Феликс Дюжарден, впервые описавший живое желе, выделенное из простейших и названное им саркодой.

Подготовлена с использованием материалов книги Гильберта Линга "Физическая теория живой клетки"