Что известно как электростанция клетки
«Человеческая электростанция»: как работают молекулярные станки в клетках
МОСКВА, 18 окт — РИА Новости, Анна Урманцева. Каждая наша клетка представляет собой цех, наполненный станками. Станки вмонтированы в мембраны митохондрий — микроскопических энергетических центров. Они служат для производства АТФ (аденозинтрифосфат) — это «человеческий бензин», на котором работает весь наш организм. Сотни триллионов митохондрий ежесекундно «гудят» от «рева» проворачивающихся робототехнических устройств на протонной тяге. В маленькую дырочку попадает фосфат, который проваливается в контейнер, за счет электрического тока протонов приобретает там новые химические свойства, а потом вываливается в шланг, по которому поступает внутрь митохондрии для присоединения к другим фосфатам для образования молекулы АТФ.
Неужели эта промышленная картина может быть частью нашего организма? И откуда в наших клетках эти «станки»? И как там оказываются протоны? И неужели устройства, напоминающие круговые двери в супермаркетах, могут в количестве миллионов штук «населять» нас изнутри?
Потом глюкоза попадает в клетку. Там она распадается пополам на две составляющие — и в таком виде (это называется пируват) попадает в митохондрию.
Митохондрии — это обязательная часть клеток большинства живых организмов — животных, растений, грибов. По одной из версий, митохондрии когда-то были самостоятельными организмами и жили отдельно от нас, поэтому до сих пор сохранили свой геном (митохондриальный). То есть в каждой клеточке любого человека сидит существо со своим геномом! Но в какой-то момент, еще в древности, они слились с нашими клетками, обеспечивая им переработку пищи в энергию. Это плодотворное сотрудничество, выгодное обоим организмам, называется симбиозом и продолжается до сих пор.
Итак, попадая в митохондрию, пируваты — части глюкозы (в цикле Кребса) последовательно окисляются.
Неподалеку в митохондрии плавает никотинамидадениндинуклеотид (NAD), у которого энергия окисления при переходе на эту молекулу вызывает отщепление протона.
Вот! Наконец-то в сложной схеме превращений возник тот самый протон, который необходим для синтеза молекулы АТФ. На нашей главной иллюстрации эти протоны носятся в быстром темпе над мембраной митохондрии, прежде чем попасть в «станок». На самом деле, до последнего времени не было понятно, как именно они туда попадают. Ведь эти протоны могут уплывать куда им вздумается! Однако почему-то они держатся около мембраны, «кучкуясь» прямо у входа в круговые ворота «станка». Российские ученые НИТУ «МИСиС» в кооперации с австрийскими коллегами из Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Линц), проведя филигранные эксперименты, теперь знают, почему же так получается.
Поясняет сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Сергей Акимов: «Протоны, двигаясь внутри митохондрии, пребывают в воде. Известно, что молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H1) и одного атома кислорода (O16). Помимо химической связи внутри одной молекулы воды, эти атомы могут образовывать слабые связи с соседними молекулами воды, называемые водородными связями. Вблизи поверхности мембраны эти связи в молекуле воды образуются особым образом, поскольку с одной стороны находится вода, с другой — «стенка». Водородные связи вблизи мембраны другие, у них другое число, другая структура. Именно их протон и использует в качестве «рельсов» для продвижения вперед вдоль мембраны. Наше исследование показало, что ему «нравится» эта структура, он не уплывает вглубь митохондрии, а аномально быстро носится вдоль мембраны».
Так происходит «захват» протонов для образования самой главной энергетической молекулы нашего тела — АТФ. Они используются для любого нашего движения, поддержания температуры тела и так далее. АТФ представляет собой универсальный «аккумулятор», поставляющий энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. Таким образом обеспечивается синтез белков, углеводов, жиров, движение жгутиков и ресничек, транспорт веществ, избавление клетки от отходов. При расщеплении АТФ — разрядке «аккумулятора» — выделяется нужная нам энергия.
Полученные результаты фундаментального исследования приближают ученых к пониманию глобальных механизмов генерации энергии в клетках, а также открывают перспективы перед фармакологией. Результаты работы могут быть использованы для разработки препаратов, нейтрализующих действие разобщительных ядов, а также для профилактики заболеваний, связанных с гиперфункцией щитовидной железы. При этих патологиях в митохондриях накапливаются так называемые вещества-разобщители — слабые жирорастворимые кислоты, которые эффективно связывают протоны, что приводит к общему снижению синтеза АТФ. Новые знания, полученные российскими учеными, позволяют понимать, что нужно сделать для того, чтобы восстановить энергию человека на уровне каждой клетки.
Космос внутри нас: Электростанция живой клетки
История науки располагает классическими образцами опытов, простота и наглядность которых разбивала все отрицания скептиков, в полной мере демонстрируя физическую суть явлений. Но, чтобы провести достаточно убедительные опыты по демонстрации выработки клеткой электрической энергии, биохимикам суждено было пройти тернистый путь.
Технология превращения энергии света в электричество никого сегодня не удивляет. Нет ничего сверхъестественного в устройстве фотоэлемента. Но существует естественный фотоэлемент, созданный матушкой-природой. В нем преобразуют энергию части бактерий под названием родопсин. Данное явление с чистой совестью можно назвать электростанцией живой природы.
Живая электростанция
Вот вам пример того, что природа намного раньше людей пришла к пониманию широкого спектра возможностей, которые скрывает в себе использование электрической энергии, и применила их для превращения энергии на уровне клеток живых существ и растений.
Детектив в биохимических тонах
До настоящего времени ученые не выяснили до конца механизм такой линий связи как энергоснабжение клетки. Давно понятно, что клетка поглощает транспортируемые из внешней среды питательные вещества — субстраты — и окисляет их. В ходе этого процесса и выделяется определенное количество энергии. На следующем этапе происходит еще целый ряд мало изученных преобразования, в итоге которых возникают молекулы АТФ—аденозинфосфата. АТФ можно смело назвать универсальной клеточной валютой, унифицированной энергией, которую клетка накапливает, делая «запас» и позже расходует при необходимости.
Все энергетические процессы идут во внутренних мембранах митохондрий (это такие особые образования в клетке). Биохимикам давно известен данный факт. Но каким образом осуществляется трансформация энергии, какие идут сопутствующие процессы, какие неведомые пути и средства использует природа — ученые пока не знают.
Изначально имела место версия, что транспортером энергии выступает особое вещество сродни теплороду физики XVIII века. Биохимики создали ряд моделей этого предположительного процесса, стройных и логичных схем, но, к сожалению, не подтвержденных экспериментально. В итоге биоэнергетика зашла в такой себе тупик, который, по словам великого физика Нильса Бора, представляет плодородную почву для сумасшедших идей.
И одна из таких идей как раз возникла. Английский биохимик П. Митчел выдвинул гипотезу, что в процессе окисления «клеточной еды» мембрана митохондрий заряжается электричеством, а ферменты-окислители при этом выступают в роли своеобразных топливных элементов. Далее выработанное и накопленное клеткой электричество тратится на синтез молекул АТФ. Гипотеза основывалась лишь на диэлектрических свойствах мембраны, которая обладает большим электрическим сопротивлением и емкостью, представляя, таким образом, классический электрический конденсатор. Если отталкиваться от мысли о целесообразности природных конструкций, это можно принять в качестве доказательства.
Однако, научный мир на представленные аргументы никак не прореагировал, считая диэлектрические возможности мембран митохондрий банальным совпадением. В итоге идея Митчела при всей своей логической стройности, что называется, повисла в воздухе и, возможно, ее постигла бы участь множества других непризнанных научных гипотез, если бы не эксперименты ученых — В. Скулачева и Е. Либермана (они сразу после обнародования «электрической теории» стали на ее защиту). И именно благодаря этим ученым проявились неизвестные до того времени характеристики биоэнергетики клеток. Вроде бы все выглядело очевидными. И не надо быть геним, чтобы спланировать опыт на живой клетке. Дайте ей питание, чтобы запустился процесс окисления. Установите разницу потенциалов, возникшую на мембране. Теперь, подав на вторую, мембрану, у которой не было питания, аналогичное электрическое поле, надо пронаблюдать — станет ли она синтезировать молекулы АТФ.
Но, к сожалению, опыты такого рода нереальны. В природную мембрану проникнуть невозможно — она необычайно тонка. Пришлось прорабатывать другие пути.
Сначала ученые В. Окулачев и Е. Либерман доказали, что заданные вещества, которые препятствуют формированию молекул АТФ, одновременно оказывают электрическое действие, снижая сопротивление мембран. Так конденсатор утрачивает свои свойства аккумулировать электроэнергию, и синтез молекул АТФ угнетается в зачатке. Совпадение, — сказали хором противники теории. Ученые на этом не остановились. Е. Либерман и В. Скулачев, трудясь в своих лабораториях, испытали до 40 соединений различной структуры, имеющих свойство снижать сопротивление синтетических мембран (ученые создали эти искусственные мембраны). Опираясь на результаты, Е. Либерман и В. Скулачев попытались сделать прогноз, как данные вещества будут воздействовать на функционирование живых митохондрий.
Величие научной теории в том, как она трактует известные до ее возникновения механизмы, но и в возможности спрогнозировать явления неизвестные и новые. В описываемых опытах совпадение было безупречным. Но скептики снова не верили. В. Скулачев и Е. Либерман захотели доказать, что в процессе питания митохондрий реально возникает электрическое поле. Но в конспектах схема опыта была простой, и снова природа отказалась помочь эксперименту.
Идея была такова. Использовать в эксперименте раствор заряженных электрически частиц — ионов и засылать в раствор приготовленный порошок из митохондрий. Если теперь подпитать их привычным для митохондрий веществом, возникнет электрическое поле. Поле должно втянуть внутрь мембран некоторые ионы. Это можно зафиксировать. Но реальность оказалась не благосклонной к людям науки. Суть в том, что мембраны митохондрий ведут себя специфически и не признают посторонних ионов. Хотя, для ряда ионов мембраны не препятствие. Но пропуском являются не электрические, а именно химические свойства. Сигнал к проникновению идет, когда мембрана распознает химическую особенность нужных ей веществ. А ионов с такими свойствами в природе не нашлось.
Их изготовить решился Е. Либерман. В итоге в его лаборатории «родились» синтетически созданные, способные проникать сквозь перегородки мембран митохондрии. Как раз коллеги В. Скулачева изготовили и искусственные мембраны, немного толще естественных. Можно было проводить новый опыт. И он прошел успешно. Ученые все-таки доказали, что митохондрии, приняв «еду», сразу зарядились электрически и вытягивали из раствора ионы. Теперь ученые решили представить более весомые доказательства. Они приняли решение измерить электрическое поле на самой мембране.
Материализация духов
История науки располагает классическими образцами опытов, простота и наглядность которых разбивала все отрицания скептиков, в полной мере демонстрируя физическую суть явлений. Но, чтобы провести достаточно убедительные опыты, биохимикам суждено было пройти тернистый путь кропотливого труда, когда они смогли нашпиговать ферментами синтетические мембраны, приближающиеся по свойствам к природным.
Тонкая пленка (мембрана) разделяет на два отсека сосуд из стекла. В каждом из отсеков находится раствор электролита, и в каждом из отсеков — электрод, который соединен с клеммой вольтметра. Электроды должны подать сигнал, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления трансформировалась в электрическую. Ферменты есть с обеих сторон плоской мембраны. Условия одинаковые. Крошечные электробатареи, местами вкрапленные в мембрану, разобщены.
Из состояния покоя схему выводит «еда», которая поступает на одну сторону мембраны посредством раствора электролита. Ферменты, находящиеся там, поглощают поданную им аскорбиновую кислоту и немедленно вступают в «работу». Они вырабатывают электроэнергию. Теперь всё стало ясным. Стрелка прибора мгновенно фиксирует, что энергетический процесс начался. То, что ранее было загадкой биохимии, стало очевидным. Специалист посредством лабораторной пипетки вводит витамин С. «Еда» без промедления поглощается ферментами, возрастает накопление электричества, сохраняемого естественным конденсатором — митохондриальной мембраной. И стрелка вольтметра приходит в движение, наглядно показывая, как возрастает мембранный потенциал.
Клетка может работать механически, получая внутрь своей мембраны необходимые вещества. Она может обогреваться, трансформируя выработанное электричество в тепло. Главным преимуществом электроэнергии является, что она способна без труда трансформироваться и преобразовываться в другие виды. Видимо, природа об этом знает сама. У в мире науки гипотеза Митчела получила исчерпывающее практическое подтверждение.
Многие явления и процессы, которые разум человека постигал столетиями, элементарно работают в условиях живой природы. Наглядным примером является выше описанное открытие. Процесс получения электрической энергии отработан на клеточном уровне и действует идеально. Но ученые со своим пытливым умом и терпением смогли проникнуть в тайны микромира и наглядно представили вниманию людей секреты процесса, ревниво оберегаемые самой природой.опубликовано econet.ru.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
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.
— 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.
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.