Отсутствие заряда у частиц существенно затрудняет исследование их трансмембранного транспорта, и до последнего времени транспорт неэлектролитов оставался наименее изученным. Недавно было показано, что мембранный белок аквопорин образует в мембране водную пору, непроницаемую для ионов. Пространственная структура аквапорина напоминает цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Аминокислоты в белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля «переключается» в центре молекулы на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала направлены в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал ионов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 — у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

Открытие аквапоринов стимулировало интерес к чрезвычайно важной проблеме функционирования клетки — механизмам трансмембранного транспорта молекул простых газов и других малых незаряженных молекул. Прежде всего это касается молекулярного кислорода и его синглетно возбужденной формы, а также СО2 , CO, NO, NH3 и др. Постоянный и интенсивный транспорт кислорода через клеточные мембраны — яркая особенность аэробной жизни, обусловленная в первую очередь его необходимостью для процессов дыхания и окислительного фосфорилирования. До последнего времени господствовало мнение, что диффузионное сопротивление липидного бислоя для кислорода практически не отличается от сопротивления слоя воды аналогичной толщины, и его трансмембранный транспорт осуществляется путем простой диффузии.

В последние годы на кафедре биофизики развернуты систематические исследования мембранного транспорта малых незаряженных молекул и, в первую очередь, кислорода. С помощью специально разработанного прямого метода измерения трансмембранного потока кислорода было установлено, что диффузионное сопротивление липидных слоев для кислорода на два — три порядка выше, чем ранее полагали. Это связано с существованием кислородных каналов в клеточных мембранах, осуществляющих интенсивный кислородный транспорт. Прежде всего, это относится к мембранам эритроцитов, содержащих значительное количество аквапорина.

Найдены условия, при которых интенсивность потока кислорода определяется диффузионным сопротивлением мембраны эритроцитов, а диффузионное сопротивление водной фазы, окружающей клетку, минимизируется. Установлено, что диффузионное сопротивление мембраны эритроцитов для кислорода существенно меньше, чем можно было ожидать в условиях простой диффузии через липидный бислой. Ингибирование каналов аквапоринов приближает диффузионное сопротивление мембран для кислорода к сопротивлению липидного бислоя.

Диапазоны действующих концентраций и величины наблюдаемых эффектов торможения потоков кислорода и воды совпадают. Это означают, что канальный транспорт кислорода и воды в мембранах эритроцитов имеет общую природу. Получены доказательства важной роли мембранного транспорта кислорода в физиологии газообмена человека, в частности, при больших физических нагрузках и различных заболеваниях.

Проблемы клеточного анабиоза

Способность к переходу в анабиоз (состояния организма, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что отсутствуют видимые проявления жизни) присуща многим живым системам. Это состояние обычно для низших растений (мхи, лишайники), покоящихся спор микроорганизмов и семян высших растений. Семена растений представляются удобным объектом для изучения анабиоза. При анабиозе в клетках семян происходят деструктивные процессы, которые, в конце концов, приводят семена к гибели. Эти процессы протекают достаточно медленно, на что указывает возможность длительного (годы, десятилетия, и даже столетия) сохранения семенами жизнеспособности.

Оказалось, что в семенах медленно развиваются свободно-радикальные процессы деструкции и сшивки макромолекул. Продукты перекисного окисления (перекиси и альдегиды) участвуют в необратимых сшивках белков, липидов и нуклеиновых кислот. При этом наблюдается слабое свечение воздушно-сухих семян, являющееся фосфоресценцией при комнатной температуре.

Проведенные на семенах бобовых культур исследования позволили разработать метод оценки качества индивидуальных семян. Показано, что в каждой партии семян можно выделить три фракции — сильные (I), ослабленные (II) и мертвые (III). Распределение семян по трем фракциям может изменяться в ходе хранения и при различных воздействиях (УФ, ионизирующая радиация, гипертермия и др.). Вещества, тормозящие перекисное окисление липидов (эндогенные антиоксиданты, амидогуанин и др.) продлевают сроки хранения семян. Семена перспективно использовать и в качестве модели при исследовании общей проблемы старения.

Важным фактором жизнедеятельности является вода, на долю которой приходится основная часть содержимого живой клетки; она является прекрасным полярным растворителем, а также стабилизатором биологически важных структур, хотя ее роль этим не ограничивается. Поэтому чрезвычайно важным являются как фундаментальные, так и прикладные проблемы изучения роли воды в биологических процессах. Исследования, выполненные на модельных и биологических системах, привели к выводу, что вода во многом определяет равновесие сил в пределах макромолекул, мембран и других систем. Отражением этого равновесия сил является динамическая структура белков и мембран. Именно с динамикой белков и мембран связана эффективность многих биологических процессов. Оказалось, что макромолекулы ферментов характеризуются более интенсивным внутренним движением по сравнению с неферментными белками. Это, возможно, связано с более жесткими требованиями к процессам регуляции в случае ферментов, где не только сам субстрат, но и продукты его реакции не должны оказаться токсичными для организма.

Особенности динамической структуры биополимеров играют важную роль и на клеточном уровне организации. Здесь изменение динамики в процессах сорбции-десорбции белков приводит к заметному изменению числа степеней свободы и энтропии системы и, соответственно, к малому изменению свободной энергии в подобных процессах. В результате появляется еще один связанный с водой важный механизм управления биологическими процессами с помощью слабых воздействий. Связь между резкой активацией метаболизма и появлением воды в жидкой фазе была четко показана при изучении изменения состояния воды в ходе набухании семян растений.

Решающую роль в жизнеспособности живой клетки играет подвижная вода. Проводимые на кафедре исследования позволили обнаружить неизвестный ранее механизм удержания подвижной воды. Для более чем 100 видов и штаммов грибов, мхов и лишайников с помощью метода ЯМР было показано, что в воздушно-сухих клетках устойчивых к потере воды видов всегда сохраняется некоторое количество подвижной свободной воды. У неустойчивых форм, в том числе у разных штаммов одного вида, такая вода обычно отсутствует. Обычно у устойчивых форм ее количество составляет порядка нескольких процентов, а у криптококков, обитающих в условиях высокогорных пустынь Восточного Памира с резкими колебаниями температуры и влажности в течение суток, количество подвижной воды достигает 30% от веса воздушно-сухой биомассы.