электричество в живой клетке

Электростанция живой клетки

Система, преобразующая световую энергию в электричество, ни у кого не вызывает удивления. Что может быть банальнее фотоэлемента. Но есть особенный фотоэлемент. Создала его природа так, как преобразуют энергию частички бактерий, именуемые родопсином. Так сказать, электростанция живой природы.

Это просто наглядная демонстрация того, что природа гораздо раньше человека поняла все возможности, которые таит в себе применение электрической энергии, и воспользовалась ими для преобразования энергии в клетках живых существ и растений. А это процесс, слывший некогда одним из самых таинственных и непонятных…

Биохимический детектив

Одна из самых непонятных доселе линий связи — энергоснабжение клетки. Известно уже давно, что клетка поглощает поступающие извне питательные вещества — субстраты — и окисляет их. При этом выделяется энергия. Затем следуют еще какие-то преобразования, конечный результат которых — появление молекул АТФ—аденозинфосфата. АТФ — универсальная валюта клетки, унифицированная энергия, которую клетка запасает впрок и потом расходует по своему усмотрению.

Все энергетические процедуры происходят во внутренних мембранах особых клеточных образований — митохондрий. Этот факт был давно известен биохимикам. Но как происходит трансформация энергии, какие процессы ей сопутствуют, какими путями и средствами пользуется природа — на эти вопросы ученые ответить не могли.

Предполагалось сначала, что переносчиком энергии служит особое вещество, нечто вроде пресловутого теплорода физики XVIII века. Биохимики построили множество моделей этого гипотетического процесса, схем изящных и красивых, разумных, с точки зрения науки, но не имевших никакого намека на экспериментальные подтверждения.

Таким образом, в биоэнергетике возник своеобразный тупик, который, как утверждал в свое время знаменитый физик Нильс Бор, представляет прекрасную почву для сумасшедших идей.

И одна из них не замедлила появиться.

Английский биохимик Питер Митчел предположил, что в результате окисления «клеточной пищи» мембрана митохондрий заряжается электрически, а ферменты-окислители, таким образом, работают как топливные элементы. Затем полученное и накопленное клеткой электричество расходуется на синтез молекул АТФ.

Единственным основанием этой смелой гипотезы были диэлектрические свойства мембраны, которая обладает большим электрическим сопротивлением и емкостью, являя собой идеальный электрический конденсатор. Конечно, если исходить из целесообразности конструкций природы, это можно считать доказательством. Но, увы, ученые на подобные аргументы никак не прореагировали, сочтя диэлектрические свойства мембран митохондрий совпадением.

Так что идея Митчела при всей своей внешней привлекательности повисла в воздухе и, может быть, разделила бы судьбу своих многочисленных предшественниц, если бы не эксперименты ученых — В. Скулачева и Е. Либермана, который, как и В. Скулачев, сразу же после появления «электрической теории» стал ее ярым защитником, притом не платоническим, а весьма активным. Более того, именно в лабораториях этих ученых проявились неизвестные до той поры черты биоэнергетики клеток.

На первый взгляд эксперименты выглядели очевидными. На самом деле, не надо быть Фарадеем, чтобы придумать контрольный опыт на живой клетке. Сначала предложите ей питание, чтобы произошло окисление. Определите разность потенциалов, появившуюся на мембране. Затем, подав на другую, лишенную питания мембрану, аналогичное электрическое поле, надо ждать — будет ли она синтезировать молекулы АТФ. Ответ будет однозначным!

Но, увы, подобные опыты невозможны. Внутрь естественной мембраны не проникнешь — слишком она тонка.

Пришлось искать окольные пути.

Прежде всего В. Окулачев и Е. Либерман доказали, что давно известные вещества, препятствующие образованию молекул АТФ, в то же время действуют электрически, снижая сопротивление мембран. Тем самым конденсатор теряет свои замечательные свойства накапливать электрическую энергию, и синтез молекул АТФ подавляется в самом зародыше.

Совпадение?

— Да, — ответили противники, — простое совпадение.

Опыты продолжались. Е. Либерман и В. Скулачев в своих лабораториях испытали около 40 химических соединений самой разнообразной структуры, способных снижать сопротивление искусственных мембран, созданных ими. Исходя из этого, ученые научились точно предсказывать, как эти вещества будут влиять на работу живых митохондрий.

Как известно, ценность научной теории определяется не только тем, как она объясняет известные до ее появления процессы, но и способностью предсказывать явления новые. В данном случае совпадение было просто идеальным. Но скептики опять отказывались верить.

В. Скулачев и Е. Либерман решили доказать, что при питании митохондрий действительно рождается электрическое поле. Опять-таки на бумаге схема опыта выглядела чрезвычайно тривиально, и опять-таки природа, ревниво оберегающая свои тайны, не захотела пойти навстречу экспериментаторам.

Идея была ясна. Нужно взять раствор заряженных электрически частичек атомов и молекул — ионов и засылать туда порошок из митохондрий. Если теперь «подкормить» их веществом, к которому митохондрии «привыкли», появится электрическое поле. Поле втянет внутрь мембран часть ионов. Это можно зарегистрировать.

Но действительность оказалась суровой и не расположенной к экспериментаторам.

Дело в том, что мембраны митохондрий капризны и не любят посторонних ионов. Правда, для некоторых из них мембраны не преграда. Но пропуском служат не электрические, а химические свойства. Сигнал «милости просим» раздается, когда мембрана осознает химическую особенность желанных для нее веществ. А ионов, которые обладали бы подобными свойствами, в природе не оказалось.

За их изготовление взялся Е. Либерман. Вскоре в его лаборатории появились синтетические, искусственно и искусно созданные, способные проникать сквозь перегородки мембран итохонррии.

К тому времени сотрудники В. Скулачева научились изготовлять искусственные мембраны, всего лишь в несколько раз толще природных.

Теперь все было готово для решительного опыта. И он состоялся. Ученые доказали, что митохондрии, приняв предложенную им пищу, немедленно зарядились электрически и начали вытягивать из раствора ионы. Для полной убедительности ту же процедуру проделали с так называемыми субмитохондриальными частичками (СМЧ), появившимися из митохондрий, разбитых мощным ударом ультразвука.

Опыт был своего рода контрольным, поскольку было известно, что в этих частицах мембраны вывернуты наизнанку. И действительно, оказалось, что частицы СМЧ втягивают ионы другого знака по сравнению с целыми, нерасчлененными митохондриями.

Таким образом, было доказано, что мембранный потенциал образуется в самых разнообразных мембранах живых клеток. Нужно лишь одно: чтобы там происходило окисление.

Как будто теперь все стало очевидным. Но сами ученые, предвосхитив скептиков, сказали: нет! Нужны еще более убедительные доказательства. Необходимо измерить электрическое поле непосредственно на самой мембране, измерить прямым путем.

Материализация духов

В истории науки существуют классические образцы опытов, простота и наглядность которых рассеивала все сомнения скептиков и маловеров, полностью проявляя физический смысл явлений. Измерительная аппаратура элементарна до удивления. Но в том и состоит элегантность эксперимента, его наглядность. Однако, чтобы провести столь убедительные опыты, биохимикам пришлось пройти тяжелый путь кропотливейшей работы, которой они заслуженно гордятся, так как сумели нашпиговать ферментами искусственные мембраны, приближающиеся по своему качеству к природным.

Одна из них занимает центральное место в экспериментальной установке, как полагают биохимики, однозначно решившей вопрос о путях преобразования энергии в клетках живых существ и растений.

Тончайшая пленка, она и есть мембрана, разделяет на два отсека стеклянный сосуд. В каждом — раствор электролита, в каждом — электрод, соединенный с клеммой вольтметра. Задача электродов — дать сигнал, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления превратилась в электрическую.

Ферменты ждут своего часа. Мембрана плоская, они расположились с двух ее сторон. Условия существования одинаковые. Миниатюрные электрические батареи, то там, то тут вкрапленные в мембрану, разобщены. И стрелка прибора мирно покоится на нуле.

Из равновесия схему выводит «пища», поступающая на одну из сторон мембраны через раствор электролита. Ферменты, расположенные там, начинают жадно поглощать предложенную им аскорбиновую кислоту — витамин С и тут же приступают к своей основной работе. Они вырабатывают электрическую энергию. Теперь-то это стало очевидным для всех, для любого наблюдателя, даже если он заядлый скептик. Стрелка прибора сейчас же фиксирует начало энергетического процесса, до той поры бывшего загадкой биохимии. Щедрая рука экспериментатора с помощью пипетки добавляет витамин С. Пища тут же поглощается ферментами, растет запас электричества, который хорошо сохраняет добротный природный конденсатор — мембрана митохондрий. И уверенно движется стрелка вольтметра, показывающая, как растет мембранный потенциал.

Тогда на сцену появляется другая пипетка. Первая несла ферментам пищу, вторая содержит смертельный для них яд — раствор пресловутого цианистого калия. Он выбран экспериментаторами не по аналогии с мелодрамой, а лишь из-за его способности мгновенно подавлять деятельность ферментов. И ферменты, до той поры исправно вырабатывавшие электричество, прекращают свою деятельность. Они уже не способны воспринимать аскорбиновую кислоту, они мертвы. И застывает стрелка вольтметра.

Тем временем с помощью одной капли аскорбиновой кислоты включаются в работу ферменты противоположной стороны мембраны, чтобы, в свою очередь, замереть под действием яда.

Однозначность этого удивительно неприхотливого эксперимента, повторенного для четырех разновидностей ферментов, буквально поразила ученых всего мира. Основные контуры теории определились полностью.

Живая клетка обладает двумя формами унифицированной энергии — химической в лице АТФ и физической, которую олицетворяет мембранный потенциал. В разных участках мембран митохондрий располагаются своеобразные топливные элементы — электрические генераторы, преобразующие энергию окисления в электрическую.

Все эти источники тока включены параллельно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из них, тотчас же становится достоянием всей клетки, которая затем использует ее как ей заблагорассудится.

Клетка может совершить химическую работу, изготовив молекулы АТФ. Клетка работает механически, затягивая внутрь мембраны различные питательные вещества. Клетка способна обогреваться, превращая полученное электричество в тепло.

Когда речь заходит о преимуществах электрической энергии, всегда вспоминают, что она легко трансформируется и преобразуется в другие виды. Очевидно, природа давно об этом догадалась.

Гипотеза Митчела получила, таким образом, полное экспериментальное подтверждение, и предполагаемое стало очевидным.