Поиск в базе сайта:
Роль мембранных структур в биоэнергетике доктор биологических наук В. П. Скулачев icon

Роль мембранных структур в биоэнергетике доктор биологических наук В. П. Скулачев




Скачать 239.14 Kb.
НазваниеРоль мембранных структур в биоэнергетике доктор биологических наук В. П. Скулачев
Дата конвертации08.05.2015
Вес239.14 Kb.
КатегорияТексты

РОЛЬ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР В БИОЭНЕРГЕТИКЕ

Доктор биологических наук В. П. СКУЛАЧЕВ

П

роблема биологических мембран — плоских структур толщиной около 70 А, состоящих из белковых и жироподобных соединений — фосфо-липидов,— приобретает в последние годы все большее значение, Любая живая клетка обладает мембранами. В простейших случаях, напри­мер у некоторых бактерий, имеется только один тип таких структур — мембрана, выстилающая клеточную оболочку изнутри. В клетках более высоко организованных живых существ их несколько: внешняя, клеточ­ного ядра, внутриклеточных органелл (митохондрий, лизосом и перокси-сом), а также эндоплазматической сети. Они разделяют клетку на отсеки, сообщающиеся между собой посредством трансмембранной диффузии оп­ределенных веществ. Подавляющее большинство природных соединений не может проникать через биологические мембраны без помощи особых веществ-переносчиков и пор, строго специфичных по отношению к струк­туре транспортируемого соединения. Набор переносчиков (пор) неодина­ков у разных мембран, что определяет разную их селективность как моле­кулярных сит, сортирующих вещества на проникающие и непроникающие. Другое важное свойство биологических мембран — их каталитическая активность, обусловленная мембранными белками-ферментами. Некоторые ферменты клетки вмонтированы в мембраны, другие прикреплены к их поверхности. Типы биологических мембран различаются по ферментному составу, который наряду с избирательной проницаемостью мембраны опре­деляет, так сказать, ее «лицо», свойства и биологические функции. Ряд ферментативных процессов в этих структурах идет на границе раздела фаз мембрана — вода, так что мембраны могут выполнять роль твердого катализатора реакций, протекающих в растворе, чему способствует их большая поверхность. Подсчитано, что площадь одних только внутренних мембран митохондрий, содержащихся в 1 г ткани печени, равна 2,5 мг._ В большинстве клеток животных организмов мембраны составляют значи­тельную часть (иногда до половины) сухого веса клетки. Процессы, разы­грывающиеся внутри мембраны, протекают практически в безводной гидрофобной среде и зачастую не могут совершаться в водном растворе вне мембраны.

Совсем недавно было доказано, что один из центральных процессов трансформации энергии при дыхании и фотосинтезе всецело определяется участием мембранных структур: удалось установить, что мембраны мито­хондрий (и хлоропластов) содержат ряд ферментов, осуществляющих

4?

Научные обзоры и сообщения

превращение химической (или световой) энергии в электрическую. В част­ности, митохондрии оказались топливным электрическим элементом, спо­собным действовать обратимо. Рассмотрению этого феномена и посвящена данная статья.

Одна из важнейших закономерностей энергетики живых систем со­стоит в том, что использование внешних энергетических ресурсов для со­вершения полезной работы включает стадии образования и расщепления аденозинтрифосфата. Главным его поставщиком служит процесс фосфо­рилирования аденозипдифосфата неорганическим фосфатом, сопряженный с внутриклеточным дыханием, а у растений и некоторых бактерий — с окислительно-восстановительными реакциями фотосинтеза. Дыхательное фосфорилирование было открыто В. А. Энгельгардтом в 1930 г. Объектом этих ставших классическими опытов служили эритроциты голубя. С тех пор явление дыхательного фосфорилирования было продемонстрировано на большом числе объектов животного, растительного и бактериального происхождения. Однако его механизм до недавнего времени оставался неясным. Решение проблемы пришло с выяснением роли мембранных структур в этом процессе.

Еще в 1949 г. А. Ленинджером в США установлено, что дыхатель­ное фосфорилирование локализовано в митохондриях, внутриклеточных ор-ганеллах размером около 1 мк, состоящих из двух мембран — внешней и внутренней, межмембранного отсека и внутреннего отсека, называемого матриксом. Дальнейшие исследования показали, что именно внутренняя мембрана митохондрий ответственна за процесс дыхательного фосфорили­рования. Выяснилось также, что совершенно необходимое условие для осуществления этого процесса — наличие двух отсеков, разделенных ми-тохондриальной мембраной и не сообщающихся между собой. Оказалось при этом, что состав среды по обе стороны мембраны и ориентация самой мембраны не влияют решительным образом па дыхательное фосфорили­рование. Если, например, разрушить митохондрии ультразвуком, разбив их на мельчайшие мембранные пузырьки, способность к фосфорилированию сохранится, хотя ориентация мембраны относительно окружающей среды изменится: внутренняя поверхность с характерными грибовидными вы­ростами после «озвучивания» будет обращена наружу, а внутри пузырька вместо веществ митохондриального матрикса оказывается раствор, в кото­ром проводилось «озвучивание». В то же время любое увеличение прони­цаемости мембраны для ионов резко подавляет дыхательное фосфорили­рование.

Важный этап в исследовании митохондрий начался с введения в практику эксперимента антибиотиков, переносящих ионы. Наиболее значительные результаты дал валиномицин. Этот антибиотик и ряд его производных, впервые синтезированных в Институте природных соедине­ний им. М. М. Шемякина Академии наук СССР Ю. А. Овчинниковым и его сотрудниками, был передан для биологических испытаний в лабораторию Б. Прессмана в США. В 1963 г. появилось сообщение С. Мура и Б. Пресс-мана о том, что валиномицин при добавлении его к митохондриям вызы­вает быстрое поглощение ионов калия, которое поддерживается дыха­нием или расщеплением АТФ. Механизм действия валиномицина стал ясен в 1966—1967 гг., когда Б. Чэпел и Т. Крофтс в Англии, П. Мюллер и Д. Рудин в США и А. А. Лев и Э. П. Бужинский в СССР опубликовали сообщения, что этот антибиотик резко повышает проницаемость фосфоли-пидных мембран для ионов К+. Детальное изучение феномена, проведен­ное Ю. А. Овчинниковым с сотрудниками, а также рядом других исследо-

48

Научные обзоры и сообщения

вателей, показало, что валиномицин может функционировать как пере­носчик ионов К+, образуя с ним комплекс, растворимый в жире.

В 1966 г. английский биохимик П. Митчел выступил с гипотезой, согласно которой перенос электронов при дыхании в митохондриях может происходить поперек мембраны — снаружи внутрь. В этом случае дыха­ние должно заряжать мембрану наподобие конденсатора, причем внутри нее будет возникать электрическое поле (минус на внутренней стороне мембраны). Синтез АТФ, по Митчелу, связан с использованием накоплен­ной электрической энергии для обеспечения реакции фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом. В рамках этой концепции поглощение ионов К+ митохондриями в присутствии валиномицина представляется как результат движения К+ в электрическом поле (электрофореза) от плюса снаружи митохондрии к минусу внутри. Точка зрения Митчела не была принята и из-за своей необычности и из-за отсутствия прямых до­казательств, исключающих альтернативное толкование экспериментальных данных. В частности, высказывалось предположение, что транспорт ионов К+ в митохондрии обусловлен действием особого калиевого насоса, кото­рый функционирует наподобие описанного применительно к внешним мембранам клетки.

Ранее, в 1957—1959 гг., на кафедре биохимии животных Московского университета нашей группой под руководством академика С. Е. Севери­на были проведены исследования, которые привели к выводу о незави­симости процессов дыхания и фосфорилирования, о возможности их ра­зобщения, например кратковременным выдерживанием теплокровного животного на холоде. Выдвинутая впоследствии Митчелом концепция, предполагавшая отсутствие прямой химической связи между двумя про­цессами, сопряженными через электрический мембранный потенциал, хо­рошо согласовывалась с этим наблюдением.

Для решения вопроса о том, действительно ли митохондрии могут превращать энергию окисляемых субстратов в электрическую, было пред­принято исследование, в котором участвовали группа сотрудников Инсти­тута биологической физики Академии наук СССР, возглавляемая Е. А. Ли-берманом, и сотрудники отдела биоэнергетики лаборатории биоорганиче­ской химии Московского университета'.

Логика поставленного нами эксперимента состояла в следующем: если в митохондриях существует электрическое поле, направленное поперек мембраны, то не только ионы К+ в присутствии валиномицина, но и дру­гие частицы, способные проникать через нее, должны вовлекаться в про­цесс электрофореза. При этом противоположно заряженные ионизирован­ные соединения (независимо от деталей их строения) будут двигаться в противоположных направлениях.

Прежде всего необходимо было подобрать заряженные соединения, способные проникать через биологические мембраны. Это была не про­стая задача, если учесть, что заряженные соединения существуют в рас­творе в виде гидратированных ионов, окруженных оболочкой из связан­ных молекул воды. Такие ионы не способны преодолевать фосфолипид-ный барьер мембраны, как вода не может смешиваться с жиром. Поэтому мы остановили свой выбор на группе ионизированных веществ, заряд ко­торых был либо экранирован гидрофобными (жироподобными) группи­ровками, либо сильно делокализован по всему объему молекулы. В каче-

1 В этих работах непосредственное участие принимали Л. Е. Бакеева, М. А. Вла­димирова, Л. Л. Гринюс, М. Д. Ильина, П. И. Исаев, Ю. П. Кандзяусказ, В. В. Кулене, Д. О. Левицкий, Е. И. Милейковская, В. Д. Самуилов, И. И. Северина, Г. В. Тихонова, В. П. Топалы, Л. М. Цофина, А. А. Ясайтис и автор статьи.

4 Вестник АН СССР, Л 3

49

Научные обзоры и сообщения

стве тест-системы для изучения проницаемости ионов через биологиче­ские мембраны мы использовали искусственную мембрану, сделанную из фосфолипидов. Опыты позволили выбрать ряд синтетических ионизиро­ванных соединений, легко проникающих через фосфолипидный барьер. Среди них наилучшей проникающей способностью обладали анионы тет-рафенилбора, фенилдикарбаундекаборана и тринитрофенола, катионы диметилдибензиламмония, тетрабутиламмония и трифенилметилфосфония. На следующем этапе работы была предпринята попытка обнаружить разность электрических потенциалов на мембране митохондрий, исполь­зуя проникающие синтетические ионы. Для этого Е. А. Либерманом был



предложен остроумный прибор, который лег в основу прибора, изображен­ного на рис. 1.

Прибор состоит из двух разных по размеру стаканчиков, помещен­ных один в другой, причем в стенке внутреннего сделано небольшое отвер­стие, закрытое искусственной фосфолипидной мембраной. Разность элек­трических потенциалов в стаканчиках измеряется посредством электро­дов, опущенных в каждый из них. В оба стаканчика добавляются равные количества проникающего иона, а, кроме того, во внутренний,— например, субмитохондриальные частицы, подлежащие исследованию. Спустя не­сколько минут концентрации проникающих ионов во внешнем и внутрен­нем стаканчиках и в митохондриях (или частицах) уравниваются, после чего добавляется субстрат, окисление которого в митохондриях сопровож­дается выделением энергии. Если эта энергия может превращаться в раз­ность электрических потенциалов между внутри- и внемитохондриальны-ми пространствами, то должно наблюдаться перераспределение прони­кающих ионов. Этот эффект может быть измерен электродами, погружен­ными в стаканчики. Следовательно, отпадает необходимость при измере­нии разности электрических потенциалов на митохондриальной мембра­не вводить электрод внутрь субмитохондриальных частиц, что имеет принципиальное значение, так как ввести электрод в столь мелкий объект, как митохондрия (или тем более субмитохондриальная частица), без су­щественного снижения сопротивления мембраны в месте прокола практи­чески невозможно.

Результаты одного из типичных опытов с субмитохондриальными ча­стицами показаны на рис. 2. Частицы выдерживали в течение нескольких минут во внутреннем стаканчике, содержавшем раствор проникающего аниона фенилдикарбаундекаборана, и затем добавили сукцинат — суб­страт, способный окисляться митохондриями. Видно, что добавка сукци-ната вызывает поглощение проникающих анионов частицами, как если

50

Научные обзоры и сообщения



2 Работа была проведена в отделе биоэнергетики лаборатории биоорганической химии МГУ А. Е. Донцовым, А. А. Копдрашиным, И. Б. Немечек, И. И. Севериной, С. М. Смирновой, Ла Ван Тьы, В. А. Фроловым, А. А. Ясайтисом и автором статьи.

51

Научные обзоры и сообщения

риальные ферменты двух типов: окислительный фермент цитохромоксида-за и гидролитический — АТФ-аза. Ферменты и фосфолициды растворялись в воде с помощью детергента, а затем он медленно удалялся диализом. В процессе диализа происходила самосборка полых сферических образо­ваний, мембрана которых состояла из фосфолипида, инкрустированного ферментными белками. Мы назвали такие частицы иротеолипосомами, На рис. 3 приведена электронная микрофотография среза протеолипосом, содержащих в качестве белкового компонента цитохромоксидазу.



Результаты типичных опытов по измерению трансмембранного элек­трофореза в протеолипосомах представлены на рис. 4. В случае цитохром-оксидазных протеолипосом (кривая слева) было обнаружено поглоще­ние проникающих анионов в ответ на включение дыхания (в качестве субстрата окисления использовалась аскорбиновая кислота). Реакцию на­чинали добавкой переносчика водорода феназинметосульфата (ФМС). Выключение цитохромоксидазы цианидом полностью снимало эффект ФМС. На протеолипосомах, инкрустированных АТФ-азой, электрофорез проникающих ионов поддерживался процессом гидролиза АТФ (средняя кривая). Выключение АТФ-азы антибиотиком олигомицином приводило к торможению транспорта ионов. В протеолипосомах, содержащих как цитохромоксидазу, так и АТФ-азу, образование разности электрических потенциалов могло происходить и за счет дыхания и за счет гидро­лиза АТФ, причем в условиях опыта в обоих случаях направление элек­трического поля в мембране оказывалось одинаковым (кривые справа).

В дальнейших опытах с протеолипосомами, поставленных нашей группой, был разработан метод прямого измерения генерации электриче­ского тока ферментами биомембран (Л. А. Драчев и А. Д. Каулен). Сус­пензию протеолипосом добавляли в один из отсеков тефлонового стакан­чика, перегороженного стенкой с отверстием, затянутым плоской фосфо-лнпидпой мембраной. Инкубационная смесь содержала, помимо обычных компонентов, ионы кальция, которые по данным Е. А. Либермана, сни­мают поверхностный заряд на протеолипосоме и мембране и вызывают как следствие прилипание протеолипосомы к мембране с возникновением между ними электрического контакта. Спустя несколько минут в отсек с протеолипосомами вносили субстрат и измеряли возникающую на мембра­не разность потенциалов с помощью обычных электродов и чувствитель­ного вольтметра. Как показали опыты с цитохромоксидазными протеоли­посомами (рис. 5А), при окислении аскорбиновой кислоты кислородом

52

Научные обзоры и сообщения



53

Научные обзоры и сообщения

генерацию трансмембранной разности электрических потенциалов, если сопротивление мембраны достаточно велико.

Чтобы проверить это предположение, мы получили цитохромоксидаз-ные протеолипосомы двух типов: одни содержали цитохром с снаружи, а другие — внутри. В первом случае перенос электронов мог начаться только снаружи протеолипосом и быть направленным внутрь, если спра­ведлива гипотеза о поперечном расположении цитохромов а и as. Как показали опыты, при добавлении субстратов цитохромоксидазной реакции к протеолипосомам с наружным цитохромом с возникает электрическое поле со знаком минус внутри протеолипосом, а блокада реакции снимает этот эффект. При расположении цитохрома с внутри направление элек­трического поля оказалось обратным (внутри знак плюс).

Поперечное расположение цитохромоксидазы в мембране митохондрий было подтверждено Э. Ракером с сотрудниками в США. Их опыты по­казали, что цитохромоксидазный комплекс примерно на две трети погру­жен в липидную часть мембраны и изолирован от водной среды; одна



шестая его часть контактирует с внемитохондриальным водным про­странством и одна шестая — с внутримитохондриальным. Эти, а также другие наблюдения свидетельствуют о том, что перенос электронов от цитохрома с через цитохромы а и а3 к кислороду пересекает мембрану митохондрий в направлении снаружи внутрь, в результате чего внутри-митохондриальный объем заряжается отрицательно. Перенос электронов осуществляется против электрического поля (от плюса к минусу), а не­обходимая для этого энергия поставляется химической реакцией окисле­ния донора водорода кислородом с образованием воды. В целом энерге­тика процесса оказывается аналогичной той, которая имеет место в слу­чае электрического топливного элемента, вырабатывающего ток за счет химической реакции.

Итак, «медленное горение», как образно называют внутриклеточное дыхание, заряжает мембрану митохондрий подобно конденсатору, чем, вероятно, и заканчивается функция дыхательного аппарата в энергетике клетки. Использование аккумулированной электрической энергии для совершения полезной работы связано с образованием АТФ. Этот процесс

54

Научные обзоры и сообщения

обусловлен обращением АТФ-азной реакции, способной, подобно окисле­нию, генерировать разность потенциалов на мембране митохондрий.

Здесь следует вновь вернуться к результатам опытов на протеолипо­сомах, содержащих АТФ-азу. Эти частицы, как отмечалось, образуют электрический потенциал за счет гидролиза АТФ. Исследование белков, формирующих АТФ-азный комплекс, показало, что он состоит из белко­вых компонентов двух родов: один из них необходим для расщепления АТФ (каталитический компонент), другой же обладает свойством пере­носить ионы Н+ через мембрану. В комплексе оба компонента способны осуществлять гидролиз АТФ, сопряженный с переносом ионов водо­рода против электрического поля — из внутримитохондриального про­странства, заряжающегося отрицательно, во внемитохондриальное, при­обретающее положительный заряд, что становится возможным благодаря значительному выделению энергии при расщеплении АТФ.

Важнейшая особенность АТФ-азной реакции, сопряженной с перено­сом ионов Н+,— ее обратимость. Транспорт ионов водорода против поля, т. е. изнутри митохондрий наружу, сопровождается расщеплением АТФ, а движение тех же ионов по полю (снаружи внутрь) приводит к синтезу АТФ. Иными словами, зарядка мембраны требует гидролиза АТФ, а ее разрядка может служить источником энергии для регенерации АТФ. Если зарядка мембраны осуществляется, например, цитохромоксидазной реак­цией, а разрядка — системой синтеза АТФ (рис. 6), то механизм со­пряжения окисления и фосфорилирования может быть представлен в том виде, который был предсказан П. Митчелом:



тде Дг|з — разность электрических потенциалов на мембране митохондрий.

Итак, вопрос о механизме окислительного фосфорилирования, который давно уже приобрел репутацию классической проблемы биоэнергетики, по­лучает, наконец, свое решение: природа связи между процессами дыхания и синтеза АТФ может считаться установленной.

Обнаруженная закономерность носит, по всей вероятности, достаточно общий характер. Так, образование АТФ при фотосинтезе в зеленых расте­ниях и фотосинтезирующих бактериях, а также при дыхании гетеротроф­ных бактерий может быть описано, судя по ряду экспериментальных дан­ных, в рамках общей схемы, доказанной для митохондрий. Особый интерес представляют фотосинтетические системы, компонентом которых служит хлорофилл. В самое последнее время получены данные, указывающие, что хлорофилл, подобно цитохромоксидазе митохондрий, участвует в переносе электронов поперек мембраны, однако реакция в этом случае вызывается не окислением донора водорода, а квантом света, поглощенного молекулой хлорофилла. Если цитохромоксидазная система может быть определена как электрический топливный элемент, то хлорофилловую следует отнести к фотоэлектрическим элементам.

Особый тип молекулярных фотоэлектрических элементов был обнару­жен совсем недавно у экстремально галофильных бактерий, обитающих в сильно засоленных водоемах. По данным лабораторий У. Стоекениуса и Э. Ракера, в мембранах таких бактерий обнаруживаются особые участки («фиолетовые бляшки»), состоящие из фосфолипида и белка, весьма близкого к родопсину — зрительному пигменту сетчатки глаза высших жи­вотных. Белок, названный бактериородопсином, выполняет, судя по этим данным, функцию «протонного насоса», переносящего ионы Н+ из внутри-во внеклеточное пространство за счет энергии света. На протеолипосомах из фосфолипидов соевых бобов и бактериородопсина направление перено­са протонов оказалось обратным.

55

Научные обзоры и сообщения

Существенно, что в тех участках мембраны галофильных бактерий, где содержится бактериородопсин, других белков не обнаружено. Следователь­но, бактериородопсин должен выполнять свою функцию «в одиночку». Приняв во внимание, что он состоит всего из одной полипептидной цепи (молекулярный вес порядка 26 000), можно сделать заключение о сравни­тельной простоте устройства генератора мембранного потенциала, представ­ленного этим белком. Таким образом, создаются уникальные возможности для применения ряда экспериментальных подходов, реализация которых затруднительна при других, более сложных системах трансформации энер­гии. В нашей лаборатории была предпринята попытка продемонстриро­вать генерацию электрического тока бактериородопсином, встроенным в плоскую фосфолипидную мембрану.



Из галофильных бактерий, которые любезно предоставили в наше рас­поряжение Л. П. Каюшин и Л. А. Чекулаева (Институт биологической фи­зики АН СССР), были получены фиолетовые бляшки, содержащие бакте­риородопсин (С. А. Остроумов и В. Г. Плакунова), затем из них и мито-хондриальных фосфолипидов удалось реконструировать протеолипоеомы (И. Б. Немечек). Как показали опыты (А. Ю. Семенов), освещение протео-липосом (рис.7 А) вызывало поглощение анионов фенилдикарбаундекабо-рана (ФКБ~), что указывало на генерацию мембранного потенциала со знаком «плюс» внутри протеолипосом.

Получив таким образом подтверждение гипотезы об электрогенном ме­ханизме действия бактериородопсина, мы приступили к опытам по «встраиванию» бляшек в плоскую фосфолипидную мембрану. Их добавили к раствору фосфолипидов в декане и полученную смесь нанесли на неболь­шое отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два отсека стакан­чика, заполненных 0,15 М КС1. На отверстии образовалась плоская мем­брана с включенным в нее бактериородопсином. Эксперименты показали (Л. А. Драчев и А. Д. Каулен), что освещение такой мембраны вызывает генерацию электрического тока, который может быть измерен электромет­ром с электродами, опущенными в разделенные мембраной солевые рас­творы. Результаты одного из опытов представлены на рис. 1В. Величина э.д.с. порядка 20 мв, измеренная в опыте,— это, по-видимому, разность э.д.с. генераторов, включенных навстречу друг другу, что должно быть следствием случайного расположения бляшек, встроенных в плоскую мем­брану. Знак и величина электрического потенциала были постоянными для данной мембраны, но изменялись от мембраны к мембране. Макси­мальная э. д. с, полученная в этих опытах, оказалась более 150 мв. Спектр действия фотоэффекта совпал со спектром поглощения бактериородопсина. Величина мембранного потенциала резко снижалась при добавлении ра-

56

Научные обзоры и сообщения

зобщителя-протонофора — трихлоркарбонилцианидфенилгидразона (ХКФ). При этом происходило изменение формы фотоиндуцированного ответа, аналогичное наблюдавшемуся в опытах по измерению ответов ФКБ~ в протеолипосомах, обработанных тем же разобщителем (ср. рис. ТА и 1Б). Подобное изменение наблюдалось и при шунтировании плоской мембраны внешним сопротивлением.

Все еще неясными остаются многие детали устройств молекулярных электрических генераторов. Нет данных о природе трансмембранного пе­реноса электронов цитохромоксидазой и хлорофиллом. Не выяснено, ка­ким именно образом транспортируются ионы водорода митохондриальнои АТФ-азой и бактериородопсином. Не установлен сам принцип зарядки мембраны окислительными реакциями, предшествующими цитохромокси-дазной реакции в митохондриях и окислению хлорофилла в хлоропластах. Известно лишь, что в митохондриальнои мембране такие реакции локализо­ваны в следующих звеньях цепи дыхательных ферментов: между никотин-амида дениндинуклеотидфосфатом (НАДФ) и никотинамидадениндинуклео-тидом (НАД), между НАД и убихиноном, между убихипоном и цитохро-мом с. В качестве рабочей гипотезы можно использовать схему, согласно которой все эти окислительно-восстановительные процессы сопряжены с транспортом ионов Н+ через мембрану по тому же принципу, что и АТФ-азная реакция.

Другая задача будущих исследований — изучение функции электриче­ского поля на внутриклеточных мембранах. Представляется очевидным, что поле может служить движущей силой не только процесса синтеза АТФ, но и транспорта проникающих ионов против концентрационных градиентов. Кроме того, повышение электропроводности митохондриаль­нои мембраны может приводить к превращению энергии в тепло, что име­ет приспособительное значение в условиях внешнего охлаждения тепло­кровных животных. Передача энергии на расстояние вдоль внутриклеточ­ных мембран может быть еще одной функцией электрического поля.

В целом результаты исследования процессов трансформации энергии в биологических мембранах убедительно показывают роль векторности биохимических реакций в осуществлении важнейших функций живой си­стемы. Наши представления об организации химических процессов в клет­ке претерпели значительную эволюцию за последнюю четверть века. До 50-х годов клетка представлялась неким «метаболическим котлом», отгра­ниченным клеточной оболочкой от окружающей среды. Затем выяснилось, что клетка разделена мембранами на отсеки, отличающиеся по набору ферментов, а значит и по реакциям, совершающимся под влиянием этих ферментов. На смену концепции единого «котла» пришла схема несколь­ких «котлов», сосуществующих в одной клетке. Дальнейшее развитие биохимических исследований привело к обнаружению фактов, свидетель­ствующих о том, что ряд ферментов связан с мембранами: некоторые из них, как, например, цитохромоксидаза, погружены, вмонтированы в мем­брану, другие, как каталитический компонент митохондриальнои АТФ-азы, прикреплены к поверхности мембраны, удерживаясь на ней, как на штативе. Открытие не только разделительной, но и организующей роли мембран подорвало концепцию «метаболических котлов» и вызвало к жиз­ни новые идеи, на основе которых удалось, в частности, расшифровать ме­ханизм окислительного фосфорилирования. Оказалось, что необходимо знать не только, какие реакции протекают внутри клетки и в какой точке протоплазмы они совершаются, но и каково их направление относительно тех или иных внутриклеточных ориентиров. Можно думать, что определе­ние векторов биохимических процессов позволит выяснить природу многих других, сегодня еще загадочных биологических явлений.

57

Научные обзоры и сообщения

Следует коротко остановиться на практическом значении новых знаний из области биоэнергетики. Здесь мы находимся лишь в самом начале пути, но установленный в последнее время факт, что живая клетка располагает молекулярными генераторами тока, вмонтированными во внутриклеточ­ные мембраны, а сами эти мембраны выполняют роль конденсаторов и электроизоляционных слоев, вдоль которых может распространяться энер­гия электрического поля, многое меняет в нашем представлении о живой клетке и ее ответах на те или иные внешние воздействия.

Описанный механизм трансформации энергии — это, по-видимому, один из наиболее уязвимых узлов живой системы. Как показывают опыты, даже небольшое снижение электрического сопротивления биологической мембраны, которое исходно очень велико (порядка 107 ом-см2), ведет к пробою мембранного конденсатора, что внешне выражается разобщением процессов окисления и фосфорилирования.

Известен широкий круг веществ-разобщителей, к которому относятся природные соединения (например, перекиси жирных кислот), антибиоти­ки и другие лекарственные препараты, такие, как грамицидин, тетраци­клин, кумарины, салициловая кислота и др., а также гербициды и некото­рые яды. Мощным действием, снижающим электрическое сопротивление биологических мембран, обладают перекиси ненасыщенных жирных кис­лот; их появление всегда сопутствует лучевому поражению клетки. Поэто­му можно полагать, что ряд эффектов ионизирующей радиации связан с электрическим пробоем биологических мембран. Вероятно, действием на их электрические параметры удается объяснить терапевтические или токси­ческие эффекты многих медицинских препаратов. Несомненно, в частности, что именно так действует грамицидин, бактерицидный эффект которого обусловлен тем, что это вещество включается в мембраны и образует поры, проницаемые для ионов Н+, Na+ и К+. Весьма вероятно, что эффект силь­нейших гербицидов ряда бензимидазола обусловлен их способностью про­водить ионы водорода через фосфолипидные участки мембран. Например, тетрахлортрифторметилбензимидазол может снижать сопротивление фос-фолипидных мембран на шесть порядков. Добавленный в ничтожных ко­личествах к хлоропластам растений, он вызывает протонный пробой мем­бран и прекращает фотофосфорилирование. Не удивительно, что это ве­щество оказывается сильнейшим ядом для зеленых растений.

Знание механизма действия веществ — переносчиков ионов водорода позволяет предсказывать их эффект на биологические системы, исходя из сведений об их строении и действии на модельные мембраны. Таким путем уже описаны новые типы мощных ингибиторов окислительного фосфори­лирования.

Другой аспект прикладных исследований в данной области — создание принципиально новых видов фотоэлектрических и топливных элементов на основе результатов изучения молекулярных генераторов электрическо­го тока в биологических мембранах. Как показали опыты, митохондрии могут работать в режиме топливного элемента с к.п.д., близким к 100%. Весьма высок также к.п.д. фотоэлектрических элементов хлоропластов и пурпурных бактерий.

Сказанное лишь иллюстрирует некоторые возможные пути практиче­ского использования новых сведений об энергетике биологических мем­бран. Можно думать, что развитие исследований в этом направлении перспективно для медицины, сельскохозяйственной практики и промыш­ленной энергетики.

УДК 577.31

58

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией