Мембранный мир

Мембранный мир

Ученые давно пытались разобраться какова природабиологического электричества.
Создавались различные теории происхождения биоэлектрических потенциалов, порою очень противоречивые. Особенно долго продолжалось единоборство двух теорий - мембранной, появившейся в 1906 г. (ведущая роль в генерации потенциалов отводилась поверхностной плазматической мембране клетки), и сорбционной теории, возникшей несколько позже, в 1943 г. (в качестве причины потенциалов выдвигались особые свойства протоплазмы - клеточного содержимого). В настоящее время предпочтение отдается мембранной теории. Попробуем объяснить ее сущность, начав с вопроса о том, что же такое сама биологическая мембрана.
Мембрана - поистине удивительное изобретение природы. Толщиной всего в две - три молекулы, она исключительно прочна, устойчива, гибка, выдерживает колоссальное напряжение - до 200 тыс. вольт на 1 см. Редкий материал, известный в технике, способен с ней конкурировать. И в то же время, как образно выразился Л. Бергельсон, автор книги «Биологические мембраны», «мембраны паходятся в клетке в постоянном движении, они мерцают, пульсируют, как бы дышат. На протяже-нии всей жизни клетки мембраны постоянпо обновляются- возникают вновь, распадаются и исчезают». Мембрана может возникнуть спонтанно, из фрагментов, не пользуясь информацией извне. Когда-то, на заре жизни, первоклетка смогла обособиться от окружающей среды при помощи поверхностной мембраны и таким образом сохранить суверенитет, уникальность своих процессов, расти и развиваться и в то же время не терять связи с окружающим миром, чтобы черпать из него вещество, энергию и информацию.
Мембрана многолика. Поэтому специалисты, польэующиеся разными методами, видят лишь какую-то часть присущих ей свойств. Например, анатом скажет, что это наружная граница клетки и граница ее внутренних частей, разделяющая пространство клетки на отсеки, компартменты. Биохимик выскажется о ней иначе: как о фракции клетки, причем фракцией он одновременно будет считать и другие субстраты, скажем, пигменты, ферменты и т. д. Физиолог же оцепит в мембране прежде всего ее свойство проницаемости, благодаря которому клетка способна поглощать и выделять вещества. Ну, а электрофизиолог будет, конечно, судить о мембране, как о структуре, обеспечивающей генерацию и передачу электрических потенциалов и поля.
Какими мембранами обзавелась клетка? Прежде всего главной - наружной, или плазматической, определяющей форму и содержание клетки. Затем вакуолярной, покрывающей вакуоль - клеточное депо электролитов. Далее, назовем ядерную мембрану, охраняющую «святая святых» клетки - вещество наследственности. Отметим еще мембраны митохондрий и хлоропластов - энергетических станций клетки, где энергия дыхания и фотосинтеза запасается - при помощи мембран - в химической и электрической форме. Мембраны аппарата Голъджи - в этих структурах происходит упаковка белков. А еще эндоплазматическая сеть - в присутствии ее мембран синтезируются   белки, т. е.   реализуется   генетическая программа клетки. Эта сеть пронивывает всю протоплаз-
му, которую долго считало однородной и входит в контакт с мембранами ядра и оболочки клетки. Таким образом, непрерывная система план мое писанных мембранклетки обеспечивает ее структурную и функциональную целостность. Клетка буквально «нашпигована» мембранами. Так в шестиграммовой печени крысы их площадь составляет несколько сотен квадратных метров, а в организме человека эта площадь занимает десятки тысяч квадратных метров. Примерно то же можно сказать и в отношении растений. Почему у ВЫСШИХ растений и у животных клетки так малы но размерам? Да потому что у небольших клеток самая большая площадь поверхности и площадь мембран на единицу объема. Сложному многоклеточному организму мембраны нужны для отправления самых разнообразных функций, для согласования и упорядочения многих процессов. Однако возвратимся к точке зрения электрофизиолога. Существование электрических потенциалов возможно только при разделении разноименных зарядов, устойчивость этих потенциалов обеспечивается барьерами, перегородками, пространственно разобщающими заряды. Но барьеры должны быть проницаемы для зарядов хотя бы частично.
Живая клетка, как известно, накачивает в себя некоторые ионы. Каким же образом обеспечивается се избирательная проницаемость? Рассказывают, что когда-то творец электромагнитной теории Джеймс Максвелл придумал этому шутливое объяснение. Клетку снаружи патрулируют Демоны. Они внимательно наблюдают за ионами, которые суетятся около и часто атакуют поверхностную мембрану - крепостную стену клетки. И как только стражи разглядят среди нападающих нужный ион, они тотчас же открывают дверцу в стене, - а дверей в стене множество - ион влетает в клетку и дверца захлопывается. Максвелл считал, что Демонам делать это нетрудно, их служба практически не требует затрат энергии. Так происходит пассивный избирательный транспорт ионов в клетку и преимущественное накопление в ней ионов одного типа. Но оппоненты Максвелла подсчитали: энергия все-таки тратится - на открывание дверей, на «разглядывание» ионов. Значит их транспорт не столько пассивный, сколько активный. (Благодаря таким «умственным» экспериментам могут проясниться самые сложные проблемы.) А как все происходит в действительности?
Обратимся вначале к структуре элементарной мембраны. Ее основа - фосфолипиды и белки. Фосфолипиды - это жироподобныо вещества. У них есть «голова» - остаток фосфорной кислоты и углеводный «хвост». Обычная мембрана состоит из двух фосфолипидиых слоев толщиной до 100 ангстрем, т. е. одной миллиардной доли 1 см. Наружу выглядывают «головы», они подвижны (назовем их для наглядности шевелящимися), воды не боятся и хорошо чувствуют себя в растворе, окружающем мембрану. Жирные «хвосты», которые воду не любят, спрятаны внутри мембраны. Мембрана - это жидкий кристалл: может быть то «замороженной», то текучей. Дополнительную прочность придают ей неполярные вещества - липиды типа холестерина. Однослойные фосфолипиды называются ламеллярными, сферические - мицеллярными. Поверхность ламелл и мицелл покрыта структурными белками, придающими мембране растительной клетки еще большую прочность и эластичность. Вот какова основа, или матрикс, мембраны. В таком виде ламеллярная мембрана непроницаема для ионов, а мицеллярная, имеющая зазоры между отдельными сферическими включениями, - может пропускать через себя различные ионы и незаряженные частицы. «Живая» мембрана как бы инкрустирована особыми белками, расположенными поперек ее и служащими в качестве пор или каналов, а также ионных насосов. Именно эти белки делают мембрану проницаемой, организовывают в ней пассивный и активный транспорт. Обычно ионы, находящиеся внутри и снаружи клетки, покрыты водными шубами, гидратированы. Поэтому через жирные фосфолипиды они не могут пройти. А белки-поры, встроенные в мембрану наподобие изюминок в тесте, свойствами своей поверхности напоминают «жирные хвосты» фосфолипидов   и   легко «пронизывают» мембрану.
Зато изнутри белки гидрофильны - любят воду и могут удерживать или пропускать через себя гидратированные ионы. Каждому иону - своя пора. Таково правило, потому что ион точно подходит к своей поре, как ключ к замку. Поэтому не все ионы, даже содержащие одинаковые атомы, но отличающиеся между собой пространственной конфигурацией, способны пройти через мембрану - поры в ней «левые» или «правые». Понаблюдаем за путешествующими ионами. Белки-каналы называют ионофорами. Благодаря им мембрана становится «дырявой», проницаемой для тех или иных ионов, и потенциал, устанавливающийся на ней, шунтируется, происходит электрический пробой. Хорошими ионофорами являются известные всем антибиотики. Профессиональные навыки у них разные. Одни поодиночке прокладывают сквозь толщу мембраны дорогу для ионов, и последние «плывут» из одной реки в другую буквально по «водному каналу». Другие, покороче, вынуждены прибегать к ухищрениям. Так, белки грамицидина «договариваются» между собой и выстраиваются в один ряд, сооружая общую пору. Ион пересекает мембрану «на перекладных». А вот валиномицин «придумал» следующее: он хватает с одной стороны мембраны «зазевавшийся» ион, прячет в своих „мокрых" объятиях, проносит сквозь мембрану и отпускает с другой ее стороны на волю. Ионофор нистатин, плавая в липидном озере, периодически погружается, как поплавок, на разную глубину. И если точно такой же поплавок с противоположной стороны мембраны, окунувшись, случайно сомкнётся со встречным партнером - сразу же возникнет пора. И тогда ион, по выражению советского биофизика Е. Либермана, должен «ловить момент» и проскакивать через пору: время ее жизни невелико. Поры то возникают, то исчезают. Это случайный спонтанный процесс. Есть пора - сопротивление мембраны скачкообразно падает, ток возрастает. Пора пропала - все возвращается на «круги своя». Мембрана постоянно сотрясается от толчков тока, и «голос» одиночных каналов совершенно тонет в общем гаме. Экспериментатор просто слышит шум, который принимает за спокойный «голос» всей клетки, ведь мы ее ничем не раздражали. Только несколько лет тому назад узнали, на чем зиждется это спокойствие. Ионофоры помогли разгадать механизм пассивного избирательного транспорта ионов через мембраны, протекающего без затраты энергии. Тогда ионы передвигаются по градиенту электрохимического потенциала (положительные ионы-катионы- к отрицательно заряженной области, отрицательные ионы - анионы - к положительно заряженной области, вещества из раствора с большей концентрацией - к раствору с меньшей концентрацией). Мы еще не знаем структуры естественных белковых каналов животной клетки.
Но у растительной клетки уже удалось выделить одиночные калиевые и хлорные каналы, встроить их в искусственную мембрану, и они заработали. Кстати, механизм губительного действия на клетку антибиотиков-ионофоров основан на изменении ее электрических свойств. Клетки, получившие антибиотик, катастрофически теряя калий и потенциал, гибнут. Яд тетродоксин блокирует в нерве натриевую проводимость, не затрагивая калиевую. В итоге нервы не способны генерировать электрический импульс, и наступает паралич. Аммониевые соли, напротив, выводят из строя калиевые каналы, но влияя на натриевые. Что такое ионные насосы? Это особые белки-ферменты, тоже плавающие в липидном слое мембраны. И выполняют они не каталитическую функцию (усиливают реакции), а транспортную (переносят ионы против электрохимического градиента с одной стороны мембраны на другую). Процесс происходит с затратой энергии. Фермент в присутствии определенного иона способен отобрать от молекулы АТФ часть энергии, захватить своим центром этот ион-активатор и, используя присвоенную энергию, совершить разворот в мембране на 180 градусов. Ион, который проделал пируэт вместе с ферментом, будет вытолкнут в раствор по другую сторону мембраны. А фермент вновь вернется в исходное положение, приобретет первоначальную форму, откроет «зев», чтобы «стащить» следующий ион. Примерно так можно представить работу ионного насоса. Возможно, белок не разворачивается в мембране, а выворачивается в ней наизнанку, пронося ион внутри себя. Насосов в клетке немного: два-три. По имени ионов-активаторов они называются калиевыми, натриевыми и водородными. В растениях ведущим является водородный. Итак, белок, насос, фермент АТФаза (разлагающая АТФ) - это одно и то же. Ученые полагают, что АТФаза, выталкивая ион за пределы клетки, возвращается в исходное положение не «порожняком», а «прихватывая» новый ион, другого типа. Так, выкачивая из животной клетки натрий, на обратном пути она закачивает в нее калий. Аналогично и водородная помпа удаляет из клетки избыток водорода и втягивает в нее калий. Иногда помпа «везет» сразу двух «пассажиров», например, ион водорода и сахарозу или фруктозу, которые вообще не ионы, т. е. незаряженные частицы. Куда же делись   Демоны Максвелла?   Они стали привратниками-любителями или живут на клеточном довольствии. Остальные «непривиллегированные» ионы входят в клетку или выходят из нее без посторонней помощи, используя каналы своего имени. Расторопность этих ионов зависит от мощности насосов. Правда, некоторые ионы, такие как калий, посещают клетку и пассивно, и активно. В конечном счете в ней устанавливается какая-то концентрация веществ и соответствующий ей электрический потенциал. Когда клетку не раздражают, ее потенциал довольно долго (несколько часов) может не изменяться. Это потенциал покоя (мы уже знаем цену этому покою). На невозбужденном растении устойчивый потенциал ткани, органа или другого многоклеточного участка называют метаболическим потенциалом - он отражает общий уровень метаболизма или обмена веществ в растении. Во время стресса в клетке резко повышается проводимость за счет образования новых каналов и, главное, за счет удлинения времени их жизни. В результате возникает скачок потенциала, или потенциал действия. В дальнейшем он управляет работой каналов и способен распространяться по клетке, переходить на соседнюю и далее.