Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988, страница 56

263 Интересно, что передний и аадний концы туфельки по-разному реагируют не только на механические, но и на температурные воздействия. В 1987 г. японские исследователи показали, что на переднем конце туфельки имеется участок, чувствительный к холоду, а на эаднем— к теплу; у позвоночных животных для той же цели служат специальные клетки — тепловые и холодовые рецепторы. При действии на туфельку холода на ее переднем конце открываются Са-каналы, а при действии тепла на заднем закрыва»отея К-каналы.

Результат один н тот «ке: МП снижается. Однако поведенческий эффект температурного воздействия состоит в основном не в изменении скорости плавания, а в том, что туфелька начинает заметно чаще, чем при привычной для нее температуре, менять направление своего двпя«ения(начинает«метаться»), Если при таких метаниях она выскочит вновь в область привычных температур, то поплывет по прямой, удаляясь от горячего или холодного места.

Как управляется частота поворотов, пока неизвестно. Замечательная особенность ионных каналов, чувствительных к температуре, состоит в том, что они обладают памятью. Если инфузория жила при 20 'С, то 15 'С для нее холодно„ и реагируют холодовые рецепторы; но если инфузория достаточно долго жила при 10'С, то 15 'С для нее тепло„ и реагируют тепловые рецепторы. Как перестраивается работа чувствительных к температуре каналов во время привыкания, пока не выяснено.

В гл. 7 мы говорили о «моааике каналов», которая обеспечивала разным клеткам нужные им свойства, У инфузорий такая мозаика особенно богата, так как она должна обеспечить этой клетке разнообразное поведение. Так что инфузория — интереснейший пример «мозаики каналов». С другой стороны, кзученпе инфузорий дает нам еще один урок.

Совместная работа ионных каналов туфельки весьма затрудняет их изучение. Мы так много поняли о туфельке потому, что до этого были изучены клетки других разнообразных животных. Очень полезно сравнивать разные объекты. Оказалось„ что каналы и органеллы туфельки работают в обще»в на тех же принципах, что и каналы и органы других организмов, Очень интересно было бы выяснить, какие черты этого сходства объясняются наследством, полученным от общего предка, а какие являются результатом естественного отбора, который привел по разным путям к сходным результатам, 264 Об электростанциях илезек м немного о бактериях — первых электриках Земли Без этого небольшого параграфа наша книга была бы неполна, ведь в ней отсутствовало бы важнейшее для всего живого использование электричества — испольаование его для обеспечения каждой клетки энергией.

Откуда организмы получают энергию? Животные иа пищи, которую они съедают. Биохимиками было выяснено, что пища у животных, дышащих кислородом воздуха, медленно окксляется (собственно, для этого и нужен кислород), а за счет этой энергии в организме синтезируется особое вещество — АТФ. Это вещество играет роль универсальной валюты и расходуется животными для синтеза новых веществ, для работы мышц или ионных насосов и т. д. Было выяснено такя<е, что процесс сгорания пищи и синтеза АТФ осуществляется особыми клеточными органеллами — митохондриями, описанными еще в 1850 г.

Келликером в мышцах насекомых. Митохондрии имеются не только у животных, но и у растений и грибов, нет их только у бактерий. Если сделать еще один шаг в своем любопытстве и задать вопрос: «А откуда же берется пища?», то на него ответ тоя<е известен. В конечном счете пища производится фотосинтезирующими организмами, получающими свою энергию от Солнца. В растениях имеются, кроме митохондрий, особые органеллы — хлоропласты, 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 «ке отношение они имеют к теме атой книги? Еще лет 30 назад на этот вопрос был бы дан уверенный ответ — никакого! Но в 1961 г. английский ученый Н. 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 обстоятель ная, 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 анергия тратится на синтеа 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 г»гпотезы Митчела наличие мембраны митохондрий с достаточно высоким сопротивлением, чтобы Н' не мог сразу вернуться на место, является совершенно принципиальным е). В 60-х годах Митчел, получив наследство, организовал небольшую лабораториго в своем доме в Корнуолле, распело»пенном вблизе тех болот, по которым бегала баскервильская собака. Там с двумя сотрудниками н 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 мок ет 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 ») Учет роли мембран был для Мягчела ие случайным. Когда оп в 19г»3 г. окончил Кембриджский университет, оп начал работать у Д Даки»лли, специалиста по меыбразам, который еще в »935 г. предлоя,ил так называемую»бутербродпую модель» мембракы, согласие ко»ором роль»хлеба» играет бимолекулярпый слой липидоа, а роль »масла», памааапяого с двух сторон, — белки 266 гипотеза Митчела предсказывала прекращение синтеза АТФ. Пища могла окисляться, но МП не возникал бы„ а значит и АТФ не должен синтеэироваться.

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 разобщителк (потому что раэобщают сгорание пищи и синтез АТФ) — 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 испольэовать для производства работы, но при атом выделяется много тепла (короткое замыкание — частая причина пожаров). 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 эа счет работы калий-натриевого насоса. В. П. Скулачев, Е. А. Либерман и их сотрудники испольэовали для той же цели молекулы разных, искусственно синтезированных веществ, которые опи назвали «проникающие ионы». Это были действительно положительно или отрицательно заряженные молеку- 267 пы, притом такие, которые были растворимы не в воде, а жирах. Было показано, что в присутствии кислорода, когда пища могла ся<игаться и должен был существовать потенциал в митохондриях, положительно заряженные ионы начали проникать внутрь митохондрий.