Реферат: Работа электрических органов рыб
Если сделать еще один шаг в своем любопытстве и задать вопрос: «А откуда же берется пища?», то на него ответ тоже известен. В конечном счете пища производится фотосинтезирующими организмами, получающими свою энергию от Солнца. В растениях имеются, кроме митохондрий, особые органеллы – хлоропласта, содержащие хлорофилл. Эти органеллы умеют, как и митохондрии, синтезировать АТФ, а кроме того, умеют синтезировать из воды и углекислого газа углеводы.
Все реакции окисления пищи, синтеза АТФ, синтеза углеводов достаточно сложны, происходят при участии многочисленных ферментов и более полувека широко изучаются в разнообразных биохимических лабораториях. Какое же отношение они имеют к теме этой книги? Еще лет 30 назад на этот вопрос был бы дан уверенный ответ – никакого! Но в 1961 г. английский ученый Ж. Митчел выдвинул гипотезу, что энергия пищи сначала преобразуется в электрическую энергию, а уж та затрачивается на производство АТФ. Эта гипотеза была в конце концов доказана, и мы считаем необходимым кратко рассказать об энергетическом обеспечении организмов. А кратким наш рассказ будет прежде всего потому, что на эту тему недавно была написана обстоятельная, понятная и яркая книга «Рассказы о биоэнергетике», автор которой В.П. Скулачев – один из создателей биоэнергетики.
В чем же более конкретно состояла гипотеза П. Митчела? Митчел предположил, что окисление пищи приводит к возникновению разности потенциалов на мембране митохондрий за счет выхода протонов из митохондрий, затем эта электрическая энергия тратится на синтез АТФ. Митчел назвал свою гипотезу хемиосмотической, подчеркивая, что химическая энергия пищи преобразуется в создание градиента Н+, т.е. тратится на создание осмотической работы.
В гипотезе Митчела была одна особенность, которая выделяла ее из области классической биохимии и указывала пути к ее проверке. Для классического чисто биохимического подхода, объясняющего синтез АТФ цепью реакций, наличие мембраны не играло никакой роли. Но для гипотезы Митчела наличие мембраны митохондрий с достаточно высоким сопротивлением, чтобы Н+ не мог сразу вернуться на место, является совершенно принципиальным *).
В 60-х годах Митчел, получив наследство, организовал небольшую лабораторию в своем доме в Корнуолле, расположенном вблизи тех болот, по которым бегала баскервильская собака. Там с двумя сотрудниками и очень простым оборудованием он и вел разработку своей гипотезы. В 1978 г. Митчел получил Нобелевскую премию, показав тем самым, что распространенное ныне мнение, что в наш век только большой коллектив с современным оборудованием может добиться серьезных научных результатов, не всегда справедливо.
Итак, согласно гипотезе Митчела энергия пищи тратится на работу специального протонного насоса, заряжающего мембрану митохондрий. Как же можно было проверить эту гипотезу? Во-первых, можно было попробовать измерить МП митохондрий; если бы его не оказалось, то это опровергло бы гипотезу. Во-вторых, можно было сделать дырку в мембране митохондрий, устроить короткое замыкание; в этом случае гипотеза Митчела предсказывала прекращение синтеза АТФ. Пища могла окисляться, но МП не возникал бы, а значит и АТФ не должен синтезироваться. К сожалению, митохондрии очень малы, всего 1 мкм в длину, так что в них не воткнешь микроэлектрод или шприц. Тут требовались более тонкие инструменты.
В качестве таких инструментов были использованы молекулы.
Еще до гипотезы Митчела были открыты вещества, которые назвали «разобщители». Эти вещества имели совершенно разную химическую природу, но все, действуя на митохондрии, прекращали синтез АТФ, хотя окисление пищи продолжалось. Было непонятно, в чем механизм действия этих веществ и, вообще, как столь разные вещества могут действовать на ферменты, обычно весьма избирательные в своих реакциях. Митчел же заметил, что разобщители – это вещества, растворимые в жирах и способные связывать Н+. С точки зрения его гипотезы их действие объяснялось очень просто: они захватывают Н+ с наружной стороны мембраны и переносят его через мембрану, разряжая ее. Иными словами, результат их действия тот же, что и при коротком замыкании.
Интересно, что такое «короткое замыкание» может играть важную функциональную роль, как было показано работами В.П. Скулачева и других ученых. Конечно, при коротком замыкании электроэнергию нельзя использовать для производства работы, но при этом выделяется много тепла. А теплокровным животным приходится решать и такую задачу – согреться. Так вот, оказалось, что организм способен после адаптации к холоду самостоятельно «закорачивать» митохондрии своих клеток, сжигая пищу для выработки тепла.
Что же касается МП митохондрий, то Митчел попытался измерить его по проникновению К+ в митохондрии под действием электрического поля. Однако этот метод был доступен критике, так как ионы калия могут проникать в митохондрии и за счет работы калий-натриевого насоса. В.П. Скулачев, Е.А. Либерман и их сотрудники использовали для той же цели молекулы разных, искусственно синтезированных веществ, которые они назвали «проникающие ионы». Это были действительно положительно или отрицательно заряженные молекулы, притом такие, которые были растворимы не в воде, а жирах. Было показано, что в присутствии кислорода, когда пища могла сжигаться и должен был существовать потенциал в митохондриях, положительно заряженные ионы начали проникать внутрь митохондрий. Этому коллективу удалось вывернуть митохондрии наизнанку. Теперь Н+ должен был оказаться внутри таких митохондрий. И, действительно, теперь внутрь начали проникать отрицательные ионы. Проникающие ионы были весьма разнообразны по химическому строению, так что теперь уже нельзя было сказать, что их переносят внутрь специальные насосы. Возникновение МП у митохондрий при сжигании пищи было доказано.
А вот один из красивых опытов, который доказывает вторую половину гипотезы Митчела – что МП может быть использован для синтеза АТФ. Этот опыт был поставлен в 1967 г. Прессманом. Митохондрии выдерживали в среде с высокой концентрацией К+, так что он накапливался внутри них. Затем их переносили в среду без питательных веществ и кислорода и в среду вводили валиномицин – антибиотик, который повышает проницаемость мембраны для К+. Калий начинал выходить из митохондрий, и на их мембране возникал калиевый потенциал покоя. И митохондрии начинали синтезировать АТФ.
Точно так же было показано, что МП возникает под действием света в хлоропластах. В этом случае удалось найти такой объект, что в хлоропласт можно было ввести микроэлектрод и прямо измерить этот потенциал. Такая работа была сделана сотрудниками кафедры биофизики МГУ А.А. Булычевым, В.К. Андриановым, Г.А. Куреллой и Ф.Ф. Литвиным.
Раньше мы уже говорили, что в самых разных клетках есть ионные насосы, которые работают, используя энергию АТФ. Теперь оказывается, что для выработки АТФ требуется работа протонного насоса, который использует энергию пищи или света. Так что в каждой клетке работает «каскад насосов».
В митохондриях и в «дышащих» бактериях за счет окисления пищи наружу выкачиваются протоны, а внутри митохондрий синтезируется АТФ, поэтому часть выработанной электроэнергии затрачивается на транспортные расходы: приходится доставлять АТФ из митохондрии в протоплазму клетки, а исходные продукты, нужные для ее синтеза, доставлять внутрь митохондрий. Те же процессы идут и у фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий, только там источником энергии является свет.
А вот хлоропласты растений устроены иначе. Внутри них имеются особые мембранные пузырьки – тилакоиды, мембрана которых «вывернута наружу», как это искусственно делали с мембраной митохондрий Скулачев и Либерман. В тилакоидах протоны заканчиваются внутрь их, а АТФ синтезируется на их наружной поверхности. Мембрана митохондрий содержит много складок; можно думать, что из таких замкнувшихся «впячиваний» и возникли тилакоиды. Ведь клетки часто делают из своей мембраны пузырьки, с помощью которых поглощают из внешней среды нужные молекулы.
Вспомним теперь на минуту историю открытия мембраны. Она долго оставалась гипотетической структурой, которую предсказывали на основе изучения осмоса. Теперь, наконец-то, ученые, можно сказать, держат ее в руках. И вот оказывается, что есть мембрана на поверхности клеток, а внутри есть мембрана хлоропласта, а внутри него – мембрана тилакоидов. А кроме того, в клетках масса других мембранных структур. Вы, наверно, помните девиз «Наутилуса»: «Подвижный в подвижном». Девиз всех клеток; «Мембраны в мембране»,
Работу митохондрии действительно можно изобразить как работу электростанции. Дыхательная система ферментов гонит ток протонов наружу, создавая потенциал на мембране, – это работает генератор; потом они текут по другим участкам мембраны митохондрии внутрь и энергия тратится на синтез АТФ – это потребитель. Значит, в митохондрии находятся и сама электростанция, и потребители электроэнергии. Если сделать
короткое замыкание, то у потребителей «гаснет свет», прекращается синтез АТФ. А если перестать давать вещества, необходимые для синтеза АТФ, т.е. выключить потребитель, разомну ть цепь, то станция перестает потреблять энергию – прекращается дыхание.
Нагрузку-потребитель на рис. 69 лучше всего представлять себе в виде «электродвигателя». Дело в том, что этот потребитель, как электродвигатели, обратим. Если внутри митохондрий имеется запас АТФ, а потенциал на ее мембране снижен, то АТФ начинает распадаться и гнать протоны наружу, подобно тому как электродвигатель, еслиегокрутить механическим двигателем, начинает отдавать энергию назад в сеть. В митохондриях при их реальной работе эта обратимость не используется. Иначе обстоит дело у бактерий. В 1977 г. было показано, что у стрептококков, когда они получают энергию за счет гликолиза и синтезируют АТФ, используется «обратимость двигателя». Часть синтезированной АТФ бактерии тратят на создание потенциала на мембране, который необходим им для транспорта метаболитов внутрь клетки.
Гипотеза Митчела превратилась в одну из основ биоэнергетики. Но не следует думать, что она решила все вопросы. Дальше надо было выяснить, как именно работают ферменты, создающие МП митохондрий, и ферменты, синтезирующие АТФ. Кое-что о работе этих молекулярных машин выяснено, и тот, кто заинтересовался этим вопросом, с большой пользой прочитает книгу В.П. Скулачева.
Мы же хотим еще раз подчеркнуть, что «животное электричество» оказалось присущим не только нервам и мышцам. Каждая клетка, которая дышит, каждая клетка, которая способна к фотосинтезу, использует электрическую энергию. Митохондрии и хлоропласта являются самыми настоящими электростанциями клетки, которые преобразуют горючее или свет в электроэнергию,
Бактерии первые электрики Земли. Они изобрели электромотор с подшипником, передачу электроэнергии по проводам и электрические аккумуляторы
Животные клетки содержат митохондрии. Клетки бактерий – сами себе электростанции. Они тоже способны синтезировать АТФ за счет пищи или света, за счет создания МП на своей мембране, выбрасывая Н+ в наружную среду. Но оказалось, что бактерии используют этот МП не только для синтеза АТФ.
В 1974 г. американский микробиолог Адлер изучал му-тантную линию бактерий кишечной палочки. Эти мутанты «дышали», но не синтезировали АТФ. Под действием кислорода эти бактерии начинали плыть. Этот результат представлялся совершенно удивительным, так как общепринятыми были представления, что для движения, будь то сокращение мышц или движение жгутика, требуется энергия АТФ. Опыты Адлера показали, что энергия окисления пищи может быть преобразована в движение без участия АТФ. Кроме того, Адлер показал, что движение бактерий может быть остановлено, если в среду добавить разобщители. Эти результаты были объяснены В.П. Скулачевым, который предположил, что бактерии используют свой МП прямо для движения жгутика.
Здесь следует сказать, что жгутик бактерий – это совсем особое устройство, отличающееся от жгутика инфузории. У бактерии есть две мембраны: одна наружная прочная оболочка, а вторая – такая же, как у животных клеток. Жгутик состоит из особого белка – флагеллина. Он прикрепляется к особой оси, которая торчит, проткнув наружную жесткую мембрану. На этой си находятся несколько дисков, играющих роль подшипников. Самый внутренний диск погружен во внутреннюю мембрану бактерии. Жгутик инфузории работает, как весло, ударяя по воде. Жгутик бактерии вращается, как корабельный винт. Это было показано так. Было отломано много жгутиков бактерий; флагеллин ввели кроликам, у которых возникла иммунная реакция. У них в крови появились антитела, способные склеивать флагеллин. Антитела прикрепили к стеклу специального сосуда. Бактерии, помещенные в этот сосуд, приклеивались жгутиком к стеклу. В этом п состояла идея опыта.
А все остальное – рецепт приготовления «клея» для ловли бактерии за хвост. Теперь жгутик приклеен к стеклу и можно видеть, что начинает вращаться сама бактерия. Часто говорят, что природа изобрела многое, но не изобрела колесо. Теперь вы видите, что как раз колесо-то и было изобретено еще на заре жизни.
Но если действительно движение бактерии зависит прямо от мембранного потенциала, то бактерии изобрели не только колесо, но и электромотор! Такую идею стоило проверить. В лаборатории В.П. Скулачева на другом виде бактерий – на пурпурной бактерии А.Н. Глаголевым было показано, что скорость движения бактерий действительно зависит, как и предполагал Скулачев, не от содержания АТФ в клетке, а от ее МП. В лаборатории был поставлен такой эффектный опыт. Бактерии были отравлены ядами, устраняющими потенциал, зависящий от ионов Н+. А затем в среду был добавлен еще один яд валиномицин, который повышает проницаемость мембраны бактерий для ионов калия. Калий начинал выходить наружу, возникал МП. И дважды отравленные бактерии оживали и начинали плыть!
Интересно, что электромотор бактерий обладает реверсом: если жгутик вращается по часовой стрелке, то бактерия плывет жгутиком вперед, а если против часовой стрелки, то жгутиком назад.
Придумано несколько конкретных моделей, которые объясняют, как электроэнергия преобразуется в механическое вращение жгутика. Показано, что МП, при котором работает мотор, порядка 200 мВ, что мощность мотора примерно 10~17 Вт, что через жгутик входит внутрь бактерии примерно 1000 протонов в секунду. Изменение направления вращения жгутика пытаются объяснить поворотом угла «лопастей турбины». Однако подлинный механизм работы этого мотора пока не выяснен.
Мы видели, что МП может быть использован клетками в самых разных целях: в митохондриях, хлоропластах, бактериях – для синтеза АТФ; бактериями – для вращения жгутиков; в самых разных клетках – для транспорта веществ, например, у животных – для транспорта Сахаров, в митохондриях для поглощения Са++, у бактерий для поглощения К+ и т.д.; при «коротком замыкании» для выработки тепла. Все эти факты привели Скулачева в 1975 г. к следующему обобщению: в энергетике клеток есть два универсальных носителя, а не один, как думали раньше, – это АТФ и МП. А тем самым ясно, что МП необходим каждой клетке, а не только нервному волокну.
Как правило, клетки используют в качестве источника энергии МП, создаваемый выкачиванием ионов водорода. Однако мы уже видели, что это не принципиально. Отравленная бактерия начинала плыть и в том случае, когда МП создавался К+. В связи с этим у Скулачева возникла идея, что любой МП – это клеточный резерв энергии, который она в случае надобности может использовать, В очень яркой форме выражается запас энергии у бактерий – обитателей соленой воды, которые накачивают внутрь много К+. На свету они за счет бактериородопсина вырабатывают АТФ и поддерживают МП. Но если их поместить в темноту и в среду без кислорода, то они быстро переставали двигаться в среде, содержащей много KCl, – нет источников энергии. Но если их помещали в раствор с NaCl, то за счет возникающего МП их движение поддерживалось в течение 9 часов. Таким образом, уже бактерии имеют аккумулятор электроэнергии, который они заряжают либо от солнечных батарей, либо от «тепловых электростанций».
Но и это еще не все. Существует особая замечательная группа бактерий – цианобактерии. Это древнейшие обитатели Земли, обладающие рядом особенностей. Они способны к фотосинтезу, могут сами усваивать атмосферный азот и т.д. Среди цианобактерии есть многоклеточные существа, похожие на дождевого червя, у которого каждый членик – отдельная клетка. Эти клетки имеют немного разные функции и соединены межклеточными отверстиями. Сходство с червем усиливается тем, что такие бактерии умеют ползать. Они обладают положительным фототаксисом, т.е. ползут к свету. Сопротивление мембраны у них, так же как у большинства других бактерий и у митохондрий, очень велико, а длина – всего несколько миллиметров.
