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.