Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988, страница 57

Этому коллективу удалось вывернуть митохондрии наиананку. Теперь Н+ должен был оказаться внутри таких митохондрий. И, действительно, теперь внутрь начали проникать отрицательные ионы. Проникающие ионы были весьма разнообрааны 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 иа красивых опытов, который докааывает вторую половину гипотеаы Митчела — что МП моясет быть испольаован 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 (где они не вырабатывают АТФ) и в среду вводили валиномицин— антибиотик, который повышает проницаемость мембраны для К+. Калий начинал выходить из митохондрий, в на нх 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 мпкроэлектрод и прямо кзмерпть 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 равных клетках есть ионные насосы, которые работают, используя анергию АТФ. Теперь оказывается, что для выработки АТФ требуется работа протонного насоса, который использует энергию пищи или света. Так что в каждой клетке работает «каскад насосовз. В митохондриях и в «дышащихз 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 нсходпые продукты, нужные для ее синтеза, доставлять внутрь митохондрий. Те же ззз 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 карун«у», как это искусственно делали с мембраной митохондрий Скулачев и' н'-~ лрл 1 ,'н' о, ! т м" й~ ! « Лги тохолбрия «Дышащая» бант«рая Фотоеилтеаирующая бантерия рилакаиды б клороллаеток Рнс. Зз. Сходство н раалнчня в ортаннаацнн митохондрий, «дышашнх» бактерий, фотосннтеанрующнх бактерий н тнлаконда хлоро- пласта и Либерман.

В тилакоидах протоны заканчиваются внутрь их, а АТФ синтеаируется на их наружной поверхности. Мембрана митохондрий содержит много складок; мол«но 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 (рис. 68).

Вспомним теперь на минуту историю открытия мембраны. Она долго оставалась гипотетической структурой„ которую предсказывалн на основе научения 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 «Наутилусам «Подвнекный в подвиж- номе, Девиз всех клеток; <Мембраны в мембранее„ 269 Работу митохондрии действительно моягно изобразить как работу электростанции (рис. 69).

Дыхательная система ферментов гонит ток протонов нарулгу, соадавая потенциал на мембране,— это работает генератор; потом они текут по другим участкам мембраны митохондрии внутрь и энергия тратится на синтез АТФ вЂ” это потребитель. Значит, в митохондрии находятся и сама алектростанция, и потребители электроэнергии. Если сделать короткое аамыкание, то )(+ у потребителей «гаснет света,прекращается снптез АТФ.

А если перелг стать давать вещества, необходимые для сингер+ за ЛТФ, т. е. выклю- ггсгР чить потребитель, разомнуть цепь, то стан- ция перестает потреблять энергию — прекращается дыхание. Нагрузку-потребитель на ис. 69 л чше )90 всего представлять себе в виде «электродвигателям Дело в том, что этот потребитель, как эчектродвнгатели,обратим. Если внутри мир„с (ю ° — рвб... И„...,лр тж"ДРИГ« ИМЕЕ'С" Засогласпо гипотезе мнтчсла б — пас АТФ, а потенциал Дспствнс равобщптслсн («короткое на ее мембране снижен, вамыканпс«).

в — Прекращение по- то ЛТФ начинает распадачи веществ, необходимых Лля даться и гнать протоны синтеза ЛТФ («отключснне потрвбптвлнв) Слева — схема работы исибра- ~ару1ИУ~ подобно тому ны, справа — вквпвалвнтнан влек- как электродвигатель, трнчесьая схема если его крутить механи- ческим 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, ногда они получают энергию за счет гликолиза и синтезируют АТФ (при атом не работает система дыхания и не появляется потенциал на их мембране), используется «обратимость двигателяв. Часть синтезированной АТФ бакгерпи тратят на создание потенциала на это 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 ЛТФ.

Кое-что о работе этих молекулярных машин выяснено, и тот, кто заинтересовался этим вопросом, с большой пользой прочитает книгу В. П. Скулачева. Мы >ке 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 хлоропласты 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 аккумучяторы Животные клетки содержат митохондрии. Клетки бактерий — сами себе электростанции. Они тоже способны синтеаировать 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 мутантную 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 ин- фузории. 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 (рис. 70, а). На атой н+н+н+ я+Н+Нь а тон ариаоои то озижвииеемоториа н+ — Ыйызйыь Оантериа т ползи Юут тони ьье т Оьиыбает Юьаоо й+ наружу Рнс. 70. Работа бантернальнсгс <элентрсмсторзь в передача энергия на расстояние у цпансбактернй: и — схсмзтнческое нзсбрзженне чэлектрсмстсрае, вращающего жгутик бактерии; 6 — передача электроэнергии вдоль колонки клеток цнансбактерин.

Прн осзещеннн ьгслозыэ колонки возникает мембранный потенциал за счет работы мембранной помпы; через межнлетсчные контакты ток перетекает в другие клетки н вызывает в ннх работу «злентромотсрозь, ток, тенущвй прн этом з наружной среде, удается ззрегнстрн- ровать оси 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, иак корабельный винт. Это было показано так. Было отломано много жгутиков бактерий; флагеллин ввели кроликам, у которых возникла иммунная реакция.