УДК 541.13; 576.3

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ НА ФУНКЦИЮ МИТОХОНДРИИ (Гипотеза)

В.И. Прилуцкий

ВНИИИМТ, НПО "Экран", г.Москва

Изложена предположительная концепция электрондонорного действия катодно активированной воды на митохондриальную систему синтеза АТФ.

Электрохимическая активация, католит, анолиит, митохондрия, АТФ, тканевое дыхание.

При физиологических и тем более патологических состояниях насыщение тканей организма кислородом (рО₂), молекулярным водородом и ионами водорода (показатель рН) варьируют в довольно широких пределах. Во внутренних биологических средах постоянно поддерживается электронный статус, определяющий электрондонорные или электронакцепторные свойства биологических жидкостей относительно нормального водородного электрода (НВЭ) в диапазоне значений рН » 6,0 (в эпидермисе, в очагах некробиоза) до 7,8 (кровь при метаболическом алкалозе). Этого достаточно, чтобы при прочих равных условиях вызвать различия окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в тканях и органах порядка ± (50 ё 60) мВ.

Процесс тканевого дыхания существенно зависит от функционального состояния митохондрий. Схема митохондрии с изображением компонент биохимической системы, ответственной за синтез АТФ, представлена на рисунке.

Перепад рН на внутреннем контуре митохондриальной мембраны, имеющем толщину 6 нм, составляет 1,4 ед (с внутренней стороны мембраны рН ниже). То есть расчетный вклад рН в формирование разности ОВП на внутреннем контуре мембраны митохондрии составляет величину порядка 80 мВ, что соответствует напряженности электрического поля порядка 10⁴ В/см. Изменения трансмембранного потенциала при действии электрондонорных или электронакцепторных факторов сопровождаются мощными электроосмотическими процессами с перетоком воды против градиента ОВП или в направлении области более высокого онкотического давления внутри митохондрии (в матриксе) при увеличении гидратации цитоплазмы. Это соответствует способности митохондрий выступать в роли осморегуляторов. В определенной фазе функционального цикла митохондрий вода из цитоплазмы поступает в матрикс. Естественно, что следствия этого процесса должны зависеть от физико-химического состояния воды, в том числе от ее электронного статуса.

Строение митохондрии (схема) 1 - наружный контур оболочки митохондрии; 2 - внутренний контур оболочки митохондрии; 3 - криста (гребни на внутреннем контуре оболочки митохондрии); 4 - ионный канал АТФ-синтетазы

В случае возникновения в цитоплазме вокруг митохондрии сниженных значений ОВП за счет диффузии катодно активированной воды теоретически возможна передача электрондонорных значений ОВП внутрь митохондрии бесконтактным путем по аналогии с бесконтактной активацией (свойство активированного католита индуцировать снижение ОВП в водных средах, отделенных от католита тонкой диэлектрической перегородкой из аморфных материалов).

Транспорт ионов Н⁺ и электронов через мембраны митохондрий подчиняется следующим закономерностям. Электроны от цитоплазматического никотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н, НАД-Н₂) поступают в митохондрию через внешнюю мембрану (внешний контур) при помощи специализированных биохимических механизмов (в частности, с помощью "глицерофосфатной челночной системы"). Далее электроны переносятся на внутреннюю поверхность митохондриальной мембраны. Транспорт протонов к внутренней мембране митохондрий осуществляется белковыми молекулами-переносчиками. Но протоны остаются на внешней стороне внутреннего контура мембраны митохондрии и, таким образом, накапливаются в пространстве между наружным и внешним контуром митохондриальной мембраны, образуя Н⁺-резервуар.

Электроны на внутренней поверхности митохондриальной мембраны при взаимодействии с молекулярным кислородом образуют ион-радикал кислорода по реакции: О₂ + е^- ® (О₂^- )· . В результате внутренняя поверхность внутреннего контура мембраны митохондрии заряжена отрицательно и является электрондонорной относительно матрикса и относительно ее положительно заряженной электронакцепторной наружной поверхности внутреннего контура (то есть со стороны межконтурного Н⁺-резервуара). При этом внешняя цитоплазматическая среда, непосредственно контактирующая с митохондрией, имеет сравнительно высокий рН и является электрондонорной относительно Н⁺-резервуара. Следовательно, система митохондриальной мембраны и окружающих ее жидких сред характеризуется электронной неравновесностью и в этом смысле активирована.

За счет различия знаков зарядов (поляризации) на поверхностях мембраны митохондрии возникает разность потенциалов, провоцирующая транспорт протонов из межмембранного пространства (Н⁺ - резервуар) на внутреннюю поверхность внутреннего контура мембраны, обращенного к матриксу. Мембрана митохондрии оказывает сопротивление переносу протонов. Для преодоления этого сопротивления на внутреннем контуре митохондриальной мембраны необходим трансмембранный градиент ОВП не менее 200 мВ.

Если перепад ОВП на внутреннем контуре мембраны митохондрии превышает 200 мВ, ионы Н⁺ переносятся внутрь митохондрии по ионным каналам фермента АТФ-синтетазы. На внутренней поверхности мембраны митохондрии, обращенной к матриксу, протоны взаимодействуют с кислородом, образуя воду по реакции: 1/2 О₂ + 2Н⁺ ® Н₂О. Энергия транспорта протонов через мембрану митохондрии расходуется для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ по реакции АДФ + Ф ® АТФ, где Ф-фосфорный остаток.

По предположению усиление электрондонорного фона вокруг митохондрии (например, при диффузии католита или при накоплении восстановленных химических соединений) создает эффект внешнего электронного давления и усиливает транспорт электронов внутрь митохондрии по механизму, описанному выше (см. описание "глицерофосфатной челночной системы"). Как известно, морфологическая реакция митохондрий на изменение функционального состояния клетки довольно стериотипна. В частности, при гипоксии (и, следовательно, при уменьшении рО₂ и ОВП в цитоплазме) митохондрии поглощают воду, их матрикс становится более гидрофильным, объем митоходрии может увеличиться в 10 и более раз. Если вода, поступающая внутрь митохондрии (в матрикс) в процессе обычной осморегуляции, содержит микрокластеры катодно активированной (электрондонорной) воды, электроны (точнее электрондонорные факторы катодно активированной воды) будут накапливаются на границе раздела внутренней мембраны и митохондриального матрикса, что увеличивает трансмембранный градиент ОВП и создает потенциальную предпосылку для активации окислительного фосфорилирования. Возможно при этом молекулы электроактивированной воды имеют преимущество перед обычными молекулами воды при их проникновении внутрь митохондрий. Механизм и конечные эффекты подобного воздействия являются многофазными и неоднозначными.

По-видимому, запредельные сдвиги ОВП в области локализации митохондрии в сторону восстановительных (более низких) значений при определенных условиях способны наложить практически полный термодинамический запрет на процессы биологического окисления и тканевого дыхания. В свою очередь усиление электронакцепторных свойств среды вокруг митохондрии должно усиливать подпитывание Н⁺-резервуара электронакцепторными факторами, что также приведет к увеличению градиента ОВП на внутреннем контуре митохондриальной мембраны с последующим усилением аэробной диссимиляции. В случае чрезмерного повышения электронакцепторного фона вокруг митохондрии возможно прямое токсическое действие Н⁺-ионов и перекисных радикалов на дыхательные ферменты и угнетение тканевого дыхания (неферментное окисление биологического субстрата). Но в этом случае речь идет уже о денатурации биологического объекта.

Как видно из рисунка перенос протонов из матрикса митохондрии в Н⁺ - резервуар осуществляется за счет насыщенных электронами соединений НАД-Н₂ и НАД-2Н. Снижение ОВП создает преимущество для указанных соединений над их окисленными формами (НАД⁺), что обеспечивает более интенсивный транспорт протонов в пространство между наружным и внутренним контуром митохондриальной мембраны. Соответственно, разность потенциалов на внутреннем контуре мембраны увеличивается, что в конечном итоге (как говорилось выше) сопровождается усилением образования АТФ.

Учитывая фазный характер протекания биохимических процессов нельзя дать однозначный ответ о действии анолита или католита на общий метаболизм. В частности временное торможение энергогенеза при действии ЭХА-факторов может сопровождаться экономией биохимических внутриклеточных энергоносителей (глюкозы и продуктов гликолиза). После избыточного усиления и последующей релаксации метастабильного электрондонорного или электронакцепторного фона биохимические системы способны компенсировать дефицит энергогенеза. Подобный эффект аналогичен резкому усилению тканевого дыхания после кратковременной гипоксии, что отмечается в частности после кратковременного вдыхания гипоксической смеси (аппарат "горный воздух"). Прямое действие гипоксии на ткани - создание антиоксидантного (электрондонорного) фона со сдвигом ОВП тканевой среды в сторону восстановительного диапазона при временном снижении утилизации кислорода; непосредственное последействие тканевой гипоксии - увеличение утилизации кислорода в тканях организма в результате активации дыхательных ферментов.