Трансформація енергії в рослинній клітині

Частина ІІІ. Електричні явища в клітинній енергетиці

Механізм створення АТФ  залишався загадкою довгі роки, поки не виявилося, що даний процес по суті своїй є електричним. В обох випадках: і для дихального ланцюга (набору білків, які здійснюють окислення  субстратів киснем) і для аналогічного фотосинтетичного каскаду, - генерується  струм протонів через мембрану, в  яку занурені білки. Струми забезпечують енергією синтез АТФ, а також служать  джерелом енергії для деяких видів  роботи. У сучасній біоенергетиці  прийнято вважати АТФ і протонний  струм (точніше, протонний потенціал) альтернативними і взаємно конвертованими енергетичними величинами.

До середини XX в. біохіміки  точно знали, що в бактеріях і  мітохондріях електрони переходять від відновлюваних субстратів до кисню через каскад електронних  переносників, званих дихальної ланцюжком. Загадка була в тому, яким способом сполучені перенос електрона  і синтез АТФ. Протягом 10 з гаком  років надія відкрити секрет спалахувала  і знову згасала. Вирішальну роль зіграло не подолання технічних  труднощів, а концептуальна розробка. Сполучення виявилося в принципі не хімічним, а електричним. У 1961 р. англійський  учений П. Мітчелл опублікував у  журналі «Nature» радикальну ідею для  дозволу біохімічної загадки століття: хеміосматичну гіпотезу. Ідея Мітчелла була воістину революційної зміною парадигм, трансформацією концептуальної основи.

У 1966 р. Мітчелл пише свою першу книгу «Хеміосмотіческое  спряження в окислювальному і фотосинтетичному фосфорилюванні». У тому ж році російські вчені, біофізик Є. Ліберман і біохімік В. Скулачов, придумали, як експериментально підтвердити правоту Мітчелла. За допомогою синтетичних іонів, що проникають через біологічну мембрану, вони показали, що дихання і фосфорилювання, дійсно, пов'язані через протонний потенціал. Ще один серйозний крок на підтримку Мітчелла зробили біофізики біофаку МДУ А. Буличов, В. Андріанов, Г. Курелла і Ф. Литвин. Використовуючи мікроелектроди, вони зареєстрували освіту трансмембранного різниці електричних потенціалів при освітленні великих хлоропластів.

Ще кілька років суперечок і перевірок в різних лабораторіях по всьому світу - і ідеї Мітчелла, нарешті, були визнані. Він був прийнятий в Королівське товариство Великобританії (і відповідно, став сером), отримав безліч престижних міжнародних нагород, а в 1978 р. був удостоєний Нобелівської премії, яка, всупереч традиціям, цього разу була вручена не за відкриття нового явища, а за здогад про його існування.

 (А) Загальний принцип.

(Б) Еквівалентний електричний ланцюг

 

 

Рис. 5.Хеміосмотичне спряження енергії

Ланцюг переносу електрона виявилася не просто пов'язаним з мембраною, але вплетений в неї таким чином, що при русі електрона від субстрату до кисню протони переміщаються з внутрішньої поверхні назовні. Мембрана утворює замкнутий пухирець, який погано пропускає протони, тому в результаті «викачування» протонів генерується різниця потенціалів через мембрану: електрична опір всередині. Одночасно збільшується рН: середовище в середині бульбашки стає лужним. Протони зовні виявляються під більш високим електрохімічним потенціалом, ніж усередині, як би під «тиском» з боку і електричного потенціалу і градієнта рН, які штовхають протони назад через мембрану всередину бульбашки. Жива клітина використовує енергію таких протонів для здійснення різних видів роботи.

Вражаючі успіхи рентгеноструктурного аналізу білків дозволили побачити повні просторові структури окремих  білкових комплексів, що входять до складу дихального ланцюга. Білки ланцюга  перенесення електронів, локалізовані в мембранах мітохондрій, здатні змінювати свій спектр поглинання, отримуючи і віддаючи електрони. Мікроспектральні методи дозволяють простежити послідовність передачі електронів по ланцюжку білків і з'ясувати, в яких саме місцях частина вільної енергії електронів використовується для синтезу АТФ.

Згідно ідеї Мітчелла, для  синтезу АТФ з АДФ і фосфату  в мембранах мітохондрій використовується електрична енергія. Отже, якщо зняти  різницю потенціалів через мембрану, можна припустити, що синтез припиниться. Саме такий ефект був продемонстрований  в ході експериментів на штучних  мембранах з використанням спеціально синтезованих іонів, різко підвищують провідність мембран для протонів.

Одні з перших експериментальних  доказів вірності гіпотези Мітчелла були отримані в нашій країні під  керівництвом Е.А. Лібермана і В.П. Скулачова. В якості індикаторів  змін електричного поля на мембрані були використані синтетичні іони, відмінні за своєю природою і знаку заряду, але подібні в одному: всі вони легко проникали через фосфоліпідний  плівку.

Після багатьох спроб склалася наступна витончена експериментальна модель.

Краплю фосфоліпідів, розчинених в органічному розчиннику, підносять  до невеликого отвору в тефлоновій пластинці, і воно миттєво закривається плоскою бімолекулярного плівкою - штучної мембраною. Тефлонову пластинку  з штучної мембраною занурюють  у посудину з електролітом, розділяючи його на два відсіки зі своїм вимірювальним  електродом в кожному. Залишається  вбудувати в штучну мембрану білок, здатний генерувати електрику, а  в електроліт додати проникаючі іони. Тоді робота білкового генератора, що змінює різницю потенціалів на мембрані, призведе до переміщення  проникаючих іонів через фосфоліпідний  плівку, що і буде зареєстровано  у вигляді зміни різниці потенціалів  між відсіками.

Ще більш переконлива  експериментальна модель, що дозволяє проводити прямі вимірювання  електричного струму, що генерується  клітинними органелами та окремими білками, була розроблена і успішно використана А.А. Кауленом і В.П. Скулачовим. Частинки, що генерують електричний струм (мітохондрії, хроматофори бактерій або ліпідні бульбашки з вбудованими в них індивідуальними білками), змушували злипатися з плоскою штучної мембраною. Після цього протонний струм, створений молекулами-генераторами у відповідь на спалах світла або додавання відповідних хімічних субстратів, виявлявся безпосередньо вимірювальними електродами по обидві сторони штучної мембрани.

У 1973 р. У. Стокеніус і Д. Остерхельт із США відкрили незвичайний  світлочутливий білок в мембранах  фіолетових бактерій, що мешкають в  солоних озерах Каліфорнійських  пустель. Цей білок, подібно зорового пігменту очі тварин - родопсину, - містив похідне вітаміну А - ретиналь, за що і був названий бактеріородопсин. Американські вчені Рекер і Стокеніус витончено продемонстрували участь бактериородопсина в енергетичному сполученні. Об'єднавши в модельній фосфоліпіднії мембрані щойно відкритий світлочутливий білок фіолетових бактерій з АТФ-синтазою, вони отримали молекулярний ансамбль, здатний синтезувати АТФ при включенні світла.

В кінці 1973 р. академік Ю.О. Овчинников організував проект «Родопсин» для  порівняльного дослідження тваринного і бактеріального світлочутливих пігментів. В рамках проекту в лабораторії  В.П. Скулачова в МГУ в модельних  експериментах на штучних мембранах  було доведено, що бактеріородопсин - білковий генератор електричного струму. Вбудований в штучну фосфоліпідного плівку бактеріородопсин направлено транспортував протони  у відповідь на спалах світла. Величина фотопотенціала на мембрані перевищувала 0,3 В, що свідомо достатньо для  енергетичного забезпечення синтезу  АТФ.

Бактеріородопсин виявився на рідкість стабільним електричним  генератором: він продовжував працювати  при нагріванні до 100о С і навіть в 0,1 N кислоті. У ході досліджень з  бактеріородопсин електрична частина  хеміосмотіческой гіпотези отримала своє остаточне підтвердження.

Після безлічі прискіпливих перевірок теорія П. Мітчелла була визнана  абсолютно коректною, і її рамки  були розширені далеко за межі сполучення в ланцюгах переносу електрона з  синтезом АТФ. Вченому з самого початку  було ясно, що циркуляція протонів може підтримувати безліч видів роботи при  посередництві мембранних білків.

 

 

 

 

 

 

Рис.6. Циркуляція протонів

Уявімо собі, наприклад, білок, що транспортує субстрат S. Якщо у  білка є два функціональних місця, одне для S, інше для протона, так  що потік S пов'язаний з потоком протона, до рушійна сила для протона виявляється  прикладеною і до S. Тоді транспорт  протона буде не тільки полегшувати  перенесення S через мембрану, але  і діяти як насос, що акумулює субстрат усередині бульбашки.

У живої клітини є не тільки молекулярні генератори і  насоси, але й молекулярні «мотори». Еволюція створила кілька класів білків, здатних перетворювати хімічну енергію в механічне роботу. Одні з них використовують у якості палива гідроліз нуклеотидів, інші - безпосередньо іонні градієнти. Є крокові білкові мотори, а є роторні.

Останнім часом проблемою  перетворення хімічної енергії в  механічну роботу активно зайнялися  спеціалісти з обчислювальної біології. Вони розробили математичні моделі, які описують на формальній мові різні типи молекулярних моторів. Принциповою трудністю, яку їм довелося подолати, виявилася в неможливості використовувати підходи, розроблені раніше для макроскопічних моторів, оскільки на роботу молекулярних моторів сильний вплив дають термічні флуктуації. З цієї причини теоретики охрестили білкові мотори «броунівський машинами». Тим не менш, в 90-х р.р. XX сторіччя були розроблені алгоритми, які дозволили створити ряд імітаційних моделей, зокрема, мотора бактеріального джгутика, механічного зусилля полімеризованого волокна, що обертається мотора АТФ-синтази.

Головний висновок, до якого  прийшли дослідники: робота молекулярних моторів навряд чи заснована на нових  фізичних або хімічних принципах, проте, схоже, що для кожного типу білкових моторів доведеться створювати своє теоретичне опис.

У електричної енергетики живої клітини є ще одна дуже важлива  властивість. При хеміосматичному сполученні енергії і роботи не потрібно прямого контакту між специфічним білком, що створює різницю потенціалів через мембрану, і білком, яка вчиняє якийсь вид роботи: потік іонів або метаболітів забезпечить сполучення двох векторних реакцій на відстані за умови, що вони відповідним чином орієнтовані в однієї і тій же мембрані. Дана властивість успішно використовується живими клітинами в мітохондріальних мережах, що працюють як електричні кабелі. Вченими під керівництвом В.П. Скулачова мітохондріальні мережі були виявлені в різних типів клітин і досліджені за допомогою сучасних методів електронної мікроскопії, прижиттєвих флуоресцентних зондів, лазерної мікрохірургії.

Більше того, виявилося, що принцип Мітчелла використовується групами живих клітин для сполучення виробництва енергії однією клітиною з вчиненням роботи в сусідній. Необхідна умова такої кооперації - наявність між клітинами каналів, що пропускають значні потоки іонів  і метаболітів без витоків  у зовнішнє середовище (див. ст. «Таємниці  нейроспори», «У світі науки», № 9, 2004 р.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

Вчені запропонували цікаву систему поглядів на походження та еволюцію біологічних механізмів збереження енергії. На їхню думку, все почалося з АТФ. У ті далекі часи, коли життя на Землі тільки зароджувалася, основним джерелом енергії для первинних біохімічних реакцій було ультрафіолетове світло. Саме тоді, ще до утворення живих клітин, під дією ультрафіолету, разом з іншими первинними нуклеотидами, з'явився аденін, потім аденозінмоно-і аденозиндифосфату. Потім під впливом все того ж ультрафіолету з аденозиндифосфату і етілмонофосфата) виник АТФ і ряд коферментів, здатних приймати енергію від порушеної ультрафіолетом аденіну і використовувати її для проведення енергоємних хімічних реакцій (наприклад, відновлення простих речовин середовища до складних з'єднань первинної клітини).

Поява в процесі еволюції високомолекулярних ферментів, з їх величезною вибірковістю щодо субстратів, і фосфоліпідів - унікальних речовин, здатних утворювати найтоншу, непроникну для білків і вуглеводів плівку і згортатися в відособлені маленькі бульбашки з цієї плівки, увінчалося тим, що первинні клітини освоїли механізм активного відкачування протонів в зовнішнє середовище за рахунок енергії АТФ за допомогою спеціального білка, вбудованого в клітинну мембрану. Можна вважати, що з утворенням Н +-АТФази завершилося формування первинної клітини, що використала ультрафіолетове світло як джерело енергії для життєдіяльності.

Наступним принциповим кроком в еволюції була заміна ультрафіолетового  світла на видимий - менш небезпечний  і вільно проходить крізь поступово  формується в атмосфері озоновий шар. Однак новий фотосинтез і  раніше використовував АТФ: ця еволюційна знахідка міцно зайняла місце  «конвертованою енергетичної валюти»  у клітинному метаболізмі.

Найважливіше «відкриття»  зробили ціанобактерії: близько  3 млрд. років тому вони отримали здатність використовувати як донора електронів не сірководень, а воду.

Побічним продуктом фотосинтезу  у ціанобактерій і рослин є  молекулярний кисень. Наростання його концентрації в атмосфері призвело до появи у живих клітин особливих  ферментів, що прибирають цей сильний  окислювач, небезпечний для життєдіяльності. В ході еволюції аеробні мікроорганізми навчилися отримувати користь з  даного процесу: вони створили дихальний  ланцюг електронного транспорту, сполученого  з відкачуванням протонів, причому  принцип пристрою і роботи дихального ланцюга в основних рисах повторив фотосинтетичну ланцюг.

При появі складно організованих  еукаріотичних клітин, з яких складаються  тіла рослин і тварин, «енергетичними підстанціями» рослинних клітин стали ціанобактерії (вони перетворилися  в хлоропласти). Тварини клітини, в свою чергу, «захопили» в полон  аеробних бактерій, перетворивши їх в  мітохондрії - «енергетичні підстанції»  іншого типу.

Така склалася в ході досліджень різних організмів багатопланова картина  функціонування та еволюції систем перетворення енергії живими клітинами. В даний  час будова більшості білків, що здійснюють трансформацію енергії, і їх взаємне розташування в біологічних  мембранах детально вивчено. Отримано основні уявлення про шляхи руху електронів по молекулярним комплексам. Тепер необхідно зрозуміти, як на рівні складного багатоклітинного організму (наприклад, людини) контролюється  точність роботи молекулярних трансформаторів  енергії і як відбувається управління інтенсивністю роботи систем енергозабезпечення. Успішний розвиток уявлень в галузі енергетики живих систем украй важливо  для розуміння людиною свого  місця у Всесвіті.