Электробиология

Откуда организмы получают энергию? Животные- из пищи, которую они съедают. Биохимиками было выяснено, что пища у животных, дышащих кислородом воздуха, медленно окисляется, а за счёт 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.Процесс сгорания пищи  и синтеза АТФ осуществляется особыми клеточными органеллами- митохондриями. Они имеются не только у животных, но и у растений и грибов, нет их только у бактерий. В растениях имеются, кроме митохондрий, особые органеллы- хлоропласты, содержащие хлорофилл. Эти органеллы умеют, как и митохондрии, синтезировать АТФ, а, кроме того, умеют синтезировать из воды и углекислого газа углеводы.

В 1961г. английский учёный П.Митчел выдвинул гипотезу, что энергия пищи сначала преобразуется в электрическую энергию, а уж та затрачивается на производство АТФ. Митчелл предложил, что окисление пищи приводит к возникновению разности потенциалов на мембране митохондрий за счёт выхода протонов из митохондрий, затем эта электрическая энергия тратится на синтез АТФ.

Итак, согласно гипотезе Митчелла 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 Митчелла 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.

Интересно, что «короткое  замыкание» может играть важную функциональную роль, как было показано работами В.П.Скулачёва  и других учёных. При коротком замыкании  выделяется много тепла. А теплокровным животным приходится решать и такую задачу- согреться. Оказалось, что организм способен после адаптации к холоду самостоятельно «закорачивать» митохондрии своих клеток, сжигая пищу для выработки тепла. Возникновение МП у митохондрий при сжигании пищи было доказано.

Один из красивых опытов, который доказывает вторую половину гипотезы Митчелла- это МП может быть использован для синтеза АТФ. Этот опыт был поставлен в 1967г. 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.  М митохондрии начинали синтезировать АТФ. Точно так же было показано, что МП возникает под действием света в хлоропластах.

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».

Митохондрии и хлоропласты  являются самыми настоящими электростанциями клетки, которые преобразуют горючее  или свет в электроэнергию. Клетки бактерий тоже электростанции. Они способны синтезировать АТФ за счёт пищи или света, за счёт создания МП на своей мембране, выбрасывая Н+ в наружную среду. Но оказалось, что бактерии используют этот МП не только для синтеза АТФ, но и для движения жгутика.

Мы видим, что МП может  быть использован клетками в самых  разных целях: в митохондриях, хлоропластах, бактериях- для синтеза АТФ; бактериями- для вращения жгутиков; в самых разных клетках- для транспорта веществ, например, у животных- для транспорта сахаров, в митохондриях для поглощения Ca++, у бактерий для поглощения К+ и т.д.; при «коротком замыкании» для выработки тепла. Все эти факты привели Скулачёва в 1975г. к следующему обобщению: в энергетике клеток есть два универсальных носителя, а не один, как думали раньше,- это АТФ и МП. Тем самым ясно, что МП необходим каждой клетки, а не только нервному волокну.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При зарождении электробиологии  казалось, что электрические явления  в живых организмах - совершенно особый класс явлений, не связанных с другими проявлениями жизни и присущих лишь специализированным  возбудимым тканям. Но мы узнали, насколько эти представления оказались далеки от действительности.

 «Животное электричество» оказалось присущим не только нервам и мышцам. Каждая клетка, которая дышит, каждая клетка, которая способна к фотосинтезу, использует электрическую энергию.

Мы показали, как содружество наук – биологии и химии, математики и физики – изучает Природу, в которой разнообразные явления тесно взаимосвязаны. 

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ  ЛИТЕРАТУРА:

М.Б.Беркинблит, Е.Г.Глаголева «Электричество в живых организмах».