УДК 581.1

 

ВЫДЕЛЕНИЕ БИОГЕННОГО ИЗОПРЕНА КАК ПРОЯВЛЕНИЕ

ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО СВОЙСТВА ДИССИПАТИВНОСТИ КЛЕТКИ

© 2017 г. Г. А. Санадзе

Национальная академия наук Грузии

Поступила в редакцию 23.08.2016 г.

Обсуждается механизм энергодинамики биосинтеза и выделения изопрена с точки зрения фундаментального значения диссипативности клетки. Подчеркивается необходимость использования основных положений коллоидной химии в энергодинамических превращениях клетки. Предложена идея о наличии в клетках универсальной энергодинамической структурной единицы, названной нами “биологической мицеллой”, которая ответственна за перенос и распределение протонов по всему объему клетки, т. е. ответственна за установление и поддержание физиологического уровня pH на каждом метаболически активном участке. Особое внимание уделяется участию F-ATP-азы в активном переносе протонов через мембрану из внутренней полости тилакоидов в ATP-синтазную часть домена F1 и возврату протонов с наружной поверхности мембраны в полость тилакоидов в результате ATP-зной активности с помощью протонного насоса. Найден механизм выноса deS энтропии посредством изопрена, возникшего в результате протонирования DMAPP. Устойчивое состояние любой термодинамической системы, в том числе живой, находится в коррелятивной связи с максимумом производства энтропии. Усиление скорости выделения изопрена при повышении температуры среды следует рассматривать как компенсацию за понижение выделения deS тепловой энтропии. При увеличении температуры среды величина суммы deS тепла и deS изопрена для каждой температурной точки остается постоянной. Таким образом, процесс фотобиосинтеза изопрена представляет собой частный случай диссипации deS энтропии, которая в целом обеспечивает устойчивое стационарное состояние клетки.

 

Ключевые слова: изопреновый эффект – энтропия – биологическая мицелла – диссипативная структура – энергодинамика – максимум производства энтропии (МПЭ).

 

Сокращения: ИЭ – изопреновый эффект; IPP – изопентенилпирофосфат; DMAPP –диметилаллилпирофосфат; deS – диссипация энтропии; DOXP/MEP – дезоксиксилулозафосфат/метилэритритфосфатный путь; MVA – мевалонатный путь.

 

Адресс для корреспонденции: Санадзе Гиви Александрович. Грузия, Тбилиси 0108, пр. Руставели, 52. Академия наук Грузии. Электронная почта: guivis@caucasus.net

1. Введение

Ценность любого научного открытия определяется его полезностью для человека. Это, прежде всего, его социальные, культурные и научные интересы, из которых труднее всего исчерпывающе установить долю научной ценности, которая кроме практического имеет и фундаментальное значение.

Открытие “изопренового эффекта” (ИЭ), по тем временам совершенно нового фотобиологического явления (феномена) показало, что в хлоропластах зеленых листьев многих видов древесных растений происходят биохимические превращения, энергопластические потоки которых приводят к образованию терпеноидов. В результате наших исследований выяснилось, что этот путь приводит к образованию гемитерпена изопрена. В этом процессе имеет особое значение комплекс граничных условий, который состоит из света, парциального давления СО2, температуры (относительно высокой) и влаги, которые одновременно являются и лимитирующими факторами фотосинтеза и устойчивости растения в целом.

После открытия этого феномена [1] только через 50 лет ученые стали приближаться к пониманию биологической роли ИЭ. В настоящее время мы располагаем несколькими гипотезами, которые более или менее подробно рассматривались в предыдущих статьях [2, 3]. Все эти гипотезы так или иначе касаются энергетики биосинтеза изопрена, хотя формально внимание заостряется либо на термотолерантности [4], либо на антиоксидантности [5], либо на регулирующих клапанах энергетических изменений фосфатной связи [6] и наша теория [7], которая изначально рассматривала фотобиосинтез изопрена как результат регуляции метаболизма, приводящего к обязательному выносу “избытка” энергии.

В настоящей работе вниманию читателя предлагается возможный механизм внутриклеточных процессов биосинтеза и выделения изопрена и также регуляции гомеостаза в коллоидной системе клетки в свете энтропийного феномена.

 

2. Краткий исторический обзор

В середине 50-х годов прошлого столетия в Институте ботаники АН Грузии [8] было открыто фотобиологическое явление, названное нами изопреновым эффектом, суть которого заключается в биосинтезе и выделении изопрена из фотосинтезирующих клеток многих видов древесных растений. В дальнейшем выяснилось, что способностью выделять изопрен также наделены гетеротропные клетки практически всех существующих живых организмов. Так что световое выделение изопрена (ИЭ) следует рассматривать как частный случай биосинтеза изопрена в живой природе.

Световой синтез изопрена почти на два порядка интенсивнее его темнового синтеза, поэтому многолетние опыты изучения этого явления в основном проводились с фотосинтезирующими органами живых организмов. Хотя надо полагать, что механизмы превращения углерода в изопрен, протекающие в обязательном порядке через диметилаллилпирофосфат (DМАРР), по-видимому, идентичны. Разница заключается лишь в способах энергообеспечения этого процесса.

Живая клетка представляет собой открытую термодинамическую систему, которая с точки зрения использования энергии выполняет три основные функции: акцепторное (энергопоглощающее), транспортное (энергопревращающее) и диссипативное (энерговыделяющее) [9]. Следует особо подчеркнуть, что диссипативная функция клетки является фундаментальной функцией, без которой только первые две никак не смогли бы обеспечить формирование жизни на Земле. Развивая эту мысль, мы утверждаем: с точки зрения возникновения и становления жизни любая упомянутая выше энергодинамическая функция может успешно выполнить свою задачу лишь в том случае, если в метаболизме часть свободной энергии превращается в энтропийную форму, т.е. в такую форму энергии, которая в силу обстоятельств не способна к дальнейшему участию в метаболическом процессе (совершению работы) и которая в обязательном порядке должна выделиться за пределы клетки. Формулируя высказанную выше мысль в терминах термодинамики, можно сказать, что неизбежная диссипация во внешнюю среду непригодной для метаболических превращений энергии представляет собой проявление энтропийной функции системы, т.е. диссипации энтропии (энергии), в нашем случае это диссипация изопрена.

Впервые понятие энтропии было введено Клаузиусом в 1865 г. [10] как функция термодинамического состояния системы, физический смысл которой следует представить как часть внутренней энергии системы, которая не может быть использована для совершения работы.

Больцман ввел статистическое определение одной из основных характеристик термодинамической функции энтропии [11].

В 40-х годах прошлого столетия У. Шредингер ввел понятие “негэнтропии” [12]. Этот термин отражает уменьшение энтропии клетки в процессе метаболических превращений свободной энергии, что эквивалентно поглощению клеткой “отрицательной энтропии”, т.е. deS энтропии, которая в обязательном порядке выделяется из системы в процессе в жизнедеятельности.

Бельгийский ученый И. Пригожин показал [13], что в открытых, сильно удаленных от равновесия системах происходит переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, и возникают новые динамические состояния материи, которые отражают взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры были названы диссипативными.

Таким образом, в свете современных теорий живая клетка представляет собой термодинамически открытую неравновесную стационарную энтропийную систему. Это означает, что энергодинамические потоки, обуславливающие устойчивость и эффективность метаболических превращений, могут нормально выполнять фундаментальную функцию живой клетки, которая регулирует ее энергодинамическое состояние и тем самым обеспечивает стационарность клетки, т.е. устойчивое неравновесие [14] и способность к самоорганизации только при условии наличия диссипации deS энтропии.

После появления хемиосмотической гипотезы стало вполне очевидным, что основным источником свободной энергии, универсально используемой живыми организмами, является энергия протонов, возникающих в результате разделения зарядов. Этот источник энергии, на самом деле, является как бы проекцией энергодинамических превращений солнца, где в результате термоядерных реакций происходит обеспечение энергией всей солнечной системы и, в частности, возникновения жизни на Земле. Использование энергии протона как в космической, так и в биологической энергодинамике не случайное совпадение. Оно указывает, что фундаментальные стороны любых материальных (а возможно и метафизических) событий выполняются весьма ограниченным количеством комплементарных химических структур. Наиболее ярким примером может служить бесконечно большое множество генетических форм живых организмов, возникающих в результате перегруппировки 4-х нуклеотидов и 20 аминокислот! К числу биологически исключительно важных веществ также относятся органогены (H2, O2, C, N2, P, S), ключевые соединения метаболизма (H2O, CO2, NOx, H2S, CH4), ключевые биосинтезированные вещества и структуры, характерные для тех или иных энергодинамических потоков (глюкоза, ацетил – СоА, пируват, изопрен, DМАРР, хлорофилл, каротиноиды, мембраны), макроэргические вещества (H+, NADH, NADPH, аденозинфосфаты, кофакторы транспорта электронов). С одной стороны изложенные факты вероятно следует рассматривать с точки зрения экономного расходования даров природы, с другой же, это может быть отнесено к тем чудесам природы, с которыми мы сталкиваемся на каждом шагу, хотя не всегда осознаем их реальную значимость.

Как было сказано выше, современное понимание энергодинамики живого связано с хемиосмотической теорией преобразования энергии протона в мембране. Это означает, что главным источником свободной энергии является энергия разделения зарядов, которое в глобальном масштабе происходит в Z-схеме фотосинтеза, точнее при функционировании фотосистемы 2. Интересно также отметить, что именно вследствие возбуждения хлорофиллов фотосистем 1 и 2 при возвращении электрона с триплетного возбужденного состояния в исходное, почти одновременно происходит высвобождение химической энергии, тепла и других электромагнитных излучений, из которых в свободную энергию химических связей превращается только часть всей энергии. Тепло, флюоресценция и фосфоресценция, в обязятельном порядке сопутствующие разделению зарядов, диссипируют из системы в виде энтропии, т.е. в виде непригодной для метаболических превращений энергии.

Если жизнь рассматривать как последовательный набор доменов, обладающих тремя основными функциями энергодинамики: акцентирование энергии извне, ее превращение в свободную энергию и термодинамические потоки и, наконец, функции ее диссипирования как избытка энергии в виде отработанной в процессе метаболизма [9], которая неизбежно возникает в живой клетке, то создается впечатление, что главной особенностью любой живой системы является трехдоменная энергодинамическая структура, инсталированная на соответствующей биологической матрице, созданной уникальной мембранной сетью, выполняющей как механическую, так и функциональную роль устойчивой, термодинамически открытой, стационарной физической системы.

Опираясь на вышеизложенные соображения и факты, нами была выдвинута гипотеза синтеза и выделения изопрена хлорофиллсодержащими клетками. Особое внимание было уделено роли граничных условий биосинтеза и выделения изопрена фотосинтезирующими клетками зеленых листьев древесных растений. Было установлено, что освещенные листья выделяют, наряду с другими углеводородами, значительно большое количество изопрена [15]. Интенсивность этого последнего зависела, так же как и фотосинтеза, от концентрации СО2 в окружающей лист атмосфере, температуры среды, условий освещения. Значение Q10, равное примерно пяти, свидетельствовало о высокой термофильности процесса, действия специфических ингибиторов и некоторых других соединений. Неаддитивное усиление скорости выделения изопрена [16], аналогично эффекта усиления Емерсона, и ряд других физиологических особенностей указывали, что ИЭ проявляет признаки тех метаболических превращений, которые происходят в хлоропластах на свету и таким образом представляют собой часть фотосинтетических превращений. С другой стороны, свободный изопрен синтезируется в том метаболическом потоке углерода, который через DМАРР синтезирует терпеноиды. Изопрен практически нерастворим в водной среде и в силу своей гидрофобности беспрепятственно “выталкивается” наружу. Будучи диэновым соединением, изопрен является энергетически относительно богатым и термодинамически выгодным для диссипации энергоносителя.

 

3. Механизм биосинтеза и выделения изопрена

Экспериментальные данные и общие представления, на которые мы опирались [2] при попытке воссоздать картину энергодинамических и метаболических превращений в хлорофиллсодержащих клетках листьев растений в процессе биосинтеза и диссипации изопрена, были следующие:

  1. Биосинтез и выделение изопрена фотосинтезирующими клетками происходят почти одновременно, следуя один за другим.
  1. Скорость выделения изопрена в условиях светонасыщения процессов составляет 12% от скорости фотосинтетической ассимиляции СО2. Скорость темнового выделения изопрена на два порядка ниже светового.
  1. Интенсивность выделения изопрена сильно зависит от парциального давления СО2 в окружающей лист среде и увеличивается с понижением концентрации двуокиси углерода.
  1. Интенсивность выделения изопрена сильно зависит от температуры опыта и увеличивается вплоть до 43°С. Оптимальная температура скорости выделения изопрена на свету равна 2830°С. При температуре ниже 15°С выделение изопрена практически полностью прекращается. Величина Q10 в пределах 2530°С равна приблизительно пяти. Высокая термоустойчивость процесса указывает на его термофильный характер.
  1. Процесс образования и выделения изопрена светозависим. Характер световой кривой выделения изопрена совпадает со световой кривой фотосинтеза.
  1. Специфические ингибиторы фотосинтетического эл. транспорта аналогично ингибируют скорость светового выделения изопрена.
  1. Изопрен является диеновым соединением, в котором на один атом углерода приходится в 1,3 раза больше энергии, нежели в углеводах. Поэтому ясно, что вынос энергии из клетки с его помощью фактически обходится живой клетке дешевле, чем в случае углеводов, что в целом делает ИЭ термодинамически выгодным.
  1. Предшественником изопрена, как и терпеноидов, является DМАРР, который легко превращается в изопрен в результате протонирования. В настоящее время известны два метаболических потока, ведущих к образованию DМАРР. Этими потоками являются классический мевалонатный путь (MVA) [17] и второй – дезоксиксилулозафосфатный/метилэритритфосфатный (DОХР/МЕР) путь [18,19].
  1. Выявлены гены, которые кодируют биосинтез особых белковых образований, названных изопрен-синтазами. Эти белковые образования состоят, как правило, из двух доменов [20, 21, 22, 23, 24, 25].
  1. При рассмотрении особенностей энергодинамики ИЭ следует также учитывать автокаталитические реакции отдельных ферментов в процессе протекания биологических превращений как одну из причин накопления избытка энергии в энергодинамических потоках.
  1. Открытые биологические системы представляют собой диссипативные структуры, работа которых обеспечивает существование жизни на Земле. С этим поразительным свойством материи связаны все энергодинамические превращения, которые в настоящее время, пожалуй, лучше всего могут быть описаны законами термодинамики.
  1. Диссипацию изопрена и любых других веществ, выделяемых листьями растений, мы рассматриваем как проявление экскреторной функции.
  1. Поскольку клетка представляет собой гидрозольную коллоидную систему, ключ к пониманию происходящих в ней энергопластических превращений следует искать в области физико-химических свойств коллоидных растворов. Наша попытка установить физико-химическую суть и биологическую роль ИЭ основана на использовании термодинамических принципов в гидрозольных системах хлорофиллсодержащих клеток листьев растений.

Как известно, изопреновым эффектом обладает сравнительно ограниченное количество видов растений. Четкой эволюционной закономерности по этому признаку до сих пор не удается найти. Хотя причины проявления этого уникального свойства у различных видов изопренвыделяющих растений могут полностью не совпадать [26].

Основные лимитирующие факторы биосинтеза и выделения изопрена достаточно согласованно выполняют свою роль в этом процессе.

Как уже отмечалось, светозависимость ИЭ примерно такая же как фотосинтеза. Поэтому ИЭ следует рассматривать как частный процесс биосинтеза изопрена, локализованного в хлоропластах, тогда как темновой биосинтез изопрена происходит в любой гетеротрофной клетке прокариотов и эукариотов, в том числе и человека. Различие в компартментации MVA и DОХР/МЕР путей биосинтеза DМАРР может служить доказательством этого предположения.

Фактор парциального давления СО2 оказался решающим звеном наших логических построений о сущности ИЭ, как одного из процессов, который обеспечивает вынос “избытка” энергии из клетки. По логике вещей эта энергия возникает в связи с дисбалансом между энергетической возможностью проведения метаболических превращений углерода и его дефицита в среде, вызванного понижением парциального давления СО2 в окружающей лист атмосфере, т.е. избыток энергии возникает в результате количественного превышения свободной энергии над возможностью ее реализации.

Термофильность изопренового эффекта, точнее устойчивость процесса биосинтеза и выделения изопрена к высоким температурам (до 43°С), достаточно высокий температурный оптимум его выделения (2830°С) и, наконец, резкое уменьшение скорости выделения ниже температуры 20°С в комплексе с учетом изменения парциального давления СО2 в окружающей лист среде и освещенности, позволяет выяснить причинную зависимость скорости биосинтеза и выделения изопрена от вышеуказанных факторов.

Как уже отмечалось, характерная особенность ИЭ заключается в том, что биосинтез и выделение изопрена из листа происходит почти одновременно. Ясно, что такая “синхронность” двух процессов вызвана уникальным свойством молекулы изопрена, растворимость которого в воде практически равна нулю. Поэтому вновь образованный изопрен немедленно “выталкивается” из водной среды клетки гидрофобными силами. С термодинамической точки зрения изопреновый эффект функционально как бы представляет собой терминальную часть диссипативной структуры, с помощью которой высвобождается “химическая энтропия” в виде изопрена аналогично выделению тепловой энтропии с помощью градиента тепла, т.е. гидрофобные силы и тепловой градиент можно рассматривать как равнозначные диссипативные структуры.

Любые выделения листа следует рассматривать как проявление экскреторной функции. Каждое экскретируемое вещество представляет собой конечный результат того или иного метаболического превращения. Эти вещества до выделения наружу являются “носителями” информации о продуктном торможении, которое выполняется отрицательными обратными связями. Как известно, устойчивость живых систем во многом, если не полностью, зависит от четкости функционирования обратных связей, а для этого необходимо чтобы бесперебойно функционировала диссипативная структура клетки, обязанность которой состоит в выносе из клетки deS энтропии, т.е. энергии непригодной для протекания метаболических процессов и, наконец, в выполнении экскреторной функции клетки.

 

4. Обсуждение

Светозависимый синтез изопрена энергетически обеспечивается Z-схемой фотосинтеза, которая описывает судьбу электрона и протона после разделения зарядов, в результате чего происходят два важных события: транспорт электронов по цепи кофакторов и транспорт протонов, который по принципу хемиосмотической гипотезы Митчела [27] накапливается, главным образом, в полости тилакоидов и затем с помощью белкового комплекса, носящего название АТР-азы, по специальному каналу домена Fo, пронизывающего толщу мембраны, переносится на синтазный участок домена F1, который в виде грибовидной головки расположен на поверхности тилакоида мембраны. Противоположный этому АТР-зный процесс также находится в домене F1, с помощью которого происходит гидролиз АТР с образованием АDР, фосфатов и протонов. Такая топология двух противоположных процессов, по-видимому, предназначена для строгого регулирования переноса протонов. Вследствие этого на поверхности мембран тилакоидов постоянно происходит приток протонов. Это означает, что существует постоянная тенденция увеличения протонной плотности на поверхности мембраны, которая в свою очередь может изменить величину электрохимического потенциала мембраны, и что, в конечном счете, должно изменить величину электрокинетического потенциала (ξ- потенциала) энергодинамического комплекса “биологической мицеллы”, т.е. комплекса тилакоидной мембраны с двойным электрическим слоем ионов на поверхности мембраны. Углубленное изучение коллоидной структуры клетки обещает быть весьма продуктивным для правильного понимания энерго­динамической устойчивости живых систем в целом и участия в этом процессе электрокинетического потенциала, как важнейшей предпосылки, обеспечивающей энтропийную суть энергопластических превращений клетки, иными словами, значение величины ξ – потенциала следует рассматривать как важнейший параметр гомеостаза.

Мембранный потенциал может изменяться в результате различных реакций, среди которых очень важны именно те, которые приводят к использованию протонов в реакциях фосфорилирования и дефосфорилирования в метаболизме. Под действием разности потенциалов возникают различные потоки протонов, в том числе и непродуктивные. В общей сложности от этого меняется уровень протонной плотности в различных участках биологической мицеллы, в том числе и на наружной поверхности мембраны тилакоида, которая, надо полагать, является главным связующим звеном всех типов энергодинамических превращений, образующих ξ-потенциал. Многообразие протонных потоков несомненно служит эффективной регуляции использования свободной энергии в метаболизме и может быть хорошим примером того, что эффективная регуляция метаболизма имеет место лишь в том случае, если ключевой узел любого метаболического потока обеспечивается несколькими взаимозаменяемыми биохимическими путями и энергодинамическими превращениями. Таким узловым моментом в терпеноидном потоке превращения СО2 является образование DМАРР и IPP, которые легко взаимопревращаются с помощью IPP-изомеразы. Поэтому DМАРР и его роль в метаболизме растения следует рассматривать в комплексе с биосинтезом IPP, хотя совершенно ясно, что прямым предшественником изопрена является именно DМАРР. Как уже отмечалось выше, этот ключевой участок биосинтеза терпеноидов и изопрена обеспечивают два известных в настоящее время метаболических потока MVA и DОХР/МЕР пути, тем самым подтверждая предположение о необходимости наличия гарантированного бесперебойного обеспечения биосинтеза ключевого соединения. Можно предположить, что существует и третий биохими­ческий механизм биосинтеза DМАРР [28].

Ранее нами было показано, что DМАРР как in vivo, так и in vitro легко преобразуется в изопрен протонированием реакционных сред [29, 30]. Это позволило предположить, что превращение DМАРР в изопрен может происходить и неэнзиматическим путем. Позже были открыты белки с изопрен-синтазной активностью и соответствующие им гены. Кроме того, было показано, что изопрен-синтазной активностью обладают мембраносвязанные белки тилакоидов. Это был значительный шаг вперед в изучении механизмов ИЭ. В настоящее время известно большое многообразие белковых образований, названных изопрен-синтазой, с участием которых происходит биосинтез изопрена из DМАРР. Однако до сих пор не удается выяснить, какая именно специфическая молекулярная структура этих белковых образований ответственна за превращение DМАРР в изопрен.

Возможные механизмы участия изопрен-синтаз в биосинтезе изопрена достаточно исчерпывающе обсуждены в работе Шницлера с соавт. [31]. Обращает внимание подтверждение авторами наличия двухдоменного строения изопрен-синтаз и формы их компартментации в клетке, из которых особый интерес представляет мембраносвязанная форма, так как возникает предположение о сходстве изопрен-синтаз с АТР-зами. Исходя из сказанного, напрашивается вывод, что белковый комплекс, названный изопрен-синтазой, может осуществлять реакцию нуклеофильного катализа, которая заключается в протонировании DМАРР.

Энергодинамика биосинтеза изопрена хлоропластами на свету изображена на рис. 1. Показано, что энергетическое обеспечение этого процесса, как и многих других, происходит после первичного разделения зарядов в Z-схеме фотосинтеза в тилакоидной мембране.

Возникшие потоки электронов и протонов вместе с мембраной тилакоида создают электрокинетический потенциал. Кроме того, этот комплекс включает в себя двухдоменную белковую структуру F-АТР-азу. Эту комплексную структуру переноса зарядов, в частности протонов, как уже было сказано, мы назвали “биологической мицеллой”, которая содержит примембранный двойной электрический слой, способствующий переносу свободной энергии в виде протонов по специальным каналам к соответствующим метаболическим потокам и межфазным поверхностям.

Электрокинетический потенциал (ξ-потенциал) представляет собой сумму потенциалов между всеми потенциал-определяющими и всеми противоионами, которые создают примембранный двойной электрический слой в мицелле. Известно, что устойчивое состояние энергодинамических процессов клетки и следовательно биологической мицеллы достигается лишь в том случае, если сохраняется равенство между скоростями притока и оттока энергии. Этот фундаментальный закон выполняется диссипативными структурами, которые выносят deS энтропию (отработанную энергию) за пределы метаболического котла.

Возникшие на свету протоны направляются в полость тилакоидов, сильно понижая в ней величину рН. Протоны также находятся на поверхности тилакоидной мембраны, граничащей со стромой хлоропластов. В результате оттока части протонов в полость тилакоидов рН примембранного пространства стромы повышается. Затем с помощью АТР-азы, встроенной в мембрану, протоны из полости тилакоидов переносятся в АТР-синтазную область домена F1, где происходит биосинтез АТР. Пожалуй, это основной источник АТР в клетке. Часть АТР используется для проведения биохимических синтезов, а другая часть уже в АТР-азной области домена F1 гидролизуется в АDР, в фосфаты и протоны. Возникшие протоны различными способами, в том числе с помощью протонного насоса, возвращаются в полость тилакоида. Другая же часть протонов используется для выноса свободной энергии из области мицеллярного объема и направляется на протонирование различных субстратов. В нашем случае осуществляется реакция нуклеофильного катализа, заключающегося в протонировании DМАРР с его превращением в изопрен. Образовавшийся изопрен попадает в оводненную среду хлоропластов и беспрепятственно выносится за пределы клетки, т.е. происходит вынос отработанной энергии в виде изопрена специфическими диссипативными структурами клетки с использованием гидрофобных сил. Таким образом схема на рис. 1 описывает как возникновение и перераспределение протонов с помощью биологической мицеллы, так и вынос из клетки энтропийной энергии.

В случае ИЭ энергодинамические взаимопревращения можно проследить таким образом. Поступающий из фотосинтеза углерод перерабатывается в процессе метаболизма с использованием АТР. В случае энергодинамического потока терпеноидного синтеза эта энергия используется для создания пула DМАРР. Однако чтобы сохранить устойчивость энергопластического потока терпеноидов, надо постоянно регулировать величину пула DМАРР, иначе при метаболической перегрузке пула DМАРР с помощью отрицательной обратной связи наступит продуктное торможение данного потока и он может прекратиться.

После протонирования DМАРР происходит элиминирование пирофосфатной группы мостикового неклассического иона карбония DМАРР с образованием молекулярного изопрена, который гидрофобными силами беспрепятственно выносится из гидрозольной среды клетки. Вследствие этого происходит разгрузка пула DМАРР и последующее снятие действия обратной отрицательной связи продуктного торможения, и энергопластический поток терпеноидного синтеза восстанавливается. Такая схема выноса deS энтропии (отработанной энергии) из клетки напоминает работу теплового градиента выноса deS энтропии. Сходство состоит в том, что диссипация энергии (энтропии) в обоих случаях происходит беспрепятственно и самопроизвольно, что в свою очередь обеспечивает бесперебойный отток избытка энергии (энтропии) из метаболического котла клетки и тем самым, устойчивое функционирование системы.

При протонировании чистого DМАРР происходит образование изопрена с высокой эффективностью [29, 30]. Выход этой реакции настолько высок, что вполне может заменить ферментативный катализ. Поэтому возможно, что белковые комплексы, названные изопрен-синтазой, это структуры типа АТР-азы, и кстати двухдоменное строение молекулы изопрен-синтазы как бы усиливает нашу аргументацию в пользу идентичности этих структур. Следовательно, не исключено, что наиболее общая регуляция энергодинамики клетки это регуляция потоков зарядов, и в частности протонов, иными словами, строгое поддержание уровня рН в различных участках клетки. Для регулирования энергодинамики у живых организмов имеются все условия переноса энергии вплоть до диссипации тепла и/или продуктов метаболизма, которые выносят избыток энергии (в том числе и в виде энергии химических связей).

Изопрен в этом отношении обладает, как уже было сказано выше, рядом преимуществ. С выделением изопрена удаляется избыток энергии и соответственно deS энтропии, тем самым обеспечивается установление максимума производства энтропии [32]. Соблюдение оптимального уровня этой важной энергодинамической величины составляет гарантию эффективной работы и устойчивого состояния живой клетки. Но этот уровень может быть гарантирован только в том случае, если диссипация deS энтропии происходит беспрепятственно. В случае энтропии Q всегда имеется опасность, что диссипация тепла может прекратится, если температура окружающей среды превысит критическое значение, то есть когда исчезает градиент температуры.

Устойчивое состояние любой термодинамической системы, в частности живой клетки, находится в корреляции с максимумом производства энтропии. Возросшая энтропия не является синонимом потерь, а представляет составную часть процессов жизнедеятельности и приводит клетку к устойчивому стационарному состоянию.

Максимум производства энтропии это фундаментальное правило природы и выполняется в обязательном порядке лишь вследствие согласованной работы диссипативных структур системы. Чтобы сохранить общий уровень максимума производства энтропии в процессе эволюции был найден выход, компенсирующий возможное ограничение энтропийной теплоотдачи. Компенсация состоит в замещении диссипации тепловой энергии, но главным образом, энергией химических связей.

В нашем случае выходом оказался процесс биосинтеза и выделение изопрена. Усиление скорости выделения изопрена при повышении температуры окружающей среды можно рассматривать как компенсацию за понижение выделения deS энтропии тепла.

На рис. 2 показано графическое изображение взаимозависимого выделения тепла (Q) и изопрена (С5Н8) от возрастания температуры. Такая форма взаимозависимых соотношений возможна лишь при допущении того, что изменение скоростей этих процессов находится в линейном обратно пропорциональном соотношении. Этот принцип взаимозависимости изменения двух энергодинамических параметров, ведущих к постоянству максимальной величины производства энтропии, вполне может быть использован для объяснения сущности нашей теории. В данном случае следует, что при увеличении температуры окружающей среды величина суммы deS (Q) и deS (С5Н8) для каждой темпе­ратурной точки остается постоянной. В свою очередь это означает, что устойчивое состояние клетки обеспечено.

Наша интерпретация биологической значимости ИЭ описывает лишь частный случай диссипации энергии как составной части энергодинамических потоков метаболизма, которые обеспечивают устойчивую функциональную активность гидрозольной структуры клетки. Фундаментальный закон жизни гласит, что стабильность существования и эволюция жизни возможны лишь вследствие диссипативной активности биологических структур.

Таким образом, синтез и выделение биогенного изопрена это один из видов энергодинамического процесса диссипации deS энтропии, который происходит в процессе биосинтеза терпеноидов. Не исключено также, что метаболический поток синтеза терпеноидов играет особую роль в энергодинамике растений в целом, поскольку известно, что, наряду с диссипацией изопрена, в этом потоке также происходит зеаксантин–зависимая диссипация тепловой энтропии [33].

Итак, биосинтез и выделение изопрена следует рассматривать как частное проявление масштабного фундаментального процесса диссипации энтропии, который обеспечивает устойчивое стационарное состояние клетки.

Автор выражает глубокую благодарность С. Ш. Пхачиашвили за участие в подготовке настоящей статьи и доктору физ. мат. наук А. А. Давитулиани за консультацию в области термодинамики.

p, li { white-space: pre-wrap; }


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

  1. Sanadze G.A. Emission of organic matter by leaves of Robiniaрseudoacacia L., Bull. Acad. Sci. GSSR. 1957. V. 19. P. 83-86.
  2. Sanadze G.A. Biogenic isoprene, Russ. J. Plant Physiol. 2004. V. 51. P. 810-824.
  3. Sharkey T., Wiberly A., Donohue A. Isoprene Emission from Plants: Why and How, Ann. Bot. 2008. V. 101. P. 5-18.
  4. Sharkey T.D., Singsaas E.L. Why plants emit isoprene, Nature, 1995, vol. 374, 769 p.
  5. Loreto F., Mannozzi M., Maris C., Nascett P., Ferranti F., Pascualini S. Ozone quenching proporties of isoprene and its antioxidant role in leaves. Plant Physiol. 2001. V. 126. P. 993-1000.
  6. Rosenstiel T., Ebbets A., Khatri W., Fall R., Monson R. Induction of poplar leaf nitrate reductase: a test of extrachloroplastic control of isoprene emission rate. Plant Biol. 2004. V. 6. P. 12-21.
  7. Sanadze G.A. Photobiosynthesis of isoprene as an example of leaf excretory function in the light of contemporary thermdynamics, Russ. J. Plant Physiol. 2010. V. 57. P. 3-8.
  8. Sanadze G.A. Role of light in formation of volatile organic products of matter change in plants, Bull. Acad. Sci., GSSR. 1959. V. XXII, N 4. P. 449-454.
  9. Sanadze G.A. Biological role for synthesis and release of isoprene by photosynthesizing cells in view of the entropy phenomenon, Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 204-209.
  10. Clausius R. Abhandlungüber die mechanischewärmetheorie, Braunschweig: Vieweg, 1864.
  11. Gibbs J.W. The Scientific Papers, 1. Thermodynamics, New York: Dover. 1961.
  12. Shredinger E. Schtotakoezhizn s tochkizreniafizika (What is life in terms of Physics), Moscow, Atomizdat, 1972.
  13. Prigogine I. Etude Thermodynamique des phenomenes irreversibles., Bull. Acad. R. Belg. 1945. V. 31. P. 600-601.
  14. Bauer E.S. Teoreticheskaya biologia (Theoretic biology), Moscow: Vses. Inst. Eksp. med, 1935.
  15. Sanadze G.A., Kursanov A.L. About some conditions of emission of diene C5H8 from leaves, Sov. Plant. Physiol. 1966. V. 13. P. 201-206.
  16. Baazov D.I., Sanadze G.A. Spectrum of action and effects of enhancing isoprene yield from poplar leaves, Sov. Plant. Physiol. 1987. V. 34. P. 213-220.
  17. Block K., Chaykin S., Phillip A., Waard de A. Mevalonic acid pyrophosphate and isopentenylpyrophosphate, J. Biol. Chem. 1959. V. 234. P. 2595.
  18. Rhomer M., Khani M., Simonin P., Sahm H. Isoprenoid biosynthesis in bacteria: a novel pathway for early steps leading to isopentenildiphosphate, Biochem. J. 1993. V. 295. P. 517-524.
  19. Lichtenthaler H.K. The 1–deoxy–D–xylulose–5–phosphate path way of isoprenoid biosynthesis in plants., Annu. Rev. PlantPhysiol. PlantMol. Biol. 1999. V. 52. P. 307-436.
  20. Wildermuth M., Fall R. Light-dependent isoprene emission – characterization of thylakoid – Bound isoprene synthase in Salix dicolor chloroplasts, Plant Physiol. 1996. V. 112. P. 171-182.
  21. Miller B., Oschinski C., Zimmer W. First isolation of an isoprene synthase gene from poplar and successful expression of the gene in Escherichia coli, Planta. 2001. V. 213. P. 483-487.
  22. Schnitzler J.R., Arenz R., Steinbrecher R., Lerhning A. Characterization of an isoprene synthase from leaves of Quercus petraea (Mattuschka) Liebl., Bot. acta. 1996. V. 109. P. 216-221.

23. Schnitzler J.P., Zimmer I., Bachl A., Arend M., Fromm J., Fishback R.J. Biochemical properties of isoprene synthase from poplar (Populus x canescens), Planta. 2005. V. 222. P. 777-796.

24. Köksal M., Zimmer I., Schnitzler J.P., Christianson D.W. Structure of isoprene synthase illuminates the chemical mechanism of teragram atmospheric carbon emission, J. Mol. Biol. 2010. V. 402 (2). P. 363-373.

25. Sharkey T.D. The future of isoprene research, Bull. of Georgian National Acad. of Sci. 2009. V. 3. No. 3. P. 106113.

26. Monson R., Wilkinson M., Monson N., Trahan N., Lee S., Rosenstiel T., Fall R. Biochemical control on the CO2 response of leaf isoprene emission: an alternative view of Sanadze’s double carboxylation scheme. Bull. of the National Acad. of Sci. 2009. V. 3. No. 3. P. 95-105.

27. Mitchel P. Chemiosmotic Coupling and Energy Transduction, Glynn Res., Bodmin, Cornwall, England, 1968.

28. Sanadze G.A. The principal scheme of photosynthetic carbon conversion in cells of isopren-releasing plants, Curr. Res. Photosynth. 1990. V. 4. P. 231-237.

29. Datukishvili N.T., Tarkhnishvili G.M., MIkeladze D.G., Beridze T.G., Sanadze G.A. Isolation and purification of protein responsible for the conversion of dimethylallyl pyrophosphate from poplar leaves into isoprene, Sov. Plant Physiol. 2001. V. 48. P. 257-261.

30. Sanadze G.A., Surmava M. K., Dolidze M. L., Aleksidze G. I. Isoprene biosynthesis in vitro by chlorophyll-containing tissue culture isolated from poplar leaf mesofyll, Bull of Acad. Scien. of Georgia. 1990. V. 137. no. 3, P. 581-584.

31. Jud W., Vanzo E., Li Z., Ghirardo A., Zimmer I., Sharkey T.D., Hansel A., Schnitzler J.P. Effects of heat and drought stress on post-illumination bursts of volatile organic compounds in isoprene-emitting and nonemitting poplar, Plant. Cell and Environment. 2016. V. 39. P. 1204-1215.

32. Ziegler H. Some Estremym principles in irreversible thermodynamics with Application to continuum mechanics, Amsterdam: North-Holland, 1963.

33. Heber Y., Lange O., Shuvalov B. http//www.researchgate.net/publication/266007735

Подписи к рис.

Рис. 1. Схема биологической мицеллы мембраны тилакоида.

1  мембрана тилакоида; 2  ATP-аза; 3  двойной электрический слой; 4  Z схема фотосинтеза; H+-протон; М-мицелла; АТР-аденозинтрифосфат; DMAPP-диметилаллилпирофосфат; С-углерод; СВС-цикл Бенсона-Кальвина; Q-тепло; deS-диссипированная энтропия; Ter-терпеноиды; C5H8-изопрен; a,b,c…n-возможные пути метаболизма; Х-различные формы энтропии.

Рис. 2. Схема взаимозависимого выделения тепла и изопрена от изменения температуры.

1  скорость выделения тепла (Q); 2  скорость выделения изопрена (C5H8).