Рассказы о биоэнергетике

Академия, осаждаемая изобретателями вечных двигателей, не решилась опубликовать заметку Донне. Создали комиссию для проверки поразительного эффекта. Наблюдение полностью подтвердилось. Доклад комиссии опубликовали в «Академических трудах» в 1838 году, после чего то ли Донне проявил настойчивость, то ли сами академики спохватились, но так или иначе заметка этого автора наконец увидела свет в одном из следующих выпусков тех же «Трудов».

Вращение хлоропластов

В те далекие времена биология что ни год приносила поистине великие открытия. Поэтому неудивительно, что эффект Донне, абсолютно непонятный по своей природе, прочно забыли, с тем чтобы вновь открыть по крайней мере дважды в течение следующих 140 лет.

Новые исследователи загадочного эффекта выяснили, что частицы, вращающиеся в каплях протоплазмы харовой водоросли, не что иное, как хлоропласты, содержащие хлорофилл органеллы высших растений (о хлоропластах шла речь выше, в главе, посвященной преобразованию энергии света в растительных клетках).

Но почему, за счет каких сил вращаются хлоропласты? Немногочисленные специалисты-цитологи, занимавшиеся этой экзотической проблемой лет двадцать-тридцать назад, считали, что вращение хлоропластов имеет ту же природу, что и так называемый циклоз — круговое движение протоплазмы в клетках харовых водорослей. Энергия для циклоза доставляется АТФ, который расщепляется особыми ворсинками, обращенными внутрь гигантской клетки харовой водоросли. Биение этих ворсинок движет протоплазму и, как думали цитологи, вращает хлоропласты.

Меня давно занимала проблема происхождения хлоропластов и митохондрий. Существует гипотеза, что и те и другие органеллы произошли из бактерий, когда-то захваченных более крупной клеткой гриба или протиста, например, какой-нибудь амебы. Действительно, у хлоропласта много общих черт с цианобактерией, а у митохондрии с некоторыми видами дышащих бактерий.

Так, может быть, механизм вращения хлоропластов устроен как у бактерий: по типу протонного мотора?

Е. Моценок, приехав к нам на стажировку из лаборатории Д. Стома, что в Иркутске, захватила с собой байкальские водоросли рода нителла. Как выяснилось, такой объект вполне пригоден для изучения эффекта Донне. Когда я впервые увидел своими глазами это явление, меня прежде всего поразило сходство вращающегося хлоропласта и «пойманной за хвост» бактерии, о которой шла речь в предыдущей главе. Но, может быть, мы столкнулись здесь со случайным, внешним подобием?

Моценок провела подробнейший анализ вращения хлоропластов с точки зрения энергетики этого процесса. Она наблюдала за хлоропластами в специальный микроскоп, используя инфракрасный свет для освещения объекта. Такой свет не поглощается хлорофиллом и не может быть использован энергетической системой хлоропластов.

В раствор был добавлен яд, отравляющий протонную АТФ-синтетазу, чтобы блокировать взаимопревращение энергии между протонным потенциалом и АТФ. В таких условиях вращения не обнаруживалось. Включение белой подсветки «заводило» вращение. Движение хлоропласта исчезало вновь спустя примерно минуту после выключения подсветки.

Вращение прекращалось при введении веществ, тормозящих генерацию протонного потенциала на мембране хлоропласта или снижающих уже образованный потенциал. Так действовали диурон, прерывающий перенос электронов при фотосинтезе, протонофоры, а также ионы аммония, уменьшающие трансмембранную разность концентраций водородных ионов — главную составляющую протонного потенциала хлоропластов.

Зато арсенат, вызывающий истощение запаса АТФ, не влиял на вращение хлоропластов. Оно не тормозилось также цитохалазином, ингибитором всех известных внутриклеточных движений, поддерживаемых энергией АТФ.

Все эти факты свидетельствуют, что хлоропласты используют для своего вращения протонный потенциал. Значит, в них есть протонные моторы?

Где находятся эти моторы, как они устроены, есть ли жгутики у хлоропластов, — все эти вопросы еще ждут своего решения. Что касается биологической функции двигательного аппарата хлоропластов, то она, по-видимому, может состоять в следующем. В гигантских клетках нителлы или харовой водоросли есть очень большое количество хлоропластов, которые плотно упакованы в многослойные образования, занимающие большую часть клетки между оболочкой и свободной частью цитоплазмы. Свободная цитоплазма находится в движении, которое поддерживается биением мельчайших ворсинок, обращенных в просвет цитоплазмы. Это движение способствует перемешиванию внутриклеточного содержимого. Когда сахара, образующиеся при фотосинтезе в хлоропластах, достигают свободной цитоплазмы, они увлекаются ее током и тем самым становятся достоянием всей клетки.

Но как сахарам добраться до свободной цитоплазмы? Вряд ли здесь можно рассчитывать на конвекцию: слишком уж узки щели между хлоропластами.

Хлоропласты в клетке неподвижны: они зажаты своими ближайшими соседями. Поэтому протонные моторы хлоропластов должны на первый взгляд работать вхолостую: вращать жгутики или фибриллы без всякого перемещения хлоропласта в пространстве. Но, может быть, именно это и есть их функциональный режим: например, жгутик, вращаясь, перемешивает жидкость в щелях между хлоропластами и ускоряет таким способом перемещение Сахаров из хлоропластов в свободный слой цитоплазмы. Не будь такого механизма, именно этот этап — от хлоропласта до свободной цитоплазмы — лимитировал бы весь процесс транспорта Сахаров в клетках водорослей.

В рамках такой гипотезы вращение хлоропластов в выдавленных каплях протоплазмы есть просто артефакт, связанный с освобождением отдельных хлоропластов из плена, в котором они находились внутри клетки.

Так или иначе, выяснение того обстоятельства, что хлоропласты располагают какими-то протонными моторами, свидетельствует о достаточно широком распространении в природе такого рода устройств, первоначально обнаруженных у флагеллярных бактерий.

Глава 3. Двойная бухгалтерия живой клетки

В 1941 году Ф. Липман выдвинул концепцию, ставшую одним из краеугольных камней в здании биоэнергетики. Он предположил, что существует некий унифицированный посредник между процессами-поставщиками и процессами — потребителями энергии. Этим посредником, как утверждал Липман, служит АТФ. Формулируя свою гипотезу, ученый основывался на том факте, что как дыхание, так и брожение могут образовывать АТФ, а синтез углеводов и некоторые другие синтетические процессы, уже изученные к тому времени, сопровождаются расщеплением АТФ.

Последующие годы подтвердили правильность догадки Липмана. Описали образование АТФ за счет энергии света в клетках фотосинтезирующих организмов. Резко расширился список реакций использования АТФ. В него на сегодня вошли не только важнейшие биосинтезы, но также и ряд процессов совершения механической, осмотической и электрической работы, а также продукции тепла.

Двойная бухгалтерия живой клетки

Схему Липмана не смогло поколебать открытие процессов, использующих энергию других, неадениловых нуклеозидтрифосфатов — гуанозинтрифосфата (ГТФ): уридинтрифосфата (УТФ); цитидинтрифосфата (ЦТФ). Все это аналоги, «близкие родственники» аденозинтрифосфата, которые получаются непосредственно из АТФ.

«Монополия» АТФ устояла и тогда, когда были обнаружены процессы, обеспечиваемые энергией фосфопирувата, фосфоацетата и неорганического пирофосфата. Все эти реакции, вместе взятые, составляют лишь очень небольшую долю от общего потребления энергии живой клеткой.

Свою хемиосмотическую гипотезу Митчел выдвинул через двадцать лет после публикации схемы Липмана. Введя понятие протонного потенциала, Митчел утверждал, что роль этого компонента в энергетике клетки сводится к функции мимолетного промежуточного продукта, образуемого дыханием и потребляемого АТФ-синтетазой.