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生物电及膜电位的热力学基础

投稿时间:2017-02-12 11:44 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

生命是灵魂和物质的结合,两者缺一不可。生物电就是生命的灵魂,因为它只能从上一代继承而来,随生命体的死亡而消失;它是至今唯一用科学仪器可以测出的人们传统观念上的灵魂。

目前,虽然生命的起源还很难以现有的热力学知识来理解。不过生物电和膜电位的产生却有坚实的化学热力学基础。作者最近在“生物电与膜电位”一文中已经分析了钙、钠、钾离子浓度梯度及离子交换与膜电位的关系;在“生物电与膜电位的离子基础”一文从不同金属阳离子的本性,分析了它们分别对生物电和膜电位的影响(两篇文章都已投稿科学智慧火花栏目)。本文主要以化学热力学为基础,分析与生物电及膜电位相关的离子交换过程的能量变化。这几篇文章的目的都是想揭示生物电的本质。

根据化学热力学知识,任一过程的吉布斯自由能变若为负值,则该过程为一自发过程。若自由能变为正值,则是一个消耗能量的非自发过程。下表列出了钾、钠、钙、镁及氢等五种水合离子的摩尔生成自由能(kJ mol-1[1]

-1 几种水合离子的生成自由能

水合离子

Mg2+

Ca2+

H+

Na+

K+

生成自由能

-454.8

-553.5

0

-261.9

-283.3

我们把配置了通道蛋白的脂质膜围起的胞浆看作体系,把各离子浓度不易改变的大量的胞外液看作环境。

对于体系与环境发生的钙/钠离子交换,若进入2Na+换出1Ca2+,则该体系有

Ca2+ == 2 Na+

(式中的双等号代表的是一个可逆号)此交换过程的自由能变

(代儿它)G0 = 2 ×(-261.9) – (-553.5) = +29.7(kJ mol-1)

得到的自由能变为+29.7kJ.mol-1,是正值,说明此过程是一个非自发过程。也就说,要想进入胞内2个钠离子,替换出1个钙离子,是一个耗能过程。反之,若进入胞浆1Ca2+,排出2Na+,则是一个不用耗能的自发过程。

细胞外液中的钙离子浓度通常为2 m mol/L,而静息态的活细胞的胞浆钙离子浓度大约在千万分之几个mol/L的量级。细胞通常要维持这么低的胞内钙离子浓度,是由水解ATP为代价的耗能过程来完成的。

标准条件下,在pH=7.0时,ATP水解的△G0为-30.5kJ/mol。所以,水解1个ATP,足可以从胞浆中驱出1个钙离子,或将1个钙离子从胞浆中隔离进胞浆钙库内。这一过程在生物学上通常是由钙-ATP酶(也称为钙-APT泵)来完成的。

钙元素具有亲磷性。ATP的水解通常发生在第三个磷酸根与第二个磷酸根之间的P-O-P键上。ATP的第三个磷酸根上有两个P-O-基团刚好能结合1个二价的钙离子。ATP能将钙离子与这个磷酸根一起,通过钙-ATP酶送入跨膜的胞内钙库或排出胞外。同时ATP水解下这第三个磷酸根并生成ADP。这在生物学上称为高能磷酸键的水解,这种高能磷酸键在化学上的意义是一种很不稳定的、键能比较小的化学键。这一过程可能受立体化学效应的影响,跨膜配置的钙-ATP酶的孔道必有一定的深度。ATP的三磷酸链的第三个磷酸根不但能结合钙离子,还刚好能将钙离子送入这一孔道,并达膜的另一边。ADP的二磷酸链及AMP的单磷酸基,由于链短而往往难以完成此任。

ATP的水解还常常为肌动蛋白单体或管蛋白单体的聚合提供能量。这种聚合通过一种文献上称为“踏车”的方式,也就是本作者提出的一种纤维装配压机理[2],为多种细胞运动提供机械力。在单体的聚合时可能也存在这种ATP的立体化学效应。所以ATP的水解在生物学上具有特别重要的意义。

对于钙/钾离子交换,若进入2K+换出1Ca2+,则有

Ca2+ == 2 K+

交换过程的自由能变

G0 =2 ×(-283.3) – (-553.5) = -13.1(kJ mol-1)

此过程的自由能变为-13.1kJ.mol-1,是负值,说明这是一个自发过程。也就是说,若起始时是一种膜内外的钾与钙离子浓度都相等的状态,那么进入两个钾离子而换出一个钙离子是自发的,不需要能量的。

    若发生的是跨膜的钠/钾交换 

Na+== K+

交换过程的自由能变

G0= -283.3 – (-261.9) = -21.4(kJ mol-1)

此计算说明,钾进钠出是一个自发过程。上面的两个计算非常重要,从热力学上解释了为什么细胞内会出现那么高的钾离子浓度梯度,钠则相反。

从表-1的数据可能看出,水合钙离子的生成自由能刚好位于两倍钠、钾值的中间,这使得钙离子上能操钾,下能控钠。而水合镁离子的生成自由能不在两倍钠、钾值的中间,所以镁离子不能操控钠、钾离子而进行膜电位的运作。

在生命过程中,膜电位及离子浓度梯度的运作都符合热力学规律。生物电是由生命操控的跨膜离子梯度及一价与二价阳离子间的交换来进行运作的。其能量来源是ATP的水解,在细胞静息时通过水解ATP降低胞内钙浓度,作为一个储能过程。在兴奋时或需要对细胞进行操控时,利用钙释放的自发过程而做功。

胞内钙离子浓度的陡然升高,使细胞膜去极化,膜内电压快速增大。钙离子和电压一起门控着不同类型的钠离子通道。钙及钠离子,与电压一起门控着所有的钾离子通道。寻根刨底,所有离子通道都受钙离子控制。

细胞将ATP的水解能逐渐储存于胞浆中钙离子的极低浓度状态,使钙离子的释放成为自发的快速的过程。由于钠离子具有比钾离子大得多的亲水性,所以钠离子通常协带着其局部浓度的倒数的体积的水体,一起在胞内运动或进行跨膜交换。而钾离子在水溶液中的运动往往是近乎“裸奔”,其周围“跟班”的水分子很少。在水溶液中钾的离子电导远大于钠的事实也刚好说明了这一观点。

在神经元的轴浆中,当动作电位发生时电压门控的钠通道天放,从轴丘后的起始段进入的钠离子带着跟班水形成瞬时的轴浆流,推动着钙波快速向前传播。

在横纹肌纤维中,生物电、膜电位和渗透压一起控制着肌肉的收缩。与动作电位同时,胞内钙库释放出大量顺势能而为的钙离子。作为电荷平衡,钙离子将近乎两倍的钠离子驱逐出胞浆,这些钠离子带着由渗透浓度决定的“跟班”水一起进入肌质网。由于肌小节内大量的肌浆液转移进肌质网,导致肌小节缩短而肌质网膨胀,使整块横纹肌的横向变粗而纵向收缩,产生肌肉的收缩力。需要强调的是,胞内由参与交换的钠离子所贡献的浓度,远小于胞内钠浓度(通常要小几个数量级),更小于胞外钠浓度,因此很难引起人们的注意。作者经过计算,只要胞内数万分之一甚至十万分之一摩尔每升的钠离子浓度的变化所产生的渗透压,就能相当于体育生理学中根据肌肉体积或横截面积所计算的肌力的大小。有关详细计算将另笔讨论。

在肌肉的复极期,通过ATP的水解逐渐将钙离子隔离进胞内钙库,并被隐钙蛋白(calsequestrin[3]收容。同时,钠离子带着跟班水从肌质网返回肌小节,肌肉恢复松弛状态。

在肌肉的收缩及松弛的整个循环中,肌小节中粗细丝间的滑动结构确保了收缩从三维集中到一维方向上从而产生更大力的效果。其中粗丝上的肌球蛋白“横桥”只起到维持粗、细丝间的距离而保持相对衡定的作用,而非马达牵引效应。

本文提出的这种肌肉收缩的机理,将兴奋性、膜电位变化、离子浓度变化、ATP水解、与收缩直接联系为一体,能够将迄今为止所有在肌肉收缩机理研究中所遇到的难题全部解决。例如,每次肌肉收缩每个横桥都要摆渡多次,其中的换手、间距及与ATP水解的关联等问题,还有那么多横桥的同一个意愿的统一行动的指挥及信号问题。不过,作者深知,要动摇由西方权威建立起来的肌肉收缩机理,谈何容易。但是,我相信属于中国的科学的春天已经来临。

20170212

参考文献

1、   兰格氏化学手册[Lange’s Handbook of Chemistry (15th Edition): Table 6.3 Enthalpies and Gibbs Energies of Formation, Entropies, and Heat Capacities of the Elements and Inorganic Compounds (Continued)]

2、   王孝恩,关于生命起源的探索,中科院科学智慧火花栏目, 2016-07-21.

3、 Carlo Manno, et. al., Calsequestrin depolymerizes when calcium is depleted in the sarcoplasmic reticulum of working muscle.  PNAS January 24, 2017 vol. 114 no. 4 E638-E647.