Рассказы о биоэнергетике - Скулачев В.
Скачать (прямая ссылка):
Дело в том, что разделение противоионов должно создавать разность электрических потенциалов (ее обозначают Аф) между двумя разграниченными мембраной отсеками. Если ири дыхании ионы Н + -окажутся снаружи митохондрии, а ионы ОН - внутри, то внутренность митохондрии зарядится -отрицательно, а внешний объем — положительно. Величина Дф будет тем больше, чем больше противоионов будет разделено мембраной.
Но Дф .не может возрастать беспредел-ьно. Чем выше величина отрицательного заряда внутри митохондрий, тем труднее дыханию поддерживать процесс разделения ионов Н + и ОН _. В какой-то момент разделение зарядов прекратится. Это случится тогда, когда выигрыш в энергии при реакциях дыхания окажется недостаточным, чтобы покрыть энергетический дефицит, возникающий при разделении противоионов. Именно в этот момент дальнейшая зарядка электрической емкости мембраны станет невозможной.
Сопоставляя электрическую емкость мембраны и выделение энергии в процессе дыхания, Митчел заключил: мембрана зарядится так быстро, что кислотность снаружи митохондрий не успеет измениться сколько-нибудь заметным образом.
Не тгедрывает ли этот расчет хемиосмотическую гипотезу? Ведь мы говорили все время о нейтрализации кислоты и тцелочи.
Оказывается, что нет.
Обратимся еще раз к схеме Митчела. Согласно гипотезе синтез АТФ рождает положительные заряды (Н +) во внутреннем пространстве митохондрий, то есть
в отсеке, заряжающемся за счет дыхания отрицательно. Та же реакция синтеза АТФ приводит к уменьшению количества положительных зарядов (Н+) снаружи митохондрий, то есть там, где дыхание создает знак «плюс». Таким образом, синтез АТФ нейтрализует работу дыхательной системы, не только поставляя кислоту в защелачивающийся дыханием внутренний отсек митохондрии, но и образуя в этом отсеке положительные заряды. Тем самым дыхание может служить движущей силой для процесса фосфорилирования, даже не образуя сколько-нибудь заметной разности концентраций водородных ионов. Достаточно создания Аф.
Но что же в таком случае измеряли Митчел и Мойл в своих первых опытах? Откуда взялось закисление и что за магический эффект вещества, связывающего кальций?
Если закисление действительно было связано с работой дыхательных ферментов, то в условиях опыта электрическая емкость мембраны не ограничивала процесса разделения противоионов при дыхании.
Что, если в отрицательно заряженную внутреннюю полость митохондрии проникал какой-нибудь катион, например, кальций?
В своих опытах Митчел и Мойл не добавляли ионов кальция, но специально и не освобождались от них. Источником кальция могли быть реактивы, да и сами митохондрии. Но если все обстоит именно так, то давайте добавим кальций, и закисление должно возрасти... Митчел попросил свою сотрудницу поставить этот опыт. Закисление резко увеличилось!
Таков был ответ Чансу. Но еще не доказательство гипотезы; скорее свидетельство ее непотопляемости теми средствами, которые употребил в Варшаве знаменитый яхтсмен.
протонофоры «Серая книга» Митчела
окончательно укрепила мое убеждение, что новая концепция достойна стать рабочей гипотезой биоэнергетики, заменив неудачную химическую схему. К тому времени мы уже были подготовлены к принятию хемиосмотической гипотезы всем предшествующим развитием своих работ: открытием
эффекта двух путей окисления, а затем терморегуляторного разобщения в мышечных митохондриях и, на-
конец, отрицательным итогом опытов по проверке одного из вариантов химической схемы. *
В частности, Митчел давал простой ответ на вопрос о том, как можно представить себе быстрое переключение дыхания на холостой путь, например, при охлаждении организма. Напомним, что, по Митчелу, дыхание образует избыток ионов водорода по одну сторону мембраны митохондрии, а при синтезе АТФ эти избыточные ионы водорода потребляются. Достаточно повысить проницаемость мембраны для протонов, как Дф и разность pH исчезнут без всякого синтеза АТФ, дыхание пойдет без фосфорилирования, а вся энергия окислительных реакций превратится в тепло.
Впоследствии оказалось, что в разобщении на холоде участвуют свободные жирные кислоты, которые действительно повышают проницаемость мембран для водородных ионов. Но это уже следующая история.
В 1966 году сотрудник института биофизики Е. Ли-берман задался целью получить искусственные мембраны с такими же электрическими характеристиками, что и мембраны биологические. Он добавлял к фосфолипидам, из которых делали искусственные мембраны, различные вещества и смотрел, не снизится ли сопротивление до величин, характерных для внешней мембраны нейрона, популярного объекта электрофизиологических исследований. Одним из соединений, снижающих сопротивление, оказались жирные кислоты. Именно эти вещества, как мы думали, могут играть роль природных разобщителей.
В том же году А. Ленинджер, уже упоминавшийся нами известный биоэнергетик и автор самого знаменитого учебника по биохимии, поставил опыт по действию дииитрофенола на искусственную мембрану. Как и у Е. Либермана, это была так называемая черная цем-брана из фосфолипидов (черная — значит, такая трн-кэя, меньше длины волны видимого света, что уже не преломляет световых лучей). Мембрана закрывала небольшое отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей кювету на два отсека. В каждый из отсеков погружено по электроду, между ними вольтметров этой простой системе легко измерить сопротивление чернрй мембраны, Так вот оказалось, что добавка дицйтрбфенола в оба отсека кюветы или даже, в один иЗ них заметно снижает сопротивление мембраны^
