Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

Электрический кабель цианобактерий

Другая проблема, долго дожидавшаяся своего срока, — это передача энергии вдоль мембраны. С самого начала хемиосмотической эпопеи мне казалось очевидным, что разность электрических потенциалов весьма удобна для транспорта энергии в пределах клетки. Дело в том, что система из двух солевых растворов, разделенных мембраной с ее свойствами превосходного изолятора, могла бы действовать в режиме электрического кабеля. Солевые растворы — проводники с очень низким сопротивлением, мембрана — структура, сопротивление которой очень высоко. Поэтому электрическое поле, созданное, например, переносом Н+ через мембрану в какой-то ее точке, должно немедленно распространиться по всей мембране.

Транспортабельность — необходимое свойство конвертируемой формы энергии. Поскольку разность электрических потенциалов является достоянием мембраны в целом, она должна объединять тысячи вмонтированных в нее генераторов и потребителей протонного потенциала в единую систему энергообеспечения бактерии, митохондрии или хлоропласта.

Все они имеют, как принято считать, микронные размеры. Расчет показывает, что передача потенциала на такие расстояния идет практически без потерь. Потери невелики и при значительно больших расстояниях - вплоть до нескольких миллиметров. Но есть ли столь протяженные мембранные образования, генерирующие протонный потенциал?

Электрический кабель цианобактерий
Электрический кабель цианобактерий

Аналогия мембраны с электрическим кабелем давно используется нейрофизиологами: распространение нервного импульса вдоль весьма протяженных мембран аксона происходит как по кабелю. Однако это передача сигнала, а не электрической мощности, которую необходимо использовать для совершения работы. Да и протонных генераторов нет в аксоне.

Вот если бы митохондрия или бактерия была длиной в несколько миллиметров, тогда можно было бы говорить об электропроводке и передаче мощности.

А нет ли в природе длинных митохондрий? Само слово «митохондрия» в переводе означает «нить-зерно». Действительно, рассматривая клетку под световым микроскопом, цитологи давно уже обратили внимание на то, что митохондрии бывают двух типов: вытянутые, нитевидные и округлые, шарообразные. Диаметр нитевидных митохондрий столь мал, что световой микроскоп не позволяет надежно ответить на вопрос, где кончается одна митохондрия и начинается другая.

Чтобы повысить разрешение, прибегают к помощи электронного микроскопа. Через ткань или клетку делают срез и затем фотографируют его, используя вместо светового луча пучок электронов. На срезах митохондрии почти всегда выглядят как мембранные пузырьки округлой формы.

Это не удивительно: поперечный срез через нить, как и через шарик, даст нечто круглое. Такое, казалось бы, очевидное обстоятельство долгое время игнорировалось электронными микроскопистами, которые упорно считали митохондрии мелкими шаровидными или овальными образованиями.

Ошибка выяснилась, как только начали применять метод серийных срезов. Через клетку простейшего сделали несколько десятков параллельных срезов, сфотографировали их под электронным микроскопом, а затем воссоздали истинную трехмерную структуру митохондрий внутри клетки этого организма.

Сколь велико было удивление исследователей, когда выяснилось, что в клетке вместо десятков и сотен округлых митохондрий есть всего одна гигантская сетчатая митохондрия, более всего напоминающая авоську. Она располагается под внешней мембраной клетки по всей ее протяженности, так что размер митохондрии оказывается соизмерим с размером самой клетки.

Гигантские сетчатые митохондрии были обнаружены не только у простейших, но также и у дрожжей и некоторых других одноклеточных организмов. Утвердилось даже мнение, что такие большие митохондрии — специфика одноклеточных.

Открытие гигантских митохондрий относится к семидесятым годам. Оно сильно укрепило меня в перспективности поиска электропроводки, существование которой я постулировал в 1969 году, исходя из самых общих соображений.

Следующим важным этапом стало изучение мышечных митохондрий. Клетка мышцы достигает огромных размеров. Ее энергетические потребности очень велики, а диффузия АТФ и окисляемых соединений затруднена ввиду того, что клетка буквально набита плотно упакованными структурами — тяжами сократительного белка актомиозина.

Как-то раз Л. Бакеева, сотрудница нашего отдела электронной микроскопии, показала мне странную микрофотографию. На срезе мышцы крысиной диафрагмы была видна сеть каких-то темных структур, пронизывающая все тело мышечной клетки. По форме эти структуры были так необычны, что я не сразу признал в них митохондрии. Внимательно рассмотрев фотографию, мы убедились, что срез прошел вблизи так называемого Z-диска, особого белкового образования, к которому крепятся актомиозиновые тяжи. Плоскость среза оказалась строго параллельной Z-диску.

Митохондрии в мышце формируют сеть? Чтобы проверить, не случайно ли наше наблюдение, мы углубились в литературу по ультраструктуре мышечной ткани. «Раскопки» показали, что в 1966 году некто X. Бубенцер из ФРГ и независимо Г. Готье и X. Падикула из Франции наблюдали сетевидные митохондрии в мышце диафрагмы. Авторы использовали одиночные срезы и потому не могли получить точного представления о структуре митохондриальной сети в целом.

Бакеева приготовила серийные ультратонкие срезы мышцы диафрагмы. Расстояние между соседними срезами было меньше одного микрона, количество cpeзов — 45. В результате этой технически очень сложной работы было получено 45 микрофотографий, по которым удалось воссоздать истинную картину строения митохондрий в диафрагме. Из розового дентального воска Бакеева вылепила модель, форма которой точно соответствовала митохондриальным структурам мышцы, но была увеличена в десять тысяч раз. И вот тут-то нам открылась истинная картина строения мышечных митохондрий.

Она оказалась поистине удивительной. Кружки и эллипсы, видные на одиночных срезах, в действительности были сечением через различные элементы единой трехмерной конструкции, пронизывающей всю мышечную клетку. Конструкция состояла из сетей, расположенных вблизи Z-дисков, и колонн, перпендикулярных сетям и соединяющих их друг с другом. Ни одной шарообразной митохондрии, не связанной с основным каркасом, обнаружено не было.

Для этой новой структуры я предложил название «reticulum mitochondriale» (митохондриальный ретикулум по аналогии с уже известным эндоплазматическим ретикулумом — системой мельчайших мембранных цистерн, ответственных за обратимое поглощение ионов кальция внутри мышечной клетки). Но про себя называл хитросплетение мышечных митохондрий внутриклеточной электропроводкой, свято веря, что если уж мышечное волокно пронизано мембранами, которые находятся под напряжением в четверть вольта, то сам бог велел использовать их для передачи электрической энергии. Такая электропроводка могла бы резко облегчить ситуацию в тяжело работающей мышце, испытывающей острый энергетический дефицит.

Свидетельство в пользу особого значения митохондриального ретикулума для мышечной работы было получено при исследовании становления этой структуры в процессе формирования диафрагмы. Мышца диафрагмы бездействует у эмбриона и начинает функционировать с первым вздохом новорожденного. Учитывая это обстоятельство, Ю. Ченцов, шеф микроскопистов в нашей лаборатории, предложил Л. Бакеевой сравнить структуру митохондрий диафрагмы у крысиного эмбриона перед самым рождением и у однодневного крысенка.

Как и следовало ожидать, митохондриальный ретикулум отсутствовал в бездействующей диафрагме эмбриона. Здесь были лишь немногочисленные, вытянутые, лежащие отдельно митохондрии, ориентированные перпендикулярно Z-дискам.

После рождения количество митохондрий резко возросло, эмбриональные митохондрии вытянулись, утолщились и начали ветвиться в области Z-дисков. Через неделю уже ясно просматривались контуры будущих сетей, параллельных Z-дискам и перпендикулярных эмбриональным митохондриям, превратившимся в колонны, поддерживающие сети. К концу четвертой недели после рождения формирование митохондриального ретикулума было почти закончено.

Итак, в неработающей мышце, где нет больших энергетических затрат, нет и митохондриального ретикулума. Он появляется после включения основной, сократительной, функции мышцы. Такая ситуация вполне разумна, если принять, что митохондриальный ретикулум — электропроводка. Но как это доказать прямым экспериментом?

Наличие протяженных митохондриальных мембран — условие, необходимое, но недостаточное, чтобы признать за ними роль электропроводки. Более того, предполагая передачу электрической мощности вдоль мембран вновь открытого ретикулума, я не мог опереться на аналогию с какой-нибудь другой биологической мембраной (нервные волокна не в счет: там передается не электрическая мощность, а сигнал, причем энергия в конечном итоге рассеивается).

В биологии, как в английском законодательстве, очень важен прецедент. Как правило, живая природа, изобретя что-либо стоящее, затем многократно использует свое открытие всюду, где предоставляется такая возможность.

Митохондриальный ретикулум это тончайшая паутинка, вплетенная в структуру мышечного волокна. Поперечник даже наиболее толстых тяжей ретикулума измеряется долями микрона. Передачу электричества по столь тонкому кабелю нельзя измерить прямо: даже самые тонкие электроды слишком громоздки для такой операции. Но нет ли других, более подходящих для исследования протяженных мембран, генерирующих протонный потенциал? Я вновь и вновь пытался найти такого рода объект, однако всякий раз проблема представлялась технически слишком сложной, чтобы дело дошло до эксперимента.

И тем не менее я не терял надежды. Мысль об электропроводке возникла в 1968 году. Прошло без малого семь лет, пока она воплотилась в опыты, которые привели к открытию митохондриального ретикулума в мышцах. И вот теперь мне нужен был организм, где передачу электрической мощности можно было бы измерить прямым методом.

Шли годы, меня занимали другие идеи и опыты, но задача по электропроводке не была забыта. Я терпеливо ждал подходящего случая. Он представился, когда А. Глаголевым был установлен факт движения нитчатых цианобактерий за счет энергии протонного потенциала.

Многоклеточный организм цианобактерий (трихом) состоит из сотен клеток, соединенных конец в конец. Цитоплазма каждой из них окружена мембраной, в которой есть генераторы протонного потенциала. В литературе удалось найти указание на то, что иногда между соседними клетками в трихоме видны мельчайшие каналы. Если бы эти каналы были хорошо проницаемы для электролитов, то трихом мог бы оказаться единой электрической системой, обладающей кабельными свойствами.

Сначала А. и Т. Глаголевы поставили такой несложный опыт. Были подобраны условия, когда свет служил единственным источником энергии для генерации протонного потенциала цианобактериями. Трихомы были неподвижны, пока не включался свет, поглощавшийся бактериальным хлорофиллом. Вопрос состоял в том, будет ли двигаться трихом, если освещена лишь небольшая его часть? Если между клетками в трихоме существует передача энергии, то, освещая часть трихома, можно образованную там электроэнергию передать в затемненные участки и питать ею все протонные моторы этого трихома.

Луч света сфокусировали таким образом, чтобы световое пятно покрыло всего 4—5 процентов от общей длины трихома. Оказалось, что в этих условиях трихом сохраняет свою подвижность.

Первое предсказание «кабельной гипотезы» оправдалось. Но может быть, для движения трихома хватает мощности тех моторов, которые находятся в его освещенной части? Тогда освещенный участок будет тянуть весь трихом, как электровоз везет за собой железнодорожный состав.

Эта возможность была исключена следующим опытом. Трихомы перенесли с поверхности агара, на котором проводили предыдущий эксперимент, в водный раствор. В жидкой среде цианобактерий неподвижны: их двигательный аппарат устроен таким образом, что они могут ползти, но не умеют плавать, Однако протонные моторы продолжают работать и в воде, несмотря на отсутствие поступательного движения. Об этом свидетельствует вращение колец слизи, выделяемой цианобактериями.

Будут ли вращаться кольца слизи на одном конце трихома, если световое пятно расположить на противоположном его конце? Оказалось, что такое освещение вызывает вращение колец не только под световым пятном, но также и в других участках трихома, включая удаленный от света конец.

Этот факт говорил против «гипотезы электровоза», свидетельствуя в пользу передачи энергии по всей длине трихома. Но в какой форме передается энергия? Может быть, это АТФ, глюкоза или какой-либо другой продукт фотосинтеза, образующийся в освещенной части трихома и диффундирующий в его затемненные участки?

Такое объяснение казалось нам маловероятным прежде всего потому, что движение трихома или вращение колец слизи начиналось уже через несколько секунд после включения света, освещавшего малую-часть трихома. Расчет показал, что диффузия глюкозы или АТФ из конца в конец трихома длиной в 1 миллиметр потребовала бы многих минут. Кроме того, движение от светового пятна можно было наблюдать на трихомах, обработанных специфическим ингибитором, выключившим протонную АТФ-синтетазу. В таких трихомах свет образовывал протонный потенциал, но не АТФ.

Прямой опыт, доказавший передачу электроэнергии вдоль трихомов, был поставлен Л. Чайлахяном, Т. Потаповой и Т. Глаголевой. Когда я попросил наших электрофизиологов попытаться измерить вольтметром распространение потенциала по трихомам, Л. Чайлахян предложил использовать для этой цели внеклеточные электроды. Такой деликатный метод давно уже применяется для изучения распространения нервного импульса. Он позволяет зарегистрировать электрическую передачу без введения электрода внутрь клетки, которое всегда создает опасность короткого замыкания в месте прокола мембраны электродом; эта опасность особенно велика для мембран, несущих протонный потенциал, вследствие их высокого электрического сопротивления.

Трихомы были аккуратно уложены в заполненную водой бороздку, прочерченную на бруске плексигласа. К трихомам подвели четыре электрода. Электроды 1 и 4 расположили у противоположных концов бороздки, электроды 2 и 3 — на расстоянии 1/3 и 2/3 пути от электрода 1 к электроду 4. Тонким лучом света высветили небольшую часть трихомов вблизи электрода 1 и измерили разность потенциалов между электродами 1—4, 2—4 и 3—4.

Предсказание нашей гипотезы состояло в том, что между электродами 1 и 4 возникнет разность потенциалов, причем ее направление будет соответствовать выходу положительных зарядов (Н+) из клетки во внешнюю среду в освещенной части трихомов, то есть в области электрода 1. Между остальными электродами тоже должна была возникнуть разность (ΔV) потенциалов, убывающая в следующем порядке: ΔV1-4 > ΔV2-4 > ΔV3-4. Во всех случаях разность потенциалов, достигнув максимума, должна была затем со временем снижаться, причем спад должен был, судя по опытам с движением, происходить в секундной шкале.

Как видите, предсказан был феномен, охарактеризованный достаточно четко, по крайней мере на качественном уровне. И что же? Световое пятно действительно вызвало генерацию разности потенциалов со всеми свойствами, перечисленными выше.

Затем мы задали работу нашей вычислительной машине. В нее были заложены основные параметры трихома, действующего подобно электрическому кабелю, после чего машине было предложено вычислить динамику изменения разности потенциалов ΔV1-4   ΔV2-4   ΔV3-4. К нашей радости, машина начертила кривые, очень похожие на те, что были получены в эксперименте.

Кабельная гипотеза была доказана. Мы обнаружили-таки долгожданный прецедент: электрическая мощность передавалась вдоль мембран на несколько миллиметров — расстояние, огромное по масштабам клетки.

предыдущая главасодержаниеследующая глава

купить уаз карго




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'