Работа электрических органов рыб

p align="left">Некоторые реснички, расположенные около рта инфузории, служат не для движения, а для того чтобы загонять пищу в рот. У туфельки рот все время открыт, и она непрерывно питается бактериями. У некоторых других хищных инфузорий рот открывается в момент захвата пищи. Пища, попавшая в рот, через глотку проходит в мембранный пузырек, который отрывается от глотки и совершает сложное путешествие внутри тела инфузории. Этот пузырек называют пищеварительной вакуолью. Таких вакуолей в один и тот же момент может быть много: одни только оторвались от глотки, другие прошли часть пути, третьи уже подходят к специальному участку поверхности, где выбрасываются наружу непереваренные остатки пищи. С нашей, человеческой точки зрения, это довольно необычная пищеварительная система: вместо того чтобы пища двигалась по кишечнику, как у всех людей, у инфузории нет никакого аналога кишечника, а сам «желудок» с пищей отправляется в путешествие по телу. Примерно каждые две минуты у туфельки образуется новая пищеварительная вакуоль.

У инфузории есть специальный орган для регуляции содержания воды в теле - выделительная вакуоль. Рассказывая про ионные насосы, мы уже говорили, что у всех пресноводных животных возникает одна и та же проблема: вода за счет осмоса должна поступать внутрь клеток таких организмов и ее излишки необходимо все время удалять. Ту же проблему приходится решать и инфузории. Хотя часть ее тела и защищена плотным покровом, видимо, непроницаемым для воды, но через постоянно открытый рот вода вместе с добычей поступает в организм туфельки. Для выведения лишней воды и служит выделительная вакуоль; такие вакуоли имеются у большинства пресноводных простейших. У туфельки вакуоль состоит из центрального резервуара, подходящих к нему изнутри тела пяти-семи мембранных трубочек и вынодящего канала, который ведет в наружную среду. Удаляемая жидкость собирается в приводящие каналы; в некоторый момент все эти каналы разом сокращаются, растягивая выделительную вакуоль. После этого вакуоль сокращается и выбрасывает жидкость наружу. Вакуоль сокращается примерно один раз в 20 секунд. За 45 минут вакуолью выделяется объем воды, равный всему объему туфельки!

Таким образом, сократительная вакуоль совершает очень большую работу; значительную часть своей энергии туфелька тратит на борьбу с осмосом.

А теперь рассмотрим некоторые электрические явления у инфузории и их связь с ее жизнедеятельностью и поведением. У туфельки существует ГШ; показано, что, как и у других клеток, этот ПП обеспечивается ионами калия. Однако при регистрации этого потенциала оказалось, что он очень неустойчив, У инфузории МП раз в 20 секунд делает очень большой выброс, да и в промежутках сильно колеблется. Оказалось, что эти колебания связаны с разнообразными проявлениями жизнедеятельности туфельки. Когда сократительная вакуоль выбрасывает году и раздувает выводящий канал, она сильно сообщается с наружной средой. Сопротивление мембраны вакуоли ш же, чем других участков тела инфузории, и потенциал на ней тоже ниже, поэтому в момент выброса воды эта вакуоль «закорачивает» остальную мембрану и ПП заметно снижается. То же самое происходит при разрыве пищеварительной вакуоли, когда она сливается с наружной мембраной, а у многих инфузорий - и при открывании рта. Кроме того, у инфузорий имеются разнообразные «органы чувств», которые тоже все время меняют их МП.

В протоплазме инфузорий гораздо больше калия и гораздо меньше натрия, чем в окружающей воде. Это значит, что туфелька имеет где-то в своем хозяйстве Ка - К-насос. Оказалось что концентрация Ка+ в жидкости, выбрасываемой из выделительной вакуоли, выше, чем в цитоплазме. Это показывает, что по крайней мере часть молекул N8 - К-насоса размещена на мембране выделительной вакуоли. Значит, выделительная вакуоль регулирует не только содержание воды в инфузории, но и содержание Ш+. Таким образом, вакуоль гораздо больше похожа на почки высших организмов, чем думали раньше.

Посмотрим теперь, как Ка+ попадает внутрь клетки. Во-первых, он заглатывается вместе с пищей и попадает в пищеварительные вакуоли. В вакуоли поступают пищеварительные ферменты и идет переваривание пищи; в некоторый момент путешествия вакуоли там создается кислая среда, как в желудке человека, а потом среда в ней становится щелочной и таким образом «путешествующий желудок» превращается в «двенадцатиперстную кишку». У человека пища подвергается разным воздействиям в разных точках пищеварительного тракта, а у инфузорий - в разные моменты времени в одном и том же мембранном пузырьке. Но, несмотря на эти различия, результат один: пища в вакуоли расщепляется до аминокислот и других мелких молекул. В мембране вакуолей имеются разнообразные транспортные молекулы, ведь молекулы углеводов и аминокислот должны быть переправлены в цитоплазму до того* как пищеварительная вакуоль окончит свое существование и сольется с наружной мембраной. Среди этих транспортных молекул много «электрических транспортеров», которые присоединяют к себе молекулы пищевых веществ и ион Ма+, а затем выбрасывают их в цитоплазму. Мы рассказывали вам о работе таких транспортеров в параграфе «Зачем невозбудимым клеткам потенциал покоя». Разница состоит лишь в том, что там мы говорили о транспорте веществ из наружной среды в клетку, а у инфузорий этот транспорт идет из пищеварительной вакуоли. Но это различие несущественно, можно считать, что в таких вакуолях находится кусочек проглоченной внешней среды. Вот таким образом вместе с молекулами сахара и аминокислот ионы + и попадают в протоплазму. А дальше к ним вполне можно применить выражение: «Натрий сделал свое дело, натрий может уходить». Только уходят они не сами, а выкачиваются натриевым насосом в выделительную вакуоль.

Существует и второй путь поступления] + в клетку инфузории. Мы уже говорили, что у инфузории есть разные «органы чувств». Расмотрим тут ее чувствительность к механическим воздействиям. При прикосновении к переднему концу инфузории в ней возникает деполяризационный рецепторный потенциал; а если «удар по носу» достаточно силен, то возникает и ПД. Эти потенциалы создаются в основном ионами Са++, которых в пресной воде больше. Однако при деполяризации или ПД в протоплазму клетки попадают и ионы Лта+.

Проникновение Са++ внутрь клетки влияет на орган движения инфузории - реснички - точно так же, как у нас вхождение Са++ в мышечные клетки необходимо для их сокращения. Кстати, и разрядка трихоцист у инфузорий связана с потоками Са++ в клетку. Большинство Са-каналов инфузорий расположено прямо на мембране ресничек. Если удар по передней части инфузории вызвал ПД, то откроется много Са-каналов, внутрь клетки войдет много Са++, а от этого реснички инфузории меняют направление своего удара. Возникает «реверс»: инфузория отплывает «хвостом вперед» от раздражителя, например от препятствия, на которое она натолкнулась. После того как Са-насос и митохондрии уберут излишки Са++ из цитоплазмы, нормальная работа ресничек восстанавливается.

Изучение плавательного поведения туфельки показало, что работа ее ресничек зависит от МП. При нормальном

ГШ ее реснички ударяют примерно 20 раз в секунду, а при гиперполяризации частота их возрастает до 50 в секунду. При сильной деполяризации, как мы уже говорили, возникает «реверс». В действительности движением ресничек управляет не сам потенциал, а концентрация ионов Са++ и других веществ. Например, при гиперполяризации туфельки, как и при деполяризации, в клетку входят ионы Са++, но они входят через особые каналы, расположенные иначе, и это вызывает не реверс движения, а ускорение ударов ресничек. Реснички покрывают фактически все тело инфузории, поэтому их каналами удобно управлять с помощью МП; ведь туфелька - одна небольшая клетка и изменение потенциала в одной ее части распространяется и на другие. Отсюда ясно, что управлять с помощью МП разнообразными процессами для туфельки невозможно: процессов, которыми надо управлять, много, а потенциал один. Туфелька выходит из положения тем» что использует ионные каналы, чувствительные не к сдвигу МП, а другим сигналам, например, каналы трихоцист чувствительны к механическим или химическим воздействиям.

Было выяснено, что в «хвосте» туфельки имеется чувствительный участок, при механическом раздражении которого открываются К-каналы и возникает гиперполяризация клетки, что увеличивает частоту работы ресничек. В результате этого нормальная туфелька начинает плыть быстрее, если ее хватают за хвост.

Мы сказали слова «нормальная туфелька» не случайно. Дело в том, что существуют инфузории-мутанты. При их изучении было показано, что мутация в одном гене может сделать дефектным белок, образующий тот или иной канал. Существует мутация, которая портит Са-канал, чувствительный к удару по передней части тела инфузории. Такая инфузория, наткнувшись на препятствие, все время «бьется головой о стену», так как ионы Са++ в нее при механическом раздражении не входят и не обеспечивают реверс. Другая мутация портит Са-канал иначе, замедляя его инактивацию. Такие мутанты становятся очень «пугливы»: столкнувшись с препятствием, они отскакивают от него и долго-долго плывут хвостом вперед, так как через их Са-каналы входит много Са++ и нормальная работа ресничек долго не восстанавливается.

Интересно, что передний и задний концы туфельки по-разному реагируют не только на механические, но и на температурные воздействия. В 1987 г. японские исследователи показали, что на переднем конце туфельки имеется участок, чувствительный к холоду, а на заднем - к теплу; у позвоночных животных для той же цели служат специальные клетки - тепловые и холодовые рецепторы. При действии на туфельку холода на ее переднем конце открываются Са-каналы, а при действии тепла на заднем закрываются К-каналы. Результат один и тот же: МП снижается. Однако поведенческий эффект температурного воздействия состоит в основном не в изменении скорости плавания, а в том, что туфелька начинает заметно чаще, чем при привычной для нее температуре, менять направление своего движения, Если при таких метаниях она выскочит вновь в область привычных температур, то поплывет по прямой, удаляясь от горячего или холодного места. Как управляется частота поворотов, пока неизвестно. Замечательная особенность ионных каналов, чувствительных к температуре, состоит в том, что они обладают памятью. Если инфузория жила при 20 С, то 15 С для нее холодно, и реагируют холодовые рецепторы; но если инфузория достаточно долго жила при 10 С, то 15 С для нее тепло, и реагируют тепловые рецепторы. Как перестраивается работа чувствительных к температуре каналов во время привыкания, пока не выяснено.

У такая мозаика особенно богата, так как она должна обеспечить этой клетке разнообразное поведение. Так что инфузория - интереснейший пример «мозаики каналов». С другой стороны, изучение инфузорий дает нам еще один урок. Совместная работа ионных каналов туфельки весьма затрудняет их изучение. Мы так много поняли о туфельке потому, что до этого были изучены клетки других разнообразных животных. Очень полезно сравнивать разные объекты. Оказалось, что каналы и органеллы туфельки работают в общем на тех же принципах, что и каналы и органы других организмов. Очень интересно было бы выяснить, какие черты этого сходства объясняются наследством, полученным от общего предка, а какие являются результатом естественного отбора, который привел по разным путям к сходным результатам,

Об электростанциях клеток и - немного о бактериях - первых электриках Земли

Без этого небольшого параграфа наша книга была бы неполна, ведь в ней отсутствовало бы важнейшее для всего живого использование электричества - использование его для обеспечения каждой клетки энергией.

Откуда организмы получают энергию? Животные - из пищи, которую они съедают. Биохимиками было выяснено, что пища у животных, дышащих кислородом воздуха, медленно окисляется, а за счет этой энергии в организме синтезируется особое вещество - АТФ. Это вещество играет роль универсальной валюты и расходуется животными для синтеза новых веществ, для работы мышц или ионных насосов и т.д. Было выяснено также, что процесс сгорания пищи и синтеза АТФ осуществляется особыми клеточными органеллами - митохондриями, описанными еще в 1850 г. Келликером в мышцах насекомых. Митохондрии имеются не только у животных, но и у растений и грибов, нет их только у бактерий.

Если сделать еще один шаг в своем любопытстве и задать вопрос: «А откуда же берется пища?», то на него ответ тоже известен. В конечном счете пища производится фотосинтезирующими организмами, получающими свою энергию от Солнца. В растениях имеются, кроме митохондрий, особые органеллы - хлоропласта, содержащие хлорофилл. Эти органеллы умеют, как и митохондрии, синтезировать АТФ, а кроме того, умеют синтезировать из воды и углекислого газа углеводы.

Все реакции окисления пищи, синтеза АТФ, синтеза углеводов достаточно сложны, происходят при участии многочисленных ферментов и более полувека широко изучаются в разнообразных биохимических лабораториях. Какое же отношение они имеют к теме этой книги? Еще лет 30 назад на этот вопрос был бы дан уверенный ответ - никакого! Но в 1961 г. английский ученый Ж. Митчел выдвинул гипотезу, что энергия пищи сначала преобразуется в электрическую энергию, а уж та затрачивается на производство АТФ. Эта гипотеза была в конце концов доказана, и мы считаем необходимым кратко рассказать об энергетическом обеспечении организмов. А кратким наш рассказ будет прежде всего потому, что на эту тему недавно была написана обстоятельная, понятная и яркая книга «Рассказы о биоэнергетике», автор которой В.П. Скулачев - один из создателей биоэнергетики.

В чем же более конкретно состояла гипотеза П. Митчела? Митчел предположил, что окисление пищи приводит к возникновению разности потенциалов на мембране митохондрий за счет выхода протонов из митохондрий, затем эта электрическая энергия тратится на синтез АТФ. Митчел назвал свою гипотезу хемиосмотической, подчеркивая, что химическая энергия пищи преобразуется в создание градиента Н+, т.е. тратится на создание осмотической работы.

В гипотезе Митчела была одна особенность, которая выделяла ее из области классической биохимии и указывала пути к ее проверке. Для классического чисто биохимического подхода, объясняющего синтез АТФ цепью реакций, наличие мембраны не играло никакой роли. Но для гипотезы Митчела наличие мембраны митохондрий с достаточно высоким сопротивлением, чтобы Н+ не мог сразу вернуться на место, является совершенно принципиальным *).

В 60-х годах Митчел, получив наследство, организовал небольшую лабораторию в своем доме в Корнуолле, расположенном вблизи тех болот, по которым бегала баскервильская собака. Там с двумя сотрудниками и очень простым оборудованием он и вел разработку своей гипотезы. В 1978 г. Митчел получил Нобелевскую премию, показав тем самым, что распространенное ныне мнение, что в наш век только большой коллектив с современным оборудованием может добиться серьезных научных результатов, не всегда справедливо.

Итак, согласно гипотезе Митчела энергия пищи тратится на работу специального протонного насоса, заряжающего мембрану митохондрий. Как же можно было проверить эту гипотезу? Во-первых, можно было попробовать измерить МП митохондрий; если бы его не оказалось, то это опровергло бы гипотезу. Во-вторых, можно было сделать дырку в мембране митохондрий, устроить короткое замыкание; в этом случае гипотеза Митчела предсказывала прекращение синтеза АТФ. Пища могла окисляться, но МП не возникал бы, а значит и АТФ не должен синтезироваться. К сожалению, митохондрии очень малы, всего 1 мкм в длину, так что в них не воткнешь микроэлектрод или шприц. Тут требовались более тонкие инструменты.

В качестве таких инструментов были использованы молекулы.

Еще до гипотезы Митчела были открыты вещества, которые назвали «разобщители». Эти вещества имели совершенно разную химическую природу, но все, действуя на митохондрии, прекращали синтез АТФ, хотя окисление пищи продолжалось. Было непонятно, в чем механизм действия этих веществ и, вообще, как столь разные вещества могут действовать на ферменты, обычно весьма избирательные в своих реакциях. Митчел же заметил, что разобщители - это вещества, растворимые в жирах и способные связывать Н+. С точки зрения его гипотезы их действие объяснялось очень просто: они захватывают Н+ с наружной стороны мембраны и переносят его через мембрану, разряжая ее. Иными словами, результат их действия тот же, что и при коротком замыкании.

Интересно, что такое «короткое замыкание» может играть важную функциональную роль, как было показано работами В.П. Скулачева и других ученых. Конечно, при коротком замыкании электроэнергию нельзя использовать для производства работы, но при этом выделяется много тепла. А теплокровным животным приходится решать и такую задачу - согреться. Так вот, оказалось, что организм способен после адаптации к холоду самостоятельно «закорачивать» митохондрии своих клеток, сжигая пищу для выработки тепла.

Что же касается МП митохондрий, то Митчел попытался измерить его по проникновению К+ в митохондрии под действием электрического поля. Однако этот метод был доступен критике, так как ионы калия могут проникать в митохондрии и за счет работы калий-натриевого насоса. В.П. Скулачев, Е.А. Либерман и их сотрудники использовали для той же цели молекулы разных, искусственно синтезированных веществ, которые они назвали «проникающие ионы». Это были действительно положительно или отрицательно заряженные молекулы, притом такие, которые были растворимы не в воде, а жирах. Было показано, что в присутствии кислорода, когда пища могла сжигаться и должен был существовать потенциал в митохондриях, положительно заряженные ионы начали проникать внутрь митохондрий. Этому коллективу удалось вывернуть митохондрии наизнанку. Теперь Н+ должен был оказаться внутри таких митохондрий. И, действительно, теперь внутрь начали проникать отрицательные ионы. Проникающие ионы были весьма разнообразны по химическому строению, так что теперь уже нельзя было сказать, что их переносят внутрь специальные насосы. Возникновение МП у митохондрий при сжигании пищи было доказано.

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

Страницы: 1, 2, 3