NPU：究極の生命単位⑥分極配向多層水理論

↓の続編。「水の第四相」「構造水」「EZ(Exclusion Zone)水」と言えばジェラルド・ポラック博士が連想されるが、博士がその発見の参照とした理論。本稿はその核心部分の節になる。

文献情報

Ling, G. (2007). Nano-protoplasm: The ultimate unit of life. Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 39(2), 111–234. https://gilbertling.org/pdf/PCP39-2_ling.pdf

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2.6. 細胞水の分極 Polarized配向 Oriented多層 Multilayer理論(POM)

先述の通り、バルク相の水を分極化・配向化するタンパク質鎖がAIHの決め手となる[1,2]。当時は「細胞水の分極-多層(PM)理論」と呼んだ。この理論の原図をそのまま掲載する(図8)。ここでタンパク質鎖との距離と分極-配向の減衰率を示す図を転載しても唐突過ぎるのは承知だが、諸事情でそうした(下図参照)。最新のPOM理論の理論的基礎はこのパラグラフの直後に掲載している。

[1]Ling GN. The physical state of water in living cell and model systems. Ann N Y Acad Sci. 1965;125(2):401-417. doi:10.1111/j.1749-6632.1965.tb45406.x
[2]Ling, G.N. (1972) Hydration of Macromolecules. In: Water and Aqueous Solutions: Structure Thermodynamics and Transport Properties (A.R. Horne. ed), Wiley-Interscience, New York.

この理論に新たな理論的基礎が2003年に加入したことを機に「分極多層理論」の名は「細胞水の分極配向多層理論」へと変更された(暫くPMという頭文字はそのままだった)[3]。だがこれは混乱の元だと気付き、将来を考慮してPOM理論の名を採用することとした。だがPM理論の名を見掛けても同一理論を指すことは分かる筈である。ごく最近にはレビュー論文が数編、全てオンラインで発表された[1-6]。

[3]Ling GN. A New Theoretical Foundation for the Polarized-Oriented Multilayer Theory of Cell Water and for Inanimate Systems Demonstrating Long-range Dynamic Structuring of Water Molecules. Physiol Chem Phys & Med NMR. 2003;35(2):91-130.
[4]Ling GN. A Revolution in the Physiology of the Living Cell. Malabar, Fla. : Krieger Pub. Co.; 1992.; p.69-110
[5]Ling GN. Life at the Cell and Below-Cell Level -The Hidden History of a Fundamental Revolution in Biology. Pacific Press; 2001. ; p.74-108
[6]Ling GN. A Convergence of Experimental and Theoretical Breakthroughs Affirms the PM theory of Dynamically Structures Cell Water on the Theory’s 40th Birthday. In: Pollack GH, Cameron IL, Wheatley DN, eds. Water and the Cell. Springer; 2006:1-52.

POM理論の新たな理論的基礎とは物理学領域である。だがその有用性の大部分は生物学、正確には細胞生理学にある[3]。簡易版として、水分子を双極子と捉え、理想的なN-P表面…N(Negative)：負サイト、P(Positive)：正サイト…に絶対零度近くで蓄積させた。こうした理想的N-P表面は正と負のサイトが交互に並ぶ無限に広がる市松模様を示し、各サイトは最近接サイトから一様に3.1Å離れている(図9)。

計算の結果、理想的N-P表面から距離の拡大を経ても水と水の相互作用エネルギー($${\mathrm{E^n}}$$)は漸次的にゼロに減衰しなかった。寧ろそこから一定値へと近似し、この値は無期限に維持される。この一定値($${\mathrm{E^n}}$$)は以下の式に表される。

$${\mathrm{E^n = (4μ^2r^3)/(r^3-8α)^2}}$$　・・・(3)

μは水分子の永久双極子モーメント、rは水分子の直径、αはその分極率を指す。この状態に補足をすると、水が凝固点で凍結しない。また、451℃ほどの高温でも沸騰しない。これら理論的予測値はどちらも50年前の研究[8,9]で遡及的に確認済みであるが、現在まで全く説明がされていなかった。

[8]Giguère PA, Harvey KB. On the infrared absorption of water and heavy water in condensed states. Can J Chem. 1956;34(6):798-808. doi:10.1139/v56-103
[9]堀健夫. 水の薄膜の過冷却と蒸発. 低温科學 物理篇. 1956;15:33-42. English translation: Hori T. On the Supercooling and Evaporation of Thin Water Films. U.S. Army Snow Ice and Permafrost Research Establishment; 1960:8. https://apps.dtic.mil/sti/html/tr/AD0236191/  abstract:Hathitrust 

新POM理論が齎す重要な洞察にもう一点、N-Pサイトに直接接する水分子を除き[6⇒図8参照]、長距離に渡る分極・配向度合は極めて平坦であるという認識である。

さて、生細胞に…理想的N-P表面、ガラスや研磨塩化銀プリズム等の非理想的N-P表面のような…二次元表面は存在しない。一方、生細胞ではNP-NP表面に代わり、私が「NP-NP-NP系」と呼ぶシステムが機能している[10]。図10はこのNP-NP-NP系の上面図 真上からの平面図と側面図 真横からの平面図の両方を図式化したもので、完全伸長タンパク質鎖と分極-配向水分子で構成されている。

[10]Ling GN. Water and the living cell as seen from the viewpoint of a new paradigm. In: International Cell Biology, 1980-1981 : Papers Presented at the Second International Congress on Cell Biology, Berlin (West), August 31-September 5, 1980. Springer-Verlag; 1981:904-914. 

1965年の提唱以来、細胞水のPOM理論と(NP-NP-NP系)モデルシステムは世界中の研究者による広範な検証に晒された。中にはその提唱以前の研究の為にそうと知らずに実施されたものもある。

研究対象となった8つの生理学的属性の完全リストは文献[3]のp.95-97にある(オンライン上でダウンロード可)。それ以前の概要は[4]のp.108-109や、[5]のp.78にもある。本総説ではその裡、細胞水の唯一の生理学的カテゴリ、即ちその溶解力を取り上げる(第二トピック…亜飽和の(生理的)蒸気圧での蒸気収着…に関する直近の総説文は[6]のp.25-33にある)。

生細胞の溶質が以下2形態：
(i)高分子(主にタンパク質)に吸着/結合
(ii)細胞水に溶解
...で存在し得ることはMartin Fisher[11, 12]が初めて完全かつ簡潔に指摘し、またBenjamin Mooreら[13]も断片的に言及した他、後にA. S. Troshinが詳述している[14](式(14)も参照)。細胞内溶質の全濃度を、溶媒に占める溶質の平衡濃度で割ると、AIHの云うρ値や溶質の平衡分配係数の仮の値が得られる。

[11]Fisher MH. Oedema. In: Transactions of the College of Physicians of Philadelphia 3rd Series. Vol 31. Printed for the college; 1909:457-657.
[12]Fisher MH, Suer WJ. Base protein acid compounds. Arch Pathol. 1935;20(5):683-689.
[13]Moore B, Roaf HE, Webster A. Direct Measurement of the Osmotic Pressure of Casein in Alkaline Solution. Experimental Proof that apparent impermeability of a Membrane to Ions is not due to the Properties of the Membrane but to the Colloid contained within the Membrane. Biochem J. 1912;6(1):110-121. doi:10.1042/bj0060110
[14]Troshin AS. Problems of Cell Permeability. Pergamon Press; 1966.

溶質のρ値が1よりかなり高い場合、細胞内溶質の大半は吸着状態にある。一方、ρ値が1に近似する場合、溶質の大半は細胞水に溶解状態と考えられる。後者の場合、ρ値は平衡分配係数の真の値やq値に等しくないまでも近い値となる。

細胞内溶質の物理的状態を見抜くには、溶質の細胞(or細胞モデル)内濃度を浸漬液 bathing mediumに於ける平衡濃度との対応でプロットすれば良い。相当の濃度範囲に渡ってプロットが直線状となる場合、(事実上)全ての細胞(/モデル)内溶質は細胞内水に溶解状態にあると示唆される。

この直線の傾きはその溶質のq値に等しい。一方、プロットが直線でない場合、溶質の一部は吸着状態にある可能性が高い。3.2.1節でこの問題について詳述する。

1993年、統計力学的な解析手法により、私は溶質(i)のq値($${\mathrm{q_i}}$$)に関する式を導出した。この式は若干煩わしいものの、以下の簡単な式で表すことが可能である[15]。

$${\mathrm{RT  ln  q_i = v_i(a𝒰_s - b𝒰_{vp})}}$$ ・・・・(4)

[15]Ling GN. A quantitative theory of solute distribution in cell water according to molecular size. Physiol Chem Phys Med NMR. 1993;25(3):145-175.

Rは気体定数、Tは絶対温度、$${\mathrm{v_i}}$$は溶質(i)の分子量(/cm³かcc)、$${\mathrm{𝒰_s}}$$は水分子1molの表面分極エネルギー(単位cal mol⁻¹)、$${\mathrm{𝒰_{vp}}}$$は水分子1molの「排除強度 exclusion intensity」(単位cal mol⁻¹)、aは(cm)⁻¹での数値、bは純粋な数 pure numberである。$${\mathrm{v_i𝒰_s}}$$はq値の表面成分、$${\mathrm{v_i𝒰_{vp}}}$$はq値の体積成分を表し、両成分の大きさは溶質の分子量($${\mathrm{v_i}}$$)に依存する。表面成分($${\mathrm{v_i𝒰_s}}$$)は正(好ましい)にも負(好ましくない)にもなる。体積成分(－$${\mathrm{v_i𝒰_{vp}}}$$)は常に負の為、溶質の大きさに比例して溶質を排除するように作用する。従って溶質が大きければそのq値も低下するという「サイズの原則」がある[16]。

[16]Ling GN. Studies on the physical state of water in living cells and model systems. VII. Exclusion of sugars and sugar alcohols from the water in sulfonate ion exchange resins: the “size rule.” Physiol Chem Phys Med NMR. 1987;19(3):193-198.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3441520/