ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ИЗОТОПА 25MG НА КИНЕТИКУ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО СИНТЕЗА АДЕНОЗИНТРИФОСФАТА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 537.63

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ИЗОТОПА 25Mg НА КИНЕТИКУ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО

СИНТЕЗА АДЕНОЗИНТРИФОСФАТА

Каепкулова Элина Ильгизовна, магистрант, направление подготовки 03.04.02 Физика, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]

Научный руководитель: Берлинский Виталий Львович, доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой биофизики и физики конденсированного состояния, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]

Аннотация. Магнитное поле и ядерный спин изотопа магния 25Mg влияют на развитие и жизнеспособность бактериальных клеток E.coli и на внутриклеточное содержание аденозинтрифосфата (АТФ). Однако известные механизмы не способны объяснить увеличение выхода АТФ в магнитных полях Н ~ 85 мТл. Кинетический анализ показал, что увеличение скорости выхода АТФ в клетках E.coli, обогащенных изотопом 25Mg, можно объяснить «включением» дополнительных каналов ферментативного фосфорилиро-вания с константой скорости kp которая больше константы скорости «синглетного» канала kT > kS. В этом случае эффективность двухканального механизма будет выше эффективности одноканального при любых значениях констант kST Зависимость константы скорости kST (Н) от магнитного поля Н позволяет объяснить наблюдаемую магнитно полевую зависимость выхода АТФ.

Ключевые слова: магнитное поле, ядерный спин, АТФ, магниточувствительность, изотопы магния, синглет-триплетный переход, спин зависимые ферментативные процессы.

Для цитирования: Каепкулова Э. И. Влияние магнитного изотопа 25Mg на кинетику внутриклеточного синтеза аденозинтрифосфата // Шаг в науку. - 2021. - № 2. - С. 48-53.

EFFECT OF THE MAGNETIC ISOTOPE 25Mg ON THE KINETICS OF INTRACELLULAR ATP SYNTHESIS

Kaepkulova Elina Ilgizovna, postgraduate student, training program 03.04.02 Physics, Orenburg State University, Orenburg

e-mail: [email protected]

Research advisor: Berdinskiy Vitaly Lvovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]

Abstract. The magnetic field and the nuclear spin of the 25Mg magnesium isotope affect the development and viability of E.coli bacterial cells and the intracellular content of adenosine triphosphate (ATP). However, the known mechanisms are not able to explain the increase in the yield of ATP in magnetic fields ofH ~ 85 mTl. Kinetic analysis showed that the increase in the rate of ATP release in E.coli cells enriched with the 25Mg isotope can be explained by the "inclusion "of additional channels of enzymatic phosphorylation with a rate constant kp which is greater than the rate constant of the" singlet" channel kT > kS. In this case, the efficiency of the two-channel mechanism will be higher than the efficiency of the single-channel mechanism for any values of the kST constants. The dependence of the velocity constant kST (H) on the magnetic field H allows us to explain the observed magnetic field dependence of the ATP yield.

Key words: magnetic field, nuclear spin, ATP, magnetic sensitivity, magnesium isotopes, singlet-triplet transition, spin-dependent enzymatic processes.

Cite as: Kaepkulova, E. I. (2021) [Effect of the magnetic isotope 25MG on the kinetics of intracellular atp synthesis]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 2, рр. 48-53.

В работах [1-4] показано, что магнитное поле развитие и жизнеспособность бактериальных клеН и ядерный спин изотопа магния 25Mg влияют на ток E.coli и на внутриклеточное содержание аде-

нозинтрифосфата (АТФ). АТФ- основной и универсальный источник энергии внутриклеточных процессов, поэтому скорость внутриклеточного синтеза АТФ имеет важное значение для всех одноклеточных и многоклеточных живых организмов. Во всех живых организмах постоянно происходит синтез и расход АТФ во внутриклеточных ферментативных реакциях.

Впервые влияние магнитных и немагнитных изотопов Mg на синтез АТФ изолированными фосфорилирующими ферментами было обнаружено и описано в работах [6-8]. В этих работах был предложен ион-радикальный механизм ферментативного синтеза АТФ. Однако строгие квантово механические теории [9-10] показали, что обычные механизмы спиновой конверсии ион - радикальных пар (Лg и СТВ-механизм) способны объяснить маг-

нитно-полевые зависимости пула АТФ только в слабых магнитных полях. Слабыми магнитными полями считаются поля Н меньше констант сверхтонкого взаимодействия. Однако Лg и СТВ-механизмы магнитного эффекта не могут объяснить влияние магнитного изотопа 25Mg (спин ядра I = 5/2) на увеличение содержания АТФ в клетках Е.соН в полях Н~70-90 мТл.

На рисунке 1 показано, что слабое магнитное поле (Н <15 мТл) увеличивает содержание АТФ в присутствии любых изотопов Mg. Далее содержание АТФ не зависит от напряженности магнитного поля в диапазоне 15 < Н < 75 мТл. Но в магнитном поле 15 < Н < 90 мТл магнитное поле Н увеличивает содержание АТФ только в присутствии магнитного изотопа 25Mg; немагнитные изотопы 24,26М£ (спин ядра I = 0) на содержание АТФ не влияют.

Рисунок 1. Магнитно-полевая зависимость пула АТФ бактерий E. coli, культивируемых в среде М9 с изотопами магния 24Mg, 25Mg, 26Mg, Mg Источник: взято из [11]

В данной работе предполагается, что в полях Н~80 мТл магнитный изотоп 25Mg «включает» дополнительный внутриклеточный механизм синтеза АТФ. Ранее предположение о существовании дополнительных механизмов было приведено в работе [5]. Однако эффективная работа таких дополнительных механизмов возможна только при выполнении строгих кинетических ограничений на константы скоростей различных каналов реакции.

Предварительная проверка этой гипотезы требует исследования простой модели кинетики такой «двухканальной» реакции с переключением каналов синтеза АТФ в ферментативных и внутриклеточных реакциях действием магнитного поля Н и ядерного спина.

Феноменологическая кинетика «двухканального» ферментативного синтеза АТФ

Предполагается, что в активном центре АТФ-азы реализуется следующая последовательность превращений: в активном центре фермента появ-

ляются АДФ в виде комплекса с ионом Mg2+ и неорганический фосфат Р03 Все частицы находятся в суммарном синглетном S-состоянии. Конформа-ционные изменения фермента сближают эти частицы, заставляя преодолеть кулоновское отталкивание фосфатных групп, и образуют АТФ с константой скорости Ц.

После этого АТФ покидает фермент, попадает в другой фермент, производит полезную работу, сопровождающуюся разделением АТФ на АДФ и фосфатную группу, которые затем вновь оказываются в активном центре АТФ-синтазы с константой скорости к-1. Предполагается, что в течение всего сложного процесса частицы и их комплексы находятся в синглетных спиновых состояниях.

В клетках образование и расходование АТФ в различных биологических процессах можно описать кинетической схемой обратимых превращений. После синтеза молекула АТФ покидает активный центр АТФ-азы, доставляется к какому-либо ферменту, осуществляющему биохимическую реакцию, затем образующиеся АДФ и Р03 опять

попадают в активный центр АТФ-азы. Весь этот тимую мономолекулярную реакцию с константами процесс-выход АТФ и возвращение продуктов в ак- скорости kS и k тивный центр АТФ-азы - можно описать как обра-

О 11 О О II II

11 + 1 и и 0-Р-.0-Р-1 1 1

он он он

ш

он он

0 о О

1! 11 II

Р-О- Р-0

1 1 1

он он он

«л:

Рисунок 2. Схема внутриклеточного синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата Р03 в присутствии ионов Mg2+

Источник: разработано автором

Простая схема обратимой реакции

[А В]<=±± [А - В]

(1)

где

[А, В]- комплекс [Ф, АДФ]; [А - В] - молекулы

АТФ. Этой схеме обратимой реакции соответствует система кинетических уравнений

й[А, В] (¡В = -кц [А, В] + к-1 [А - В] [ [А -В]/Л = +АS, [А, В] - А-1 [в-В]

(2)

В нормальных стационарных условиях ческих уравнений имеет простое стационарное рей В]/й] = й [- В] й] = 0 (концентрацию всех ча- шение, где соотношение продуктов определяется стиц можно считать постоянной) и система кинети- только отношением констант скоростей реакции

м=

к-1 + к8

[ - В] =

1

к-1 + кя 1 + (к-1/ кя)

(3)

(4)

Эта формула (4) показывает, что стационарная нием констант прямой и обратной реакции. концентрация АТФ в клетках определяется отноше-

Рисунок 3. Схема «двухканальной» реакции синтеза АТФ

Источник: разработано автором

Для того чтобы объяснить эффекты «сильного» центре фермента совместное действие магнитного магнитного поля, предположим, что в активном поля Н и ядерного спина изотопа 25Mg индуцирует

превращение одной из частиц комплекса (Фосфат-АДФ) из синглетного [А, 5х] состояния в триплет-ное состояние [А, ВТ] с константой скорости kSг(Н). Предполагается, что из этого состояния комплекса тоже образуется АТФ, но с другой константой скорости kT , которая не зависит от магнитного поля.

На основании этих предположений можно предложить следующую «двухканальную» кинетическую схему реакции синтеза АТФ.

Этой схеме реакции соответствует система кинетических уравнений

с1 [А, В5 ]/ С = -к5 [А, В5 ]- к5Т [А, В5 ] к^А- В], с! [/А, ЕВТ ]/ == —кст [А, Вт ]+ к5Т [А, В5 ] .

с [А- В]/ С = +к5 [A, В5 ]+ кт [а, ,ВТ ]- к—1 [а-ВВ

(5)

Для простоты вычислений удобно ввести другие обозначения для величин [А, В5], [А, В1] и [А - В]

[а, В5]-- А,

[А,ВТ]-В, (6)

[А-В]-+С.

Теперь система уравнений может быть представ/вна в простом виде

'с1А

— = —к[ А — к- а + к -1С

СС 5 5Т —1

-^С^ = _ к^к в к5-[ Ва .

А т 5Т

— = +сА+к^--к 1С а 5 т Е1

(7)

При почленном сложении всех трех диф ференциальных уравнений получается

С/к АВ СС к-А+ ВаС) п

— + — + — = —--- = 0.

С А А А

(8)

Следовательно, система диффер/нциальных уравнений имеет интеграл движений, который можно положить равным 1

А+В + С = 1.

(9)

Тогда

С + Е-(А + В).

(10)

Как правило, все биохимические и физиологи- как квазистацио нарные или стационарные процес-ческие процессы в живых клетках разв=вакстся до- сы и считать статочно медленно, что позво/яет рассматривать их

М /dt = dB /dt = dC/dt = 0.

(11)

В этом случае система дифференциальных урав- ических уравнений, для решения которой достаточ-нений (7) превращается в систему простых алгебра- но использовато только два уравнения

-- к5Т А + кТВ = 0 | + к5 А+кТ В = ^+-1 + А-- ЕЕ),

(12)

После замены (10) получается

И, окончательно,

Определитель системы

Количество частиц А

j-kSTA+kTB = 0

1 + ksA+kTB = k^C,

|-ksTA+kTB = 0 l(k;s+^^1)k\-o(kT+k-1 )B = k -,.

= kSJ (+ + k_j) + k- (ks- + k^) .

Akk^A-1 =

к-к_-

Количество частиц В

B = kTk--AA-1 =

-S-S— +к_1)-+1)т(к5 ^ k__T-

ks- k --

kss - + +-) + + (ks -k- k--) Количество частиц С - молекул АТФ - в случае «двухканальной» реакции

С =-

kT (kST + ks)

kST (кт + k_i) + кт (ks + k_i)

1 +

k_1 (kST + кт) kT (kST + ks) )

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

зависит от всех четырех констант скорости kт, ksт, ^ станты скорости kST превращения комплексов [А,

и k . Равенства (4) и (18) позволяют определить ус- -В5] в комплексы [А, В7]. Однако эта константа ^

ловия, при выполнении которых «двухканальный» существенно влияет на стационарное количество

путь реакции будет эффективнее «одноканально- продукта реакции АТФ.

го». Как и следовало ожидать, «двухканальный»

Интересная ситуация возникает, если константа

путь реакции будет эффективнее «одноканально- ^т становится достаточно большой >> kт , ks ). го», если kт > k Этот результат не зависит от кон- В этом случае

С =

1

кт

1 + (k_1 / ks) k_1 + kT

(19)

и основным источником образования молекул АТФ является предшественник [А, ВТ].

Результаты и выводы

1) Кинетический анализ показал, что «включение» дополнительного канала ферментативного фосфорилирования с константой скорости ^ способен увеличивать выход АТФ, если эта константа

больше скорости «синглетного» канала ^ > ks.

2) Если kт > ks , то эффективность двухканаль-ного механизма будет выше эффективности однока-нального при любых значениях констант kSт

3) Зависимость kST (Н) от магнитного поля Н позволяет объяснить наблюдаемую магнитно полевую зависимость выхода АТФ.

Литература

1. Авдеева Е. И. Магнитно-зависимый пул АТФ в бактериях E. coli Современная химическая физика: сб. тез. XXVIII симп. (Туапсе, 19-30 сент. 2016 г.). - Туапсе, 2016. - С. 273.

2. Авдеева Е. И. Магнитно-полевые и магнитно-изотопные эффекты 25Mg на кинетику роста бактериальных клеток E. coli // V съезд биофизиков России: материалы докл. - Ростов-на-Дону, 2015. - С. 273.

3. Авдеева Е. И., Летута У Г. Влияние магнитного поля на колониеобразующую способность Echerichia coli в присутствии изотопов магния // Вестник Оренбургского государственного университета. -2015. - № 13. - С. 98-102.

4. Авдеева Е. И., Шевченко У Г., Бердинский В. Л. Биологические эффекты магнитного изотопа магния 25Mg в клетках E. rnli // Хим. физика. - 2012. - Т. 30. № 7. - С. 1-18.

5. Бучаченко А. Л. Магнитно-зависимые молекулярные и химические процессы в биохимии, генетике и медицине // Успехи химии. - 2014. -Т. 83. - № 1. - С. 1-12.

6. Бучаченко А. Л. Новая изотопия в химии и биохимии; Ин-т проблем хим. физики РАН. - М.: Наука, 2007. - 189 с.

7. Бучаченко А. Л. [и др.] // Докл. АН. - 2004. - Т. 396. - С. 828-832.

8. Бучаченко А. Л., Кузнецов Д. А., Бердинский В. Л. О происхождении биологических эффектов электромагнитных полей: новые механизмы // Биофизика. - 2005. - № 80. - С. 16.

9. Летута У Г., Летута С. Н., Бердинский В. Л. Влияние слабых магнитных полей и изотопов магния на бактерии E. coli // Биофизика, 2017. - Т. 62, № 6. - С. 1134-1141.

10. Летута У Г., Бердинский В. Л. Ферментативные механизмы биологической магниточувствительно-сти: эффекты ядерного спина // Известия Академии наук. Сер. Химическая. - 2015. - № 7. - С. 1547-1552.

11. Letuta U. G. Magnetic Isotopes of 25Mg and 67Zn and Magnetic Fields Influence on Adenosine Triphosphate Content in Escherichia Coli // Journal of Physics: Conference Series - 2020. - Vol. 1443, - №. 1. - P. 654-661.

Статья поступила в редакцию: 16.04.2021; принята в печать: 21.05.2021.

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.