УЯЗВИМЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫЕ МЕСТА SARS-COV-2; ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИРУСА И РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЕГО ИНАКТИВАЦИИ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ, 2021, 22(1): 3−20 3
ПРОБЛЕМНАЯ СТАТЬЯ
УЯЗВИМЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫЕ
МЕСТА SARS-COV-2;
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИРУСА
И РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЕГО ИНАКТИВАЦИИ
В.Г. Каплуненко1*, Н.В. Косинов1, А.В. Скальный2,3
1ООО «Наноматериалы и нанотехнологии», Киев, Украина
2 Первый Московский государственный медицинский университет
имени И. М. Сеченова (Сеченовский университет)
3Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
РЕЗЮМЕ. Рассмотрены электрически заряженные молекулярные группировки на поверхности вируса как
мишени для противовирусных средств. Показана перспективность применения в качестве противовирусных
средств микроэлементов в низкой степени окисления. Разработана электрическая модель SARS-CoV-2 в виде
многослойной структуры, где каждой оболочке соответствуют электрически заряженные белки на поверхности
вируса. Модель раскрывает роль кулоновских сил в процессах адсорбции и слияния и позволяет выявить уяз-
вимые места коронавируса, чувствительные к электрически заряженным веществам и к электрическому полю.
Раскрыт механизм противовирусного действия микроэлементов, основанный на подавлении электростатиче-
ского взаимодействия вируса с клеткой путем нейтрализации зарядов на поверхности вируса и клетки. Это поз-
воляет подбирать олигопептиды и микроэлементы в низких степенях окисления для подавления адсорбционной
способности вирусов. Особая роль микроэлементов состоит в том, что многие потенциальные мишени, недо-
ступные для антител и других больших молекул, легко доступны для микроэлементов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электрическая модель SARS-CoV-2, уязвимые места коронавируса, кулоновская
инжекция РНК, низковалентные микроэлементы.
ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ нов, рентгеноструктурный анализ способен опи-
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ сать отдельные белки или их фрагменты, а моле-
ВИРУСОВ кулярно-биологические и биохимические методы
Для выбора правильной стратегии борьбы с дают сведения о том, сколько каких молекул
вирусами необходимо знать их уязвимые места. входит в состав вируса и как они между собой
В данной работе в качестве мишеней для проти- взаимодействуют. При этом создается парадок-
вовирусных средств рассматриваются электриче- сальная ситуация: многие вирусы изучены очень
ски заряженные молекулярные группировки на подробно и в деталях, но не существует универ-
поверхности вирусов. сальной научной методики, которая позволила
Вирусы, как и другие биологические объек- бы полностью описать строение вируса и меха-
ты, характеризуются не только системными био- низм его взаимодействия с клеткой (Как создать
логическими свойствами, но и чисто физически- 3D-модель…, 2014).
ми. К физическим параметрам можно отнести их Для изучения вирусов используют их моде-
массу, геометрические характеристики, электри- ли. Наиболее информативными являются 3D-мо-
ческие характеристики и другие. Для того чтобы дели вирусов, полученные с помощью метода
описать устройство вируса, нужно пользоваться сканирующей зондовой микроскопии (SPM-scan-
множеством методов. Электронная микроскопия ning) (Как создать 3D-модель…, 2014; Peering
позволяет оценить размеры и очертания вирио- under the «hood»…, 2020). Такие модели дают
________________________ ________________________
* Адрес для переписки: Микроэлементы в медицине, 2021
Каплуненко Владимир Георгиевич
Е-mail: kaplunenkov@gmail.com DOI: 10.19112/2413-6174-2021-22-1-3-204 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
представление о геометрическом строении виру- электрического строения вирусов сделано важ-
сов, составе их белков и раскрывают их струк- ное открытие, что электрически заряженные
турные особенности. Но и они не позволяют по- группы белков в вирусных частицах играют био-
лучить исчерпывающую информацию о вирусе, логическую роль, используя механизм электро-
поскольку являются «механическими» моделями статического взаимодействия (Carrillo et al.;
и не позволяют полностью раскрыть те особен- 2018). Не менее важна роль электростатики и в
ности строения вируса, которые влияют на энер- процессах сборки вириона, что исследовано в
гетические характеристики вируса и на механизм работе (Garmann et al., 2014).
его взаимодействия с клеткой. Несмотря на то, что вирус состоит из множе-
Для того чтобы вирус смог проникнуть в ства электрически заряженных белков, а сам ме-
клетку, он должен затратить определенную энер- ханизм его взаимодействия с клеткой тоже носит
гию. Мембрана клетки представляет для вируса электрический характер (Спивак и др., 2020), нам
энергетический барьер. Вирус не дышит – у него не удалось найти публикаций, где была бы приве-
нет дыхательной системы. Вирус ничего не по- дена электрическая модель коронавируса SARS-
требляет и ничего не выделяет. Так как вирусы – CoV-2. В то же время электрическая модель мем-
это максимально упрощенные биологические браны клетки разработана и описана достаточно
объекты, способные только на паразитическую подробно (Moczydlowski, https://doctorlib.info/phy-
функцию и неспособные к самостоятельному siology/medical/32.htm). Отсутствие электрической
производству энергии, их белки слияния могут модели вируса не позволяет применить электри-
атаковать мембраны только за счет изначально ческие методы при исследовании процессов взаи-
запасенной в них энергии. Вирус не потребляет модействия вируса и клетки на этапе адсорбции.
энергии из окружающей среды и не может по- Применению электрической модели мембраны
полнить извне свой запас энергии. В то же время клетки при изучении процессов слияния мембран
его внутренней энергии достаточно для преодо- вируса и клетки явно недостает электрической
ления энергетического барьера, которым являет- модели вируса. Кроме того, электрическая модель
ся для него клеточная мембрана. В работах вируса могла бы стать инструментом для выявле-
(Walls et al., 2016; Casalino et al., 2020) белок S2 ния новых уязвимых мест на поверхности вируса,
вируса описан как «метастабильная подпружи- потенциальных мишеней для его инактивации.
ненная машина для слияния» в понимании того, Ранние представления об электрическом ха-
что ее энергия подобно механической «подпру- рактере взаимодействия вирусов с клеткой были
жиненной машине» затрачивается на доставку ви- предельно упрощенными и сводились к тому, что
русного генома и сопутствующих молекул внутрь прикрепительные белки вируса, несущие отрица-
клетки, чтобы запустить цикл размножения. тельный заряд, присоединяются к участкам кле-
В каком виде вирус хранит в себе энергию? точной стенки, имеющей положительный заряд
Такой энергией является энергия электрических (Литусов, Устюжанин, 2012). На рис. 1 представ-
зарядов белков и электрического заряда РНК лена электрическая модель вируса, которая от-
(Спивак и др., 2020). Этой электрической энер- ражает это упрощенное понимание электриче-
гии вирусу достаточно для преодоления энерге- ского строения вируса.
тического барьера мембраны и проникновения в
клетку.
Поскольку белки вируса покрыты гидратной
(однослойной, двухслойной, трехслойной и т.д.)
оболочкой (Гребенкина и др., 2017), то на вели-
чину этой энергии влияет энергия гидратации
белка (Чизмаджев, 2003; Maurer, Oostenbrink.
2019). В данной обзорной статье мы не ставим
целью оценить величину внутренней энергии,
мы лишь подчеркиваем, что эта энергия электри-
ческая, а не механическая.
Количество работ по исследованию элек- Рис. 1. Упрощенная электрическая модель вируса: 1 – элек-
трических особенностей строения вирусов не- трически заряженная +РНК вируса; 2 – электрически заря-
прерывно растет. В результате исследований женная оболочка вирусаКаплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 5
По мере углубления знаний о вирусах ста- et al., 2020). Эти результаты исследований позво-
новится понятно, что у разных вирусов есть свои ляют использовать их для создания электриче-
особенности реализации механизма адсорбции и ской модели коронавируса SARS-CoV-2. Соот-
слияния, которые напрямую связаны с индиви- ветственно, появляется понимание того, какие у
дуальной картиной распределения электрически вируса есть уязвимые места и как на них воздей-
заряженных участков на их поверхности. ствовать для его инактивации.
В работе (Casalino et al., 2020) показано, что Так, например, было обнаружено, что на
поверхность S-белка коронавируса SARS-CoV-2 пепломерах SARS-CoV-2 на расстоянии пример-
покрывает гликановый экран. Гликановый щит – но 10 нм от домена RBD находится электрически
это сахарный барьер на шипах, который помога- заряженная область с положительным зарядом,
ет коронавирусу SARS-CoV-2, во-первых, укло- состоящая из трех многоосновных сайтов рас-
няться от иммунной системы хозяина, во-вторых, щепления. Выявленные положительно заряжен-
усилить свою инфицирующую активность. По- ные области на пепломерах SARS-CoV-2 вдали
добно многим другим вирусам, SARS-CoV-2 ис- от прикрепительных белков домена RBD явля-
пользует гликановый щит, чтобы маскировать S- ются важным открытием в вирусологии (Qiao, de
белок и препятствовать иммунному ответу хозя- la Cruz, 2020). На рис. 2 условно показано распо-
ина. При этом установлено, что поверхность ложение положительно заряженных белков сай-
RBD покрыта гликанами на 62%, а ножка шипа тов расщепления на поверхности коронавируса
имеет еще большее покрытие – до 90%. Извест- SARS-CoV-2.
но, что ножки шипов из-за геометрических осо-
бенностей строения поверхности коронавируса
почти полностью недоступны для больших мо-
лекул, таких как антитела. Гликановое покрытие
ножки шипа создает еще больший барьер для
больших молекул, в том числе и для олигопепти-
дов. Учет гликанового покрытия на поверхности
шипов позволяет разработать правильную про-
тивовирусную стратегию. При разработке проти-
вовирусных средств важно учитывать все страте-
гии, которые используют вирусы для уклонения
от иммунного ответа хозяина. В этом контексте Рис. 2. Расположение электрически заряженных белков на
поверхности коронавируса SARS-CoV-2: 1 – электрически за-
применение противовирусных микроэлементов
ряженная +РНК вируса; 2 – электрически заряженные пеп-
для борьбы с вирусами приобретает еще большее ломеры; 3 – положительно заряженные белки сайтов рас-
значение. Микроэлементы имеют преимущества щепления
по сравнению с большими молекулами: им легче
преодолевать гликановый барьер, они имеют В работе (Qiao, de la Cruz, 2020) не приведе-
очень малые размеры и высокую подвижность и на величина электрического заряда всей положи-
могут легко проникать в труднодоступные места тельно заряженной области на пепломерах, но
поверхности вируса, например, попадать на нож- судя по тому, что синтезированный олигопептид
ку шипа (Патент UA № 145011…, 2020; Патент с электрическим зарядом –3е нейтрализовал за-
UA № 145012…, 2020). Для учета влияния гли- ряд одного сайта расщепления, можно предпо-
канового щита на структуру электрической мо- ложить, что электрический заряд обнаруженной
дели коронавируса необходимы дополнительные области составляет величину +9е. Специально
сведения о величине электрического заряда гли- разработанный отрицательно заряженный тетра-
канов и характере распределения заряда по по- пептид GluGluLeuGlu, который связывается с
верхности. одним из трех многоосновных сайтов расщепле-
Несколько групп ученых уже получили но- ния, демонстрирует, что положительно заряжен-
вые результаты исследований коронавируса ные белки многоосновного сайта расщепления
SARS-CoV-2, которые позволяют понять роль являются дополнительным уязвимым местом для
электрически заряженных белков вирусов в про- вируса и могут служить мишенью для нейтрали-
цессах адсорбции и слияния вируса с клеткой зации связывания RBD с рецептором клетки. В
(Qiao, de la Cruz, 2020; Clausen et al., 2020; Yan данном исследовании приведены величины и6 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
знак зарядов рецептора ACE2 и пепломеров ви- чательно, что эта поверхность примыкает к сайту
руса. Они имеют отрицательные электрические связывания ACE2, но отделена от него, что поз-
заряды величиной –28е и –21е соответственно. воляет предположить, что один RBD может од-
В работе (Yan et al., 2020) исследователи новременно связывать как гепарансульфат кле-
определили и подробно описали структуру ре- точной поверхности, так и рецептор ACE2
цептора АСЕ2, с которым связывается SARS- (Clausen et al., 2020). Эти открытия позволяют
CoV-2 для проникновения в клетку. Размеры об- использовать их для разработки электрической
ласти, к которой прикрепляется RBD, составля- модели коронавируса SARS-CoV-2.
ют величину приблизительно 11 нм.
Еще большей новизной оказалось наличие ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
электроположительных участков на поверхности КОРОНАВИРУСА
шипа непосредственно на самом RBD SARS- С учетом вновь открытых электрических
CoV-2, в то время как на RBD SARS-CoV-1 та- особенностей коронавируса (Qiao, de la Cruz,
ких участков не обнаружено (Clausen et al., 2020; Clausen et al., 2020; Yan et al., 2020;
2020). На рис. 3 условно показано расположение Casalino et al., 2020), электрическую модель коро-
положительно заряженных белков сайтов рас- навируса SARS-CoV-2 в словесном ее описании
щепления и положительно заряженных участков можно представить в виде симметричной много-
на RBD SARS-CoV-2. слойной сферы с тремя электрически заряженны-
ми оболочками и с ядром, имеющим положитель-
ный заряд. Оболочки имеют разные знаки и вели-
чины электрических зарядов. Первая (наружная)
оболочка заряжена отрицательно. Вторая (внут-
ренняя) оболочка заряжена положительно. Она
отображает электрические заряды белков на RBD.
Третья (внутренняя) оболочка заряжена положи-
тельно и находится на расстоянии 10 нм от
наружной оболочки. Первая (наружная) оболочка
имеет суммарный отрицательный электрический
заряд, равный –21Nе. где: е – заряд электрона,
Рис. 3. Расположение электрически заряженных участков на по- равный 1,60217662х10-19 Кл; N – количество пеп-
верхности коронавируса SARS-CoV-2: 1 – электрически заря-
женная +РНК вируса; 2 – электрически заряженные пепломеры;
ломеров. Третья (внутренняя) оболочка имеет
3 – положительно заряженные белки сайтов расщепления; суммарный положительный электрический заряд,
4 – положительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2 предположительно равный +9Nе.
Электрические заряды располагаются на по-
Электроположительные участки поверхно- верхности вируса дискретно в соответствии гео-
сти на RBD SARS-CoV-2 были выявлены на кар- метрическим местом расположения пепломеров
те электростатического потенциала. Аминокис- на поверхности, а электрические поля зарядов
лотная последовательность RBD S-белка SARS- непрерывны за счет перекрытия соседних элек-
CoV-2 на 73% идентична RBD SARS-CoV-1, и тростатических полей зарядов. Это представлено
эти домены очень похожи по структуре. Однако на графической модели, где каждая оболочка
карта электростатического потенциала RBD отображает непрерывный характер электриче-
SARS-CoV-1 не показывает электроположитель- ского поля, образованного или электроотрица-
ную поверхность, в то время как у SARS-CoV-2 тельными, или электроположительными участ-
она наблюдается. В этом отличие в распределе- ками поверхности вируса. Модель отражает
нии электрических зарядов RBD SARS-CoV-2 и наличие электростатических полей групп элек-
RBD SARS-CoV-1. Исследователи из Калифор- трических зарядов на поверхности вируса. В ре-
нийского университета в Сан-Диего (Clausen et зультате вокруг ядра (вокруг +РНК) образуется
al., 2020) обнаружили, что для связывания SARS- многослойная полевая рубашка. В таком полевом
CoV-2 с ACE2 необходим корецептор, запуска- электростатическом одеянии вирус взаимодей-
ющий взаимодействие с ACE2, роль которого ствует с клеткой. На рис. 4 представлена разра-
выполняет гепарансульфат – сильно отрицатель- ботанная электрическая модель коронавируса
но заряженный линейный полисахарид. Приме- SARS-CoV-2 (Заявка UA № u2020 07717, 2020).Каплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 7
2. Поверхность вируса, разветвленная за
счет находящихся на ней шипов, на шипах рас-
положены электрически заряженные участки
(Qiao, de la Cruz, 2020; Clausen et al., 2020).
3. Внутри оболочки вируса находится поло-
жительно заряженная РНК.
4. Электрические заряды на поверхности
распределены определенным, строго фиксиро-
ванным образом (Qiao, de la Cruz, 2020; Clausen
et al., 2020).
Дополнительно, кроме знака электрических
Рис. 4. Электрическая модель коронавируса SARS-CoV-2: зарядов, необходимо знать величины электриче-
1 – электрически заряженная +РНК вируса; 2 – электроотри- ских зарядов белков на поверхности вируса и за-
цательная внешняя оболочка, отображающая заряды пепло- ряд ядра. Необходимо выяснить как изменяется
меров; 3 – электроположительная внутренняя оболочка,
картина распределения электрических зарядов
отображающая положительно заряженные белки сайтов рас-
щепления; 4 – дополнительная электроположительная внут- вируса при адсорбции вируса и взаимодействии с
ренняя оболочка, отображающая положительно заряженные АСЕ2, CD147 и NRP1 (нейропилин-1). Очень
участки на RBD SARS-CoV-2 важно выяснить, какие изменения претерпевает
картина распределения электрических зарядов на
Эта электрическая модель коронавируса поверхности вируса при слиянии его с клеткой.
SARS-CoV-2 имеет дополнительные электропо- Для более детальной электрической модели
ложительные оболочки, отображающие электри- вируса необходимо знать величину электрической
ческие заряды белков сайта расщепления и нали- емкости вирусной частицы, диэлектрическую про-
чие электроположительных участков поверхно- ницаемость и проводимость. Их учет требует до-
сти на самом домене RBD (Заявка UA № u2020 полнительных исследований и выходит за рамки
07717, 2020). Учет их влияния позволяет выяс- данной обзорной статьи.
нить какие электрические токи будут протекать Известно, что диэлектрические свойства бел-
через мембрану при слиянии вируса с клеткой, ков капсида и гликопротеинов оболочки значи-
получить энергетические характеристики вируса, тельно влияют на диэлектрические постоянные
его энергетический потенциал и определить, ка- вирусов и, в конечном счете, на их электрическую
кие изменения претерпевает этот потенциал при емкость, что позволяет применить метод скани-
слиянии вируса с клеткой. Электрическая модель рующей зондовой микроскопии (SPM – scanning)
коронавируса позволит глубже понять роль и ме- для определения электрической емкости вируса.
сто кулоновских сил в процессах адсорбции и Этот метод ученые уже применяют для обнару-
слияния вирусов с клеткой и выявить потенци- жения и идентификации вирусов, используя их
альные уязвимые места коронавируса. Особый различные спектры электрической емкости в ка-
интерес представляют те уязвимые места вируса, честве уникальных идентификационных призна-
на которые можно воздействовать электрически ков (MacCuspie et al., 2008).
заряженными веществами или электрическим Представленная на рис. 4 электрическая мо-
полем. Среди электрически заряженных веществ дель коронавируса SARS-CoV-2 отображает всего
наибольший интерес в этом плане представляют лишь одно из существенных свойств коронавиру-
микроэлементы в низкой степени окисления са – его электрические свойства и, естественно,
(Спивак и др., 2020). является упрощенным отображением реального
При построении электрической модели ко- вируса. Модель всегда проще моделируемого
ронавируса SARS-CoV-2 учтены следующие его объекта – в этом суть моделирования (Волкова и
особенности, влияющие на кулоновский меха- др., 2015).
низм взаимодействия вируса с клеткой. Дальнейшее уточнение модели должно учи-
1. Коронавирус SARS-CoV-2 представляет тывать электростатическое окружение взаимодей-
собой электрически заряженную биологическую ствующих объектов, дисперсионные взаимодей-
наночастицу размером примерно 120 нм. Вирус ствия и процессы гидратации. Это требует допол-
имеет длину шипов около 20 нм (Peering under нительного исследования и не рассматривается в
the «hood»…, 2020). данной обзорной статье.8 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ствием электрических сил притяжения и оттал-
ПРИ АДСОРБЦИИ ВИРУСА кивания при адсорбции и взаимодействии вируса
НА МЕМБРАНЕ КЛЕТКИ с рецептором АСЕ2.
Модельное представление вируса в виде Отрицательно заряженный рецептор АСЕ2
электрически заряженного объекта важно для своим электрическим полем отталкивает отрица-
моделирования процесса адсорбции и для углуб- тельно заряженные участки пепломеров и притя-
ленного понимания процесса слияния. Совер- гивает к себе положительно заряженные белки
шенно очевидно, что в процессе взаимодействия сайтов расщепления. Пепломеры очень тонкие,
вируса с клеткой происходит изменение и «де- гибкие и подвижные, поэтому действие электри-
формация» картины распределения электриче- ческих сил приводит к их изгибам и деформаци-
ских зарядов на поверхности вируса. Под дей- ям, что вызывает смещения зарядов в простран-
ствием кулоновских сил при приближении элек- стве. Следствием этого является перестройка
трически заряженных участков вируса к элек- картины распределения зарядов на поверхности
трически заряженным участкам поверхности вируса (рис. 5). Концы пепломеров отдаляются
клетки происходит реальная деформация и пере- от АСЕ2 и обнажают положительно заряженные
стройка поверхности вируса. Это в первую оче- участки сайтов расщепления, делая их доступ-
редь относится к электрически заряженным пеп- ными для электрического поля рецепторов
ломерам вируса. АСЕ2. Изгибы и деформации пепломеров под
Ученые из Университета науки и техноло- действием кулоновских сил отображаются на
гий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудов- модели коронавируса соответствующей локаль-
ской Аравии создали самую точную и современ- ной перестройкой электрических оболочек.
ную визуализацию коронавируса – 3D-модель Каждому этапу существования вируса и его
SARS-CoV-2. Диаметр вируса составляет при- взаимодействия с клеткой (этапу, предшествую-
мерно 120 нанометров. Длина пепломеров около щему адсорбции, этапу адсорбции и этапу слия-
20 нм. Из 3D-модели следует, что пепломеры ви- ния) должна соответствовать электрическая мо-
руса имеют особенности – они очень тонкие, дель, учитывающая перестройку оболочек. Одна
гибкие и подвижные (Peering under the «hood»…, модель представляет вирус в свободном состоя-
2020; Nguyen et al., 2020). нии и пригодна для моделирования начала про-
На рис. 5 условно показана перестройка и цесса адсорбции и для изучения поведения виру-
деформация пепломеров коронавируса под дей-
Рис. 6. Локальная перестройка электрических оболочек на
модели коронавируса SARS-CoV-2 при адсорбции и взаимо-
действии с рецептором АСЕ2: 1 – электрически заряженная
+РНК вируса; 2 – электроотрицательная внешняя оболочка,
Рис. 5. Перестройка и деформация пепломеров коронавируса отображающая заряды пепломеров; 3 – электроположитель-
под действием электрических сил при адсорбции и взаимо- ная внутренняя оболочка, отображающая положительно за-
действии с рецептором АСЕ2: 1 – электрически заряженная ряженные белки сайтов расщепления; 4 – дополнительная
+РНК вируса; 2 – электрически заряженные пепломеры; 3 – электроположительная внутренняя оболочка, отображающая
положительно заряженные белки сайтов расщепления; 4 – положительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2; 5 –
положительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2; 5 – электроотрицательный рецептор АСЕ2; 6 – электроположи-
электроотрицательный рецептор АСЕ2; 6 – электроположи- тельная мембрана клетки; 7 – деформированный под дей-
тельная мембрана клетки; 7 – деформированный под дей- ствием электрической силы участок электроотрицательной
ствием электрической силы пепломер; 8 – обнажившиеся внешней оболочки; 8 – обнажившийся участок оболочки бел-
электроположительные белки сайтов расщепления ков сайтов расщепленияКаплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 9
са в электрических полях, другая – применима к КУЛОНОВСКОЕ СЛИЯНИЕ
процессу адсорбции. Еще одна модель примени- МЕМБРАН ВИРУСА И КЛЕТКИ
ма к процессу слияния. Модель вируса в свобод- Работы по изучению процесса слияния мем-
ном состоянии имеет симметричную форму (рис. бран вируса и клетки активно проводятся дли-
4). В модели, применимой к процессу адсорбции, тельное время (Фролов, Самсонов, 1999; Макса-
симметрия будет локально нарушена, поскольку ев и др., 1999; Чизмаджев, 2003). Установлено,
при взаимодействии вируса с клеткой будут про- что на начальной стадии слияния формируется
исходить изменения в картине электрических за- узкий канал – пора слияния. При слиянии был
рядов, компенсация зарядов, перестройка элек- обнаружен, протекающий через пору слияния
трических полей, что отразится на структуре мо- емкостной электрический ток. Его изменение во
дели. Локальное нарушение симметрии будет времени отражает расширение поры слияния
происходить в зоне, приближенной к рецептору (Фролов, Самсонов, 1999). Расширенная пора
АСЕ2. Один из возможных вариантов локальной слияния обеспечивает возможность инжекции ви-
перестройки электрических оболочек на модели русной РНК в цитоплазму (Максаев и др., 1999).
коронавируса SARS-CoV-2 при его взаимодей- Картину слияния изучали путем отслеживания
ствии с АСЕ2 приведен на рис. 6. изменения электрической проводимости мембра-
Локальное нарушение симметрии электриче- ны (Чизмаджев, 2003). Несмотря на то, что в этих
ских оболочек на модели коронавируса происхо- исследованиях (Фролов, Самсонов, 1999; Максаев
дит только в той зоне на поверхности, которая непо- и др., 1999; Чизмаджев, 2003) использовались
средственно приближена к рецептору АСЕ2. Это электрические методы, они не привели к полному
связано с малыми размерами рецептора (порядка раскрытию механизма проникновения вируса в
11 нм), а также с тем, что сила кулоновского вза- клетку. Это можно объяснить отсутствием в те
имодействия электрических зарядов обратно про- годы электрической модели вируса. В то же время
порциональна квадрату расстояния и наиболее электрическая модель мембраны клетки успешно
эффективно проявляется на близких расстояниях. разработана, и она описана достаточно подробно
Исходя из соотношения размеров вируса (при- (Moczydlowski, https://doctorlib.info/physiology/me-
мерно 120 нм) и размеров АСЕ2 (порядка 11 нм), dical/32.html).
только незначительная часть пепломеров (около По данным литературы различают несколь-
1%), непосредственно прилегающих к АСЕ2, вза- ко механизмов проникновения вирусов в клетки
имодействует с этим рецептором и подвержена (Poranen et al. 2002; Marsh, 2006): макропиноцитоз,
деформациям. клатрин-зависимый эндоцитоз, клатрин-независи-
Отталкивающая сила, действующая на пеп- мый эндоцитоз и холестерол-зависимый эндоци-
ломеры со стороны АСЕ2, намного меньше силы тоз, механизм проникновения с помощью образо-
притяжения других пепломеров к мембране вания кавеол и механизм, зависимый от динамина.
клетки, поскольку количество этих других пеп- Мы разрабатываем электрические (кулоновские)
ломеров превышает число шипов, расположен- механизмы адсорбции вирусов на клеточной мем-
ных в зоне действия АСЕ2. Поэтому вирус при- бране и их проникновение в клетки.
тягивается и надежно удерживается на поверх- На кулоновский механизм взаимодействия
ности клетки. Отталкивающей силы со стороны вируса с клеткой косвенно указывают лабора-
АСЕ2 недостаточно для перемещения и отталки- торные эксперименты по принудительному элек-
вания всего вируса, ее хватает только для дефор- тростимулируемому слиянию клеток, которые
мации пепломеров, находящихся вблизи рецеп- проводились и проводятся в области клеточной
тора. Кроме рецептора АСЕ2, мишенями для инженерии. При воздействии на клетки внешним
коронавируса SARS-CoV-2 являются рецепторы электрическим полем происходит активное сли-
CD147 и NRP1 (Wang, 2020; Cantuti-Castelvetri яние клеток с сохранением их репродуктивной
et al., 2020). функции. Электростимулируемое слияние клеток
Для отображения характера перестройки впервые было осуществлено в 1979 г. (Чайлахян
электрических оболочек при взаимодействии ви- и др., 1987). После этого работы по электрослия-
руса с рецепторами CD147 и NRP1 необходимы нию клеток активно продолжались в рамках кле-
дополнительные сведения о знаке и величине точной инженерии (Черномордик, 1984;
электрических зарядов этих рецепторов. Zimmermann, Urnovitz, 1987). К настояще-10 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
му времени число подобных работ резко увели- их изучения необходимо пользоваться электри-
чилось (Чанг и др., 1992; Смольянинова и др., ческой моделью клетки (Moczydlowski,
2012; Гордиенко и др., 2012; Сингина и др., 2013; https://doctorlib.info/physiology/medical/32.html).
Yarmuch et al., 2014). Использование метода элек- Возможно, слияние вируса с клеткой проис-
тростимулируемого слияния охватывает все но- ходит под действием кулоновских электрических
вые и новые лаборатории мира (Чанг и др., 1992; сил, по тому же механизму, как это осуществля-
Сингина и др., 2013; Yarmuch et al., 2014). Про- ется в лабораторных экспериментах по электро-
мышленность уже освоила выпуск специального стимулируемому слиянию клеток, описанных в
оборудования для этого (Шигимага, 2014). Зна- работах в области клеточной инженерии. Разни-
ния, полученные при исследовании механизма ца может состоять только в том, что в лабора-
принудительного слияния клеток под действием торных технологиях для электрослияния клеток
внешнего электрического поля, могут быть ис- ученые используют внешнее электрическое поле,
пользованы для раскрытия механизма слияния а вирусу не нужно внешнее поле, у него для этой
вируса с клеткой, если предположить, что этот цели есть собственное электрическое поле, обра-
механизм реализуется за счет собственного элек- зованное электрическими зарядами белков, кото-
трического поля вируса. рым он успешно пользуется. Есть основания
Электрической модели вируса можно поста- предполагать, что при взаимодействии вируса с
вить в соответствие эквивалентную электриче- клеткой реализуется подобный электрический
скую схему. Подробная эквивалентная электриче- сценарий. Но это уже сценарий автономного, а
ская схема позволит получить количественные не принудительного электрослияния за счет
характеристики процесса взаимодействия вируса энергии собственных электрических зарядов ви-
с клеткой. Уже предпринимались попытки разра- руса. Такой сценарий подчиняется законам элек-
ботки эквивалентной электрической схемы вируса тростатики.
и использования ее для исследования процесса Раскрытие особенностей кулоновского ме-
слияния. В качестве эквивалентной электрической ханизма адсорбции и слияния позволит разрабо-
схемы было выбрано параллельное включение тать правильную стратегию противодействия ви-
конденсатора и резистора определенных величин русу. Для реализации этой стратегии нужны спе-
(Фролов, Самсонов, 1999; Максаев и др., 1999; циальные электрически заряженные вещества.
Чизмаджев, 2003). В эквивалентной схеме заря- Авторы рассматривают в качестве таких веществ
женный конденсатор моделировал электрическую микроэлементы в низкой степени окисления.
емкость вирусной частицы, а резистор – сопро-
тивление разрядному току. Такая эквивалентная КУЛОНОВСКАЯ ИНЖЕКЦИЯ
схема является неполной, она значительно усту- ВИРУСНОЙ РНК В ЦИТОПЛАЗМУ
пает более полной эквивалентной схеме электри- Основной задачей, которую решает вирус,
ческой модели мембраны клетки (Moczydlowski, является доставка вирусного генома и сопут-
https://doctorlib.info/physiology/medical/32.html). ствующих молекул внутрь клетки, чтобы запу-
Вирус в свободном состоянии – электриче- стить новый цикл размножения. Вирус, имею-
ски заряженная наночастица. В свободном состо- щий отрицательно заряженные концы пепломе-
янии вирус больше вещество, чем существо. Ви- ров, притягивается к мембране клетки, имеющей
рус на этапе адсорбции – электрически заряжен- положительный трансмембранный потенциал, и
ная наночастица, которая уже проявляет свойства надежно на ней удерживается. Локально, в зоне
биологического объекта. На данных этапах про- отрицательно заряженного рецептора АСЕ2 на
ведения исследований для изучения их поведения пепломеры вируса действует отталкивающая ку-
нужно иметь электрические модели вирусов. Ви- лоновская сила, которая приводит к их деформа-
рус на этапе слияния – электрически заряженный ции. Эта локальная зона небольшая, ее размер
биологический объект, и его уже нельзя рассмат- порядка 11 нм (Yan et al., 2020). На модели виру-
ривать как самостоятельную наночастицу. На са видно (рис. 6), что перестройка и деформация
этом этапе для изучения поведения вирусов необ- пепломеров коронавируса под действием элек-
ходимо использовать их электрические модели трических сил отталкивания при взаимодействии
совместно с электрической моделью мембраны вируса с рецептором АСЕ2 резко нарушает ло-
клетки. После инжекции вирусной РНК в клетку кальную симметрию электрических оболочек
электрические процессы не прекращаются, и для вируса. Электроотрицательные участки пепло-Каплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 11
меров, за счет их изгиба при отталкивании от противовирусных препаратов широкого спектра
АСЕ2, перемещаются ближе к ядру вируса, а элек- действия. Это молекула или комплекс молекул,
троположительные участки сайтов расщепления принадлежащих вирусу, на который должен дей-
обнажаются и становятся доступными для элек- ствовать препарат, обеспечивая терапевтический
трического поля притяжения рецептора АСЕ2. Та- эффект. Такая стратегия позволит победить сам
кая перестройка поверхности вируса имеет реша- вирус. Однако наличие короны у SARS-CoV-2 в
ющее значение, она помогает вирусу за счет элек- виде тонких и длинных шипов делает недоступ-
трической силы притяжения максимально сбли- ными многие участки его поверхности, в том
зиться с мембраной клетки. Это локальное нару- числе и потенциальные мишени. Это создает
шение симметрии создает идеальные условия для непреодолимые препятствия для приближения к
выхода РНК за пределы оболочки по направле- потенциальным мишеням противовирусных ве-
нию к АСЕ2. Выходу +РНК способствуют при- ществ, особенно если это крупные молекулы.
близившиеся к ней электроотрицательные участ- Участки поверхности на ножках шипов, которые
ки пепломеров и приблизившаяся к ней электро- являются потенциальными мишенями для про-
отрицательная поверхность рецептора АСЕ2. До- тивовирусных средств, недоступны даже для ан-
полнительное притяжение вируса и его сближение тител естественной защиты организма (Casalino
с клеткой создается взаимодействием электропо- et al., 2020).
ложительных участков белков сайтов расщепле- Разработанная электрическая модель вируса
ния с электроотрицательным рецептором АСЕ2. позволяет рассматривать в качестве потенциаль-
Электрическому «прилипанию» вируса к поверх- ных мишеней для противовирусных средств
ности рецептора АСЕ2 способствуют обнаживши- электрически заряженные участки на поверхно-
еся при деформации пепломеров электроположи- сти вируса. Это значит, что мишенями могут
тельные участки белков сайтов расщепления и быть электрически заряженные белки. Мы счи-
электроположительные участки на RBD. таем, что в качестве потенциальных мишеней
В результате для +РНК создаются все усло- для противовирусных средств могут выступать
вия, чтобы она под действием электрических сил любые электрически заряженные участки по-
притяжения смогла покинуть оболочку вируса. верхности вируса. Если будет найден способ из-
Вся изменившаяся картина расположения поло- менения, компенсации или нейтрализации элек-
жительных и отрицательных зарядов на поверх- трических зарядов на поверхности вируса, то это
ности вируса (рис. 5 и 6) создает идеальные позволит управлять его вирулентностью. Соот-
условия для электрического «втягивания» +РНК ветственно, в качестве противовирусных средств
в клетку. Таким образом, под действием куло- рассматриваются такие вещества, которые имеют
новской силы притяжения происходит инжекция или отрицательный, или положительный элек-
вирусной РНК в цитоплазму клетки. трический заряд. Недавно открытые электриче-
Понимание кулоновского механизма ин- ски заряженные участки на шипах коронавируса
жекции вирусной РНК в цитоплазму позволяет SARS-CoV-2 также обсуждаются как перспек-
разработать стратегию противодействия вирусу тивные мишени для противовирусных электри-
на этом этапе. Для реализации такой стратегии чески заряженных веществ (Qiao, de la Cruz,
также нужно вести поиск специальных электри- 2020; Clausen et al., 2020).
чески заряженных веществ, не чужеродных для Можно сформулировать требования к таким
организма. противовирусным электрически заряженным ве-
ществам. Это должны быть электрически заря-
ТРУДНОДОСТУПНЫЕ УЯЗВИМЫЕ женные вещества, для которых геометрические
МЕСТА КОРОНАВИРУСА SARS-COV-2 особенности строения короны не являются пре-
Существующие противовирусные препара- пятствием для приближения к потенциальным
ты обычно воздействуют на вирусные ферменты, мишеням. Это должны быть нетоксичные веще-
но те не остаются неизменными, а постоянно ме- ства. Кроме того, это должны быть электрически
няют свою структуру. Это позволяет вирусу об- заряженные вещества не чужеродные для орга-
рести некий иммунитет к лекарству. Более дей- низма человека. Этим, на первый взгляд, проти-
ственной противовирусной стратегией является воречивым требованиям удовлетворяют микро-
создание препаратов, воздействующих на белки. элементы в низкой степени окисления (Спивак и
Белки можно рассматривать как мишени для др., 2020). Воздействие на вирус электрически за-12 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
ряженными микроэлементами, способными изме- положным знаком электрического заряда компен-
нить или скомпенсировать электрический заряд сируют и нейтрализуют электрические заряды
потенциальных мишеней на шипах коронавируса, белков и тем самым инактивируют вирус. Этими
лишает вирус способности адсорбироваться на частицами могут быть катионы микроэлементов,
мембране клетки. Микроэлементы в низкой сте- электроны, катионные олигопептиды, анионные
пени окисления могут дополнить арсенал проти- олигопептиды. Электрическая модель вируса поз-
вовирусных средств и стать основой для разра- воляет целенаправленно подбирать вещества по
ботки противовирусных средств нового поколе- типу катионных или анионных олигопептидов или
ния, механизм действия которых основан на про- электрически заряженных микроэлементов (мик-
тиводействии кулоновскому слиянию вируса с роэлементов в низких степенях окисления) для
клеткой и на противодействии кулоновской ин- инактивации коронавируса и подавления его ад-
жекции вирусной РНК в цитоплазму. сорбционной способности (Патент UA №
144417…, 2020; Патент UA № 144418…, 2020).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УЯЗВИМЫЕ Электроположительные многоосновные сай-
МЕСТА КОРОНАВИРУСА SARS-COV-2 ты расщепления и электроположительные участки
Описанная выше электрическая модель ко- поверхности на RBD уязвимы для таких веществ,
ронавируса выявляет уязвимые места коронави- как отрицательно заряженные олигопептиды или
руса, чувствительные к электрически заряжен- электроны. Эти отрицательно заряженные части-
ным веществам и к электрическому полю. Таки- цы способны нейтрализовать электрические заря-
ми уязвимыми местами коронавируса являются ды белков и помешать связыванию вируса с ре-
участки поверхности, где располагаются элек- цептором клетки. Для этого нужны олигопептиды
трически заряженные белки. как можно меньшего размера, иначе они не смо-
Вирус в целом, как электрически заряженная гут проникнуть к электрически заряженным
наночастица, чувствителен к действию внешнего участкам на ножках шипов вируса. Для электро-
(в том числе искусственно созданного) электро- нов не существует препятствий для проникнове-
статического поля. Внешнее электростатическое ния к любым участкам поверхности вируса.
поле положительных электрических зарядов или Эффективными носителями и поставщика-
положительно заряженный электрод искусствен- ми (донорами) электронов являются микроэле-
но созданного внешнего электрического поля бу- менты в низкой степени окисления. Благодаря
дет притягивать вирусные частицы. Поле отрица- малым размерам и высокой подвижности в жид-
тельных электрических зарядов или отрицательно кой среде, микроэлементы способны проникать к
заряженный электрод искусственно созданного тем участкам поверхности вируса, которые недо-
электрического поля будет отталкивать вирусные ступны большим молекулам, таким как антитела
частицы. Особенно эффективно такое электриче- и олигопептиды (Casalino et al., 2020). Это преж-
ское воздействие на вирусы будет проявляться де всего относится к электрически заряженным
при их нахождении во взвешенном состоянии в сайтам расщепления, которые расположены в
воздухе или в жидкости. Это, например, позволя- труднодоступных местах на ножках шипов виру-
ет применять электрически заряженные аэрозоли са. Среди множества электрически заряженных
для противовирусной обработки помещений. Та- веществ, сложно найти альтернативу микроэле-
кие электроаэрозоли способны удерживать в сво- ментам в плане способности проникать в труд-
ем составе противовирусные микроэлементы. Ка- нодоступные места на поверхности вируса. Для
тионы антимикробных микроэлементов в составе этой цели могут быть использованы микроэле-
электроаэрозоля могут стать эффективным сред- менты в низкой степени окисления из группы,
ством для противовирусной обработки помеще- включающей рений, селен, германий, вольфрам,
ний (Спивак и др., 2020). хром, кобальт, молибден, титан, серебро, золото,
Отдельные электрически заряженные участ- платину, палладий, иридий, лантан, неодим, це-
ки поверхности вируса также являются уязви- рий, медь, олово, ванадий, никель, висмут, желе-
мыми местами и являются мишенями для элек- зо, цинк, марганец, алюминий, йод, бром, серу в
трически заряженных веществ. Они чувствитель- форме органических координационных соедине-
ны к электрически заряженным частицам, особен- ний с лимонной кислотой (Спивак и др., 2020).
но к тем, которые имеют противоположный знак Электроотрицательные участки поверхно-
электрического заряда. Такие частицы с противо- сти вируса уязвимы для таких веществ как поло-Каплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 13
жительно заряженные олигопептиды или катио- новалентной меди (Патент RU № 2542488, 2015).
ны микроэлементов. И в этом случае микроэле- Медь в низкой степени окисления является доно-
менты выгодно отличаются от сложных молекул ром электронов и содержит один избыточный
– олигопептидов как по их размерам и подвиж- электрон, который при присоединении к положи-
ности, так и по стоимости. По сравнению с элек- тельно заряженному белку пепломера вируса спо-
трически заряженными сложными молекулами собен изменить его электрический заряд. Адсорб-
микроэлементы имеют значительно меньшие ция большого количества электронов на положи-
размеры, более подвижны, дешевые, а самое тельно заряженных белках пепломеров приводит
главное – они не являются для организма чуже- к полной компенсации электрического заряда
родными веществами (Спивак и др., 2020). белков и к подавлению адсорбционной способно-
На рис. 7 на примере цинка условно показа- сти вирусов. После реализации своей электронно-
но взаимодействие вируса с цинком в низкой донорной функции катионы меди присоединяют-
степени окисления. Цинк в низкой степени окис- ся к электрически заряженным пепломерам,
ления является донором электронов и содержит уменьшают их электрический заряд и подавляют
один избыточный электрон, который при попа- адсорбционную способность вирусов.
дании на положительно заряженные белки пеп-
ломеров вируса способен изменить их электри-
ческий заряд. После реализации электронно-
донорной функции катионы цинка присоединя-
ются к электрически заряженным пепломерам и
изменяют их электрический заряд. Такая избира-
тельность обусловлена знаком заряда участков
поверхности вируса.
На рис. 8 на примере титана условно пока-
зано взаимодействие вируса с титаном в низкой
степени окисления. Титан в низкой степени
Рис. 7. Проникновение избыточных электронов в труднодо-
окисления является донором электронов и со- ступные электрически заряженные места на поверхности ви-
держит два избыточных электрона, которые при руса на примере цинка: 1 – электрически заряженная +РНК
попадании на положительно заряженные белки вируса; 2 – электрически заряженные пепломеры; 3 – поло-
жительно заряженные белки сайтов расщепления; 4 – поло-
пепломеров вируса способны изменить их элек- жительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2; 5 – кати-
трический заряд. После реализации электронно- оны цинка в свободном состоянии; 6 – избыточные электро-
донорной функции катионы титана присоединя- ны; 7 – катионы цинка, адсорбированные на пепломерах; 8 –
электроны, адсорбированные на сайтах расщепления
ются к электрически заряженным пепломерам и
изменяют их электрический заряд. Такая избира-
тельность обусловлена знаком заряда участков
поверхности вируса.
На рис. 9 на примере селена условно пока-
зано взаимодействие вируса с селеном в низкой
степени окисления. Селен в низкой степени
окисления является донором электронов и со-
держит четыре избыточных электрона, которые
при присоединении к положительно заряженным
белкам пепломеров вируса способны изменить и
скомпенсировать их электрический заряд. После Рис. 8. Проникновение избыточных электронов в труднодо-
реализации своей электронно-донорной функции ступные электрически заряженные места на поверхности ви-
катионы селена присоединяются к электрически руса на примере титана: 1 – электрически заряженная +РНК
вируса; 2 - электрически заряженные пепломеры; 3 – поло-
заряженным пепломерам и изменяют их элек- жительно заряженные белки сайтов расщепления; 4 – поло-
трический заряд. жительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2; 5 – кати-
На рис. 10 на примере одновалентной меди оны титана в свободном состоянии; 6 – избыточные электро-
условно показано взаимодействие вируса с катио- ны; 7 – катионы титана, адсорбированные на пепломерах;
8 – электроны, адсорбированные на сайтах расщепления; 9 –
нами меди в низкой степени окисления. Давно из- электроны, адсорбированные на положительно заряженных
вестна высокая противовирусная активность од- участках RBD14 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
таты. Электрические эксперименты врача Луи-
джи Гальвани с биологическими объектами дали
старт и привели к появлению новых направлений
в биологии и химии. Появилась электрохимия
как раздел химии, изучающий электрические яв-
ления. Сформировалась новая наука – электро-
физиология как раздел физиологии, изучающий
электрические явления в организме. Опыты по
исследованию электрических характеристик кле-
ток были проделаны на бесчисленном множестве
клеток. Оказалось, что все клетки имеют элек-
Рис. 9. Проникновение избыточных электронов в труднодо- трический заряд и что заряд мембраны является
ступные электрически заряженные места на поверхности ви-
руса на примере селена. 1 – электрически заряженная +РНК
неотъемлемым атрибутом их жизни. Пока клетка
вируса; 2 – электрически заряженные пепломеры; 3 – поло- жива, у нее есть электрический заряд.
жительно заряженные белки сайтов расщепления; 4 – поло- В основе возникновения биопотенциалов
жительно заряженные участки на RBD SARS-CoV-2; 5 – кати- лежат электрические свойства клеточных мем-
оны селена в свободном состоянии; 6 – избыточные электро- бран. Мембранная гипотеза возникновения элек-
ны; 7 – катионы селена, адсорбированные на пепломерах;
тричества в клетках была впервые изложена в
8 – электроны, адсорбированные на сайтах расщепления; 9 –
электроны, адсорбированные на положительно заряженных книге немецкого физиолога Юлиуса Бернштейна
участках RBD «Электробиология» (Bernstein, 1912), где автор
теоретически раскрыл главную тайну живого
электричества – биохимические механизмы воз-
никновения заряда клетки. Данная гипотеза была
подтверждена в экспериментах Эндрю Хаксли,
за что он был удостоен в 1963 г. Нобелевской
премии.
В 1957 г. был открыт натрий-калиевый
насос, который работает с электрически заря-
женными частицами – катионами натрия и калия.
Открытие натрий-калиевого насоса, благодаря
которому электрический градиент эффективно
Рис. 10. Проникновение избыточных электронов в труднодо-
работает против градиента концентрации, окон-
ступные электрически заряженные места на поверхности ви-
руса на примере одновалентной меди: 1 – электрически за- чательно убедило ученых в фундаментальности
ряженная +РНК вируса; 2 – электрически заряженные пеп- электрических явлений в живых организмах и
ломеры; 3 – положительно заряженные белки сайтов рас- узаконило электрический подход к изучению
щепления; 4 – положительно заряженные участки на RBD живых организмов (Poulsen et al., 2010).
SARS-CoV-2; 5 – катионы одновалентной меди в свободном Понимание того, что электрические явления
состоянии; 6 – избыточные электроны; 7 – катионы меди, ад-
сорбированные на пепломерах; 8 – электроны, адсорбиро-
в живых организмах имеют фундаментальный
ванные на сайтах расщепления; 9 – электроны, адсорбиро- статус, привело к резкому росту научных работ в
ванные на положительно заряженных участках RBD. этом направлении. Достижения физики стали ши-
роко применяться в биологии для изучения живо-
НА ПУТИ К МОЛЕКУЛЯРНОЙ го. Настоящим научным прорывом явилась разра-
ЭЛЕКТРОВИРУСОЛОГИИ ботка электрической модели мембраны живой
История развития науки показывает, что клетки (Moczydlowski, https://doctorlib.info/physio-
наиболее прорывные открытия совершаются на logy/medical/32.html). В результате на смену ма-
стыках нескольких наук. Особенно это прояви- лообоснованным предположениям и механисти-
лось при применении физических методов в био- ческим объяснениям, которые господствовали в
логии и медицине, в частности использовании в физиологии, пришли научно-обоснованные тео-
биологии и в медицине учения об электричестве. рии и появилась новая наука – электрофизиоло-
В тех науках, которые, на первый взгляд, ника- гия. В электрофизиологии сделано много научных
кого отношения к электричеству не имели, этот открытий, в этой области присуждено семь Нобе-
подход позволял получать выдающиеся резуль- левских премий (Семячкина-Глушковская, 2010).Каплуненко В.Г., Косинов Н.В., Скальный А.В.
Уязвимые электрически заряженные места Sars-Cov-2; электрическая модель вируса … 15
Широкое проявление электрических свойств поверхности шипа непосредственно на самом
в живых системах указывает на то, что это не RBD SARS-CoV-2. В работе (Yan et al., 2020) по-
частные проявления, а фундаментальное свой- дробно описана структура электрически заряжен-
ство организации живых систем. Электрические ного рецептора АСЕ2. В работе (Michen, Graule,
поля живых организмов получили название био- 2010) проведены исследования поверхностного
электрических полей, хотя они не отличаются от электрического заряда вирусов, а также определе-
физических полей других источников. (Понома- ны изоэлектрические точки вирионов с различ-
рев, Мищенко, 2005). ным типом симметрии. Отмечается, что при нейт-
Подобная тенденция по использованию тео- ральных значениях рН вирусы обладают суммар-
рий, методов и средств смежных наук, которая ным отрицательным поверхностным зарядом.
ранее наблюдалась в физиологии, повторяется в В работе (Архипенко и др., 2019) показано,
настоящее время в вирусологии. В области виру- что распределение электрического заряда на по-
сологии в последнее время значительно увеличи- верхности вирусов влияет на механизм сборки
лось количество опубликованных работ по иссле- вирусных частиц и развития инфекции. С целью
дованию электрических особенностей строения изучения распределения электрического заряда
вирусов с привлечением законов электростатики. на поверхности вирусов исследователи привле-
На электрический механизм адсорбции ви- кают достижения нанотехнологий с использова-
русов указывал В.М. Жданов в своей книге еще в нием положительно заряженных магнитных на-
1964 г. (Жданов, 1964). Зарубежные публикации ночастиц. Отмечается, что существует прямая
также свидетельствуют, что функциональная ак- зависимость между распределением зарядов на
тивность вирусов на этапе взаимодействия и поверхности вирусной частицы и ее способно-
проникновения в клетку обусловлена силами стью к трансляции геномной РНК в составе ви-
электростатической природы и что вирусные ча- риона (Архипенко и др., 2019). Появились рабо-
стицы в физико-химическом плане представляют ты, описывающие особенности формирования
собой микроаккумуляторы электрической энер- поверхностного заряда у икосаэдрических виру-
гии, обладающие суммарным электрическим за- сов (Javidpour et al., 2013; Lošdorfer Božič,
рядом определенной величины и полярности. Podgornik, 2017; Carrillo et al., 2018).
Например, Р.Р. Рюкерт назвал один и разделов Анализ этих и других публикаций приводит
книги по вирусологии «Электрическая природа к выводу, что такой широкий диапазон электриче-
этапа присоединения вируса». В этом разделе, ски зависимого поведения вирусов, начиная от
описывая адсорбцию вируса, автор отмечает, что кулоновского механизма адсорбции и кулонов-
электростатическое притяжение играет ключе- ского слияния мембран вируса и клетки до куло-
вую роль в обеспечении адсорбции вирусных ча- новской инжекции вирусной РНК в цитоплазму и
стиц (Рюкерт, 1989). влияния электростатики на процесс самосборки
Такой же подход с использованием учения вирионов, указывает на то, что электрические
об электричестве в период 1999–2003 гг. был свойства являются фундаментальными свойства-
применен при исследовании процесса слияния. В ми вирусов. Явно обозначившаяся тенденция
этот период активно исследовался механизм ку- «электрического» подхода в исследованиях виру-
лоновского слияния электрически заряженных сов задает новый вектор в молекулярной вирусо-
мембран вируса и клетки (Фролов, Самсонов, логии и этот вектор имеет направление на элек-
1999; Максаев и др., 1999; Чизмаджев, 2003). тровирусологию. Становится очевидным, что бу-
В последнее время наблюдается резкий рост дущее вирусологии – это молекулярная электро-
исследований по изучению электрических свойств вирусология. Пока еще в вирусологии такого тер-
вирусов и по выявлению электрически заряжен- мина нет, но «электрические» тенденции в разви-
ных белков на поверхности вирионов (Michen, тии этой науки уже подготовили почву для его
Graule, 2010; Архипенко и др., 2019; Qiao, de la появления.
Cruz, 2020; Clausen et al., 2020; Yan et al., 2020). В Электрофизиологии явно «повезло», что ее
работе (Qiao, Cruz, 2020) сделано важное откры- предшественница – физиология начиналась с изу-
тие: на пепломерах SARS-CoV-2 выявлена элек- чения влияния электричества на живые объекты.
трически заряженная область с положительным Луиджи Гальвани мог наблюдать воочию «подер-
зарядом. В работе (Clausen et al., 2020) сообщается гивание лапки» при протекании электрического
об открытии электроположительных участков на тока, поскольку он имел дело с макрообъектами.16 МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ: ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
Для электровирусологии ситуация намного слож- становления новой науки – молекулярной элек-
нее. «Подергивание» наноразмерных пепломеров тровирусологии.
от действия электрических зарядов невозможно Электровирусология должна объединить в
увидеть даже в электронный микроскоп. На фоне себе несколько наук – вирусологию, биофизику,
впечатляющих успехов от применения электриче- электрофизиологию, квантовую биофизику и
ских методов в электрофизиологии их примене- нанотехнологии. Дальнейшее объединение элек-
ние в вирусологии в настоящее время выглядит тровирусологии и биоэлементологии позволит
совсем скромно. Очевидно, только сверхмалыми раскрыть и обосновать механизм противовирус-
наноразмерами вирусов и ограниченными техни- ного действия микроэлементов и способно при-
ческими возможностями для изучения электриче- вести к созданию противовирусных средств но-
ских свойств вирусов можно объяснить такое вого поколения безопасных для человека.
медленное освоение и использование электриче- Как отмечают в своей книге А.П. Понома-
ских методов в вирусологии. рев и В.А. Мищенко, совершенно очевидно, что
Полученные в последнее время знания, кото- вирусы, обладающие свойством живого только в
рые касаются электрического строения вирусов, а потенциале, для поддержания своей специфиче-
также роли электростатики при адсорбции, слия- ской молекулярной структуры должны сохранять
нии, кулоновской инжекции РНК и при самосбор- распределение электрически заряженных груп-
ке вирионов, подчиняющиеся закону Кулона, ста- пировок. Стратегия борьбы с вирусами может
вят на повестку дня вопрос о пересмотре роли и основываться на дестабилизации электрической
места электрических взаимодействий в вирусоло- компоненты в структуре вирионов, путем воз-
гии и придания им фундаментального статуса. действия на электрически заряженные вирусные
Исследования последних лет показывают, что белки, следствием чего станет частичная или
электрические свойства вирусов – это не частные полная утрата вирусом его биологических
проявления, а фундаментальный принцип их ор- свойств (Пономарев, Мищенко, 2005). Здесь ве-
ганизации. Электрические заряды несут на себе сомую роль могут сыграть микроэлементы в
белки, которые формируют структуру вируса. От- низкой степени окисления (Спивак и др., 2020).
сюда следует вывод, что наряду с морфологиче-
ской структурой у вирусов существует еще одна, ОБНАРУЖЕНИЕ
пока еще не изученная структура, –электрическая И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ
структура вириона, которая проявляется при вза- ПО ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ
имодействии с клеткой электрическими полями, Для эффективного контроля и лечения ви-
кулоновскими силами и токами. Между морфоло- русных инфекций крайне желателен быстрый
гической и электрической структурами существу- метод идентификации вируса (в течение минут).
ет очень большая корреляция. Это прежде всего Идентификация вирусов до сих пор проводится
связано с тем, что электрические заряды непо- на основе морфологии вирусных частиц, вирус-
средственно порождены теми же элементами, ко- ного белка и/или обнаружения нуклеиновых кис-
торые задают морфологическую структуру виру- лот (Fauquet, 2008).
сов. Поэтому морфологическая структура в глазах Электрическая модель вируса позволяет
исследователя часто «маскирует» более фунда- разрабатывать электрические экспресс-методы
ментальную электрическую структуру. Учета для обнаружения и идентификации вирусов. Раз-
особенностей только одной морфологической ным типам вируса можно поставить в соответ-
структуры без учета влияния электрической ствие свои «сигнатуры» в виде совокупности их
структуры явно недостаточно для объяснения электрических параметров, например, на основе
свойств вирусов. электрической емкости и диэлектрической про-
Исследования последних лет указывают на ницаемости. Исходя из геометрических особен-
фундаментальный статус электрических свойств ностей строения коронавируса SARS-CoV-2,
вирусов. Возведение электрических особенно- можно предположить, что величина его электри-
стей строения вирусов в разряд фундаменталь- ческой емкости может составлять величину по-
ных свойств вирусов и отношение к электриче- рядка (2–8)×10−10 мкФ. Для определения величи-
ской структуре вируса как к структуре, имеющей ны диэлектрической проницаемости и проводи-
фундаментальный статус, создадут почву для мости (электрического сопротивления) необхо-Вы также можете почитать
