Закономерные чудеса

В 1665 году в Лондоне заседало научное Лондонское королевское общество. Известные ученые Англии и некоторых стран Западной Европы ждали выступления английского исследователя Р. Гука. Этот молодой, разносторонне образованный ученый и изобретатель, успевший прославиться в различных областях естествознания (механике, физике, астрономии и биологии), представил Лондонскому королевскому обществу результаты своих исследований о "строении пробки, наблюдаемом при помощи увеличительных линз". Никто из присутствующих и не предполагал, что работа Р. Гука станет отправной точкой наших представлений о микроскопическом строении живых организмов.

Несколько позже исследователь писал: "Я взял кусок плотной чистой пробки и при помощи перочинного ножа, острого как бритва, срезал с него кусочек, получив таким образом чрезвычайно гладкую поверхность, а затем рассмотрел ее весьма внимательно в микроскоп. Мне кажется, что мне удалось увидеть в ней поры... Далее, эти поры, или клетки, были не очень глубоки, но состояли из большого числа маленьких отделений, разгороженных диафрагмами..."

Рассматривая срезы пробки в свой простейший по устройству микроскоп, ученый видел только высохшие мертвые стенки клеток. Однако этот научный термин выдержал проверку временем.

Сегодня мы понимаем под клеткой структурную единицу живого вещества. Клетку можно рассматривать и как самостоятельный живой организм. Многие думают, что эта структурная единица живого вещества микроскопически мала. Размеры клеток многих тканей животных и растений, бактерий колеблются от 0,2 микрона до 10 микрон. Вирусы еще мельче. Но существуют и клетки-гиганты, например яйцо курицы или страуса, достигающее в длину 18 сантиметров. Многие клетки обладают постоянной формой. Например, самые обыкновенные инфузории, сперматозоиды, эритроциты крови человека. Но некоторые клетки способны постоянно менять свою форму. Классический пример — известная всем амеба.

И вот что очень важно: внешняя среда, окружающая нас, постоянно меняется, поэтому, чтобы сохранить свое "лицо", свои особенности, чтобы размножаться, клетка должна постоянно использовать энергию, совершать работу. В противном случае немедленно начинают срабатывать безжалостные законы физики.

Согласно этим законам изолированная система (в нашем случае живая клетка) самопроизвольно стремится к состоянию с меньшей степенью организации. Дело кончится гибелью и полным распадом клетки. Чтобы этого не случилось, надо производить энергию. А чтобы нарабатывать энергию, нужно топливо. Таким "топливом" для организма служат углеводы, белки, жиры, продукты их расщепления. Все это организм получает с пищей.

Но тут опять возникает неожиданное затруднение с использованием топлива. Если его энергия выделится сразу, то, пожалуй, клетка может в самом прямом смысле этого слова взорваться. Нечто похожее произошло бы с автомобилем, если бы бензин поступал в мотор не постепенно, маленькими порциями, а мгновенно сгорело бы все топливо в бензиновом баке. Значит, энергия клеточного топлива должна поступать маленькими порциями, а ее излишки каким-то образом, консервироваться и запасаться впрок.

В процессе эволюции, растянувшемся на миллионы лет, природой было найдено соединение, как бы консервирующее энергию — аденозинтрифосфорная кислота. Название это несколько длинновато и не очень удобно для произношения. Поэтому биологи обычно сокращают его и говорят коротко: АТФ. Именно этот источник законсервированной энергии используется клеткоц.

В живой клетке один вид энергии постоянно переходит в другой. Чтобы сохранить свою индивидуальность, клетке приходится много работать. Конечно, все типы работы перечислять вряд ли целесообразно, но познакомиться с некоторыми просто необходимо.

Возьмем полоску мышечной ткани и обработаем ее так, чтобы удалить все составные части, кроме белков актина и миозина. Затем поместим мышечное волоконце в маленький стаканчик с водой, в которой есть ионы алия и натрия. Один конец прикрепим к стеклянной алочке, положенной поперек стаканчика, а к другому привяжем легкий груз. Простейшая модель готова.

При этих условиях мышечное волоконце находится в растянутом состоянии. Теперь добавим в стаканчик несколько капель раствора аденозинтрифосфорной кислоты. Мышечное волоконце энергично сократится.

В принципе в живой мышце происходит то же самое, потому что механизм сокращения в обоих случаях одинаков.

Два типа мышечных белков располагаются в клетке упорядочение. Молекулы актина образуют нечто напоминающее гребенку для расчесывания волос. В мышечном волоконце две такие гребенки лежат зубцы к зубцам на некотором расстоянии одна напротив другой. Между гребенками расположены толстые нити миозина. Когда мышечная клетка сокращается, гребенки как бы вдвигаются одна в другую, а при полном сокращении волоконца нити еще и скручиваются. При механической работе мышечные клетки тратят энергию, — в состоянии покоя накапливают ее в виде аденозинтрифосфорной кислоты.

Еще более впечатляющую картину можно наблюдать при движении амебы. Под микроскопом видно, как сначала образуется тонкий вырост, который на наших глазах быстро увеличивается в размерах, и все содержимое клетки как бы переливается в этот вырост. Потом возникает новый вырост, и все повторяется сначала.

Одна из гипотез так объясняет процесс движения амебы. В его основе лежит периодическое укорочение и удлинение молекул белков типа актина и миозина. В результате внутреннее содержимое амебы периодически то сгущается, то разжижается. Так возникает внутриклеточное течение протоплазмы в сторону образующегося выроста. Для того чтобы это происходило, необходимы затраты энергии.

По химическому составу живая клетка разительно отличается от окружающей среды. Чтобы сохранить свою индивидуальность, клетка должна совершать осмотическую работу. Поставим простейший опыт. В стаканчик с водой поместим стеклянную трубку, на конец . которой привяжем мешочек из коллодиевой пленки. В мешочек нальем 0,5 — процентный раствор обычного сахара. Через некоторое время вода в стеклянной трубке поднимется выше уровня воды в стаканчике. Раствор в трубке увеличивает свой объем. Это происходит потому, что вода из стаканчика входит в коллодиевый мешочек быстрее, чем выходит из него.

Стенка мешочка чем-то напоминает оболочку живой клетки. И в коллодиевом мешочке, и в клеточной оболочке есть микроскопические отверстия, поры. Молекулы сахара значительно крупнее молекул воды. Они загораживают поры и мешают маленьким молекулам воды переходить из мешочка в стаканчик. Снаружи коллодкевого мешочка крупных молекул сахара нет, поры открыты, и вода свободно поступает из стаканчика во внутреннюю часть мешочка. Это перемещение воды через полупроницаемую оболочку в сторону более высокой концентрации растворенного вещества носит название осмоса.

В живой клетке все происходит значительно сложнее и остроумнее. Представим себе, что клетку поместили в раствор сахара, например, в слабый раствор глюкозы. Некоторое количество глюкозы проникает в клетку, как вода в мешочек из коллодиевой пленки, за. счет простого осмоса. Но это будет продолжаться непрерывно, даже когда концентрация глюкозы внутри клетки станет такой же, как и снаружи. Более того, содержание глюкозы внутри клетки может быть выше, чем в окружающей среде, но, несмотря на это, клетка будет поглощать все новые и новые порции этого вещества. Оказалось, что, проходя через клеточную оболочку, глюкоза присоединяет остаток фосфорной кислоты, так называемую фосфатную группу, и в таком виде она способна накапливать ее внутри клетки. В этом случае также затрачивается энергия и производится работа, которую биологи называют осмотической.

Где это происходит

Хотя здание науки сооружается по кирпичику целой рмией зодчих — многочисленными учеными в разных абораториях мира, некоторые из них вносят йаиболее существенный вклад. Чем бы они ни занимались, в какой области биохимии ни работали, они всегда достигали выдающихся результатов. Яркий талант исследователя, глубокий ум, необыкновенное трудолюбие помогали им в повседневной работе.

Биохимия — наука на редкость трудоемкая. Тот, кто много работает, как правило, бывает и удачлив, потому что "господин случай" помогает только подготовленному уму.

С именем О. Варбурга связана целая эпоха в биохимии. Это ученый редкого дарования. Его основные научные интересы были связаны с изучением дыхания клеток, загадочного процесса фотосинтеза, необыкновенного превращения углеводов в мышцах.

О. Варбург был и выдающийся методист. Новый метод в науке — это все равно что несколько шагов вверх к недоступной горной вершине, когда с каждым шагом исследователю открываются бескрайние дали. Разработанный им более полувека назад манометрический метод определения дыхания клеток и до настоящего времени бытует в самой современной биохимической лаборатории.

Нобелевская премия — высокая оценка деятельности ученого. Пожалуй, одна из самых высоких в мире. В 1931 году О. Варбургу была присуждена Нобелевская премия по медицине за работы, связанные с изучением так называемых железосодержащих ферментов — биохимических ускорителей реакций, которые играют большую роль в процессах дыхания.

В 1910 году исследователь обнаружил, что окислительные процессы в живой клетке сосредоточены в относительно небольшой ее части. Он взял ткань лабораторного животного и растер в кашицу. Затем подверг эту кашицу центрифугированию. На дно пробирок осели частицы клеток, которые обладали способностью к окислению органических кислот.

А дальше повторилась история, которая часто наблюдается в науке. Никто не обратил внимания на это открытие. Сейчас это кажется странным, но действительно в течение долгого времени никто из ученых всерьез не задумывался, почему способностью к окислению обладает только определенная составная часть клеток.

Прошло два десятилетия. Усовершенствовалась техника центрифугирования, да и сами центрифуги стали несоизмеримо совершеннее. Были разработаны новые методы разделения клетки на составные части. Ведь все они имеют свои размеры, плотность, свой, говоря житейским языком, вес. И эти их особенности легко использовать для разделения клеток на составные части.

Если ротор центрифуги вращается медленно, то на дно пробирок оседают тяжелые частицы. При быстром вращении будут оседать более легкие. И так далее. В таком случае биохимики говорят, что они получают различные фракции составных частей клетки.

Конечно, при этой процедуре фракция тяжелых частиц всегда бывает загрязнена частицами другой. Но препятствие легкопреодолимо. Их можно "почистить". Для этого фракцию тяжелых частиц снова подвергают центрифугированию при разных скоростях вращения ротора. Операцию можно повторять снова и снова. И так шаг за шагом получают наконец однородную, или, как говорят биохимики, очень чистую' фракцию индивидуальных составных частиц живой клетки.

Именно таким путем было обнаружено, что практически вся необходимая для жизнедеятельности энергия поставляется мельчайшими образованиями клетки, митохондриями.

Ключ для расшифровки

Эта история в свое время произвела настоящую сенсацию. В течение долгого времени исследователи во многих странах не могли прочитать египетские иероглифические надписи. Выбитые на камне ровные ряды загадочных знаков, несмотря на все усилия ученых, хранили молчание. И вот в 1799 году во время египетского похода Бонапарта близ маленького городка Розетты была найдена массивная плита из черного базальта. Когда ее очистили от въевшейся в камень грязи, увидели надписи на трех языках. Одна была сделана на древнеегипетском языке — иероглифами, вторая — скорописью на египетском языке, третья — на греческом. Во всех надписях, высеченных на камне в 196 году до нашей эры, фигурировало имя Птолемея V Епифана. Это помогло французскому ученому Ж. Шампольону расшифровать тайну египетских иероглифов. Розеттский камень положил начало изучению древнеегипетской иероглифической письменности.

Митохондрии, мельчайшие образования внутри клеток млекопитающих, могут служить своего рода розеттским камнем при расшифровке всех процессов превращения энергии в клетках. И конечно, с митохондриями целесообразно познакомиться поближе. Для этого их необходимо выделить из клетки.

Если бы мы захотели получить их сами, то пришлось бы тепло одеться: на ноги натянуть валенки с галошами, под медицинский халат — ватную куртку, а на голову шапку. Ничего не поделаешь: придется работать в так называемой холодной комнате, в которой постоянно поддерживается температура от 0 до 4 градусов тепла. Митохондрии — нежные внутриклеточные образования, и при комнатной температуре они легко могут разрушиться.

Когда мы придем в холодную комнату, соответствующие растворы, инструменты и оборудование уже должны быть приготовлены. Ведь их температура должна быть не выше 4 градусов по Цельсию.

Затем берут какой-нибудь орган экспериментального животного, например, печень крысы. Ткань ополаскивают в слабом растворе сахарозы с некоторыми добавками, сушат фильтровальной бумагой и режут ножницами на мелкие кусочки. Промытые тем же раствором сахарозы кусочки печени переносят в стеклянный узкий стакан и с помощью вращающегося пестика растирают в однородную с виду массу. Конечно, в этой массе, помимо митохондрий, много лишнего: обрывки тканей, неразрушенные клетки и все другие их составные части.

Теперь нужно освободиться от "мусора". Для этого кашицу разливают в пробирки, включают центрифугу и начинают вращать пробирки со сравнительно небольшой скоростью в течение 10 минут. При ускорении 600 g почти весь "мусор" оседает на дно пробирки, а нужные нам митохондрии остаются сверху над осадком. Они при таких ускорениях не оседают. Экспериментатор пользуется этим свойством митохондрий. Дождавшись, когда центрифуга перестала вращаться, он осторожно сливает раствор в чистые пробирки. В этом растворе содержатся митохондрии.

Но вот задача. А если с митохондриями находятся другие, еще более легкие, чем сами митохондрии, частицы? Надо посмотреть. Однако сделать это далеко не просто. Митохондрия настолько мала, что в обычный школьный микроскоп ее не увидишь. Но в любой современной лаборатории есть еще и так называемые фазово-контрастные и электронные микроскопы. А разрешающая способность последних такова, что детально рассмотреть митохондрию не представляет особого труда.

Полученные нами образцы митохондрий поступают в лабораторию электронной и световой микроскопии. Через некоторое время приходит ответ: митохондрии весьма чистые.

С помощью электронного микроскопа, специальных методов обычной световой микроскопии, фазово-контрастного микроскопа и других приемов строение митохондрий было изучено достаточно подробно.

Мы вступаем в микромир. Здесь свои единицы измерения. Чтобы определить размер митохондрий, придется упростить задачу и представить себе "усредненную митохондрию". Ведь эти частицы внутри клеток очень подвижны, легко меняют форму, и, кроме того, их величина в клетках различных тканей сильно колеблется.

Наша усредненная митохондрия имеет форму огурчика длиной около 20 тысяч ангстрем и шириной около 5 тысяч (ангстрем — 0, 000 001 миллиметра).

Митохондрий в клетке, как правило, много. В печени обыкновенной лабораторной крысы почти 22 процента объема клетки занимают митохондрии, больше тысячи штук в каждой. Митохондрии часто располагаются поближе от тех мест, в которых идут процессы, требующие значительных количеств энергии. Особенно легко это заметно в клетках первоклассных летунов — насекомых, обыкновенной комнатной мухи, комара, осы или пчелы. У них митохондрии располагаются правильными рядами вдоль мышечных волоконцев. Расстояние между источником энергии, которым является известная уже нам АТФ, и местом ее потребления, сократительными волоконцами, резко уменьшается. Иными словами, путь от производителя до потребителя укорачивается. В мышечных клетках митохондрии более или менее закреплены, а вот в клетках печени могут довольно-таки свободно перемещаться.

11 февраля 1969 года у доски объявлений Лондонского института инженеров-электриков собралась толпа студентов и' преподавателей. Объявление о лекции поражало даже видавших виды лондонцев: "В серийном производстве. Линейный двигатель характеризуется прочностью и надежностью. Конструкция проверена и оптимизирована в ходе испытаний, проводившихся в течение очень длительного времени в глобальном масштабе. Все модели высокоэкономичны и могут работать на общедоступных видах топлива".

Далее перечислялись другие преимущества машины. Кончалось объявление совсем необычной фразой: "Может служить пищей". Озадаченные студенты недоумевали. Только во время лекции все наконец прояснилось. Речь шла о живой мышце.

Если мышцу можно рассматривать как универсальную машину с уникальными техническими характеристиками, которая пока превосходит любой механизм, созданный руками человека, то митохондрия, конечно, является удивительным энергетическим блоком.

С помощью специального режущего устройства, которое называют микротомом, можно нарезать митохондрии на тонкие ломтики. Если рассматривать их под электронным микроскопом, то можно увидеть две полупроницаемые оболочки, две мембраны: наружную и внутреннюю. Наружная обычно гладкая, а внутренняя, наоборот, образует большое количество складок. Их называют кристами. В митохондриях клеток крысиной печени складки расположены нерегулярно в клетках летательной мышцы хорошо всем известной синей мясной мухи похожи на перфорированные листочки бумаги, уложенные в рыхлую пачку.

Сложность и многообразие форм объясняется необходимостью увеличения поверхности мембраны. Ведь в ней располагаются многочисленные ферменты, имеющие самое непосредственное отношение к образованию энергии. Естественно, что для размещения большого числа "жильцов" необходима и соответствующая "жилплощадь". Пространство между двумя мембранами заполнено студнеобразной жидкостью, или, как говорят биологи, матриксом, приблизительно на 50 процентов состоящим из белка. Здесь видны какие-то образования, гранулы. Какую роль они выполняют, к сожалению, пока неизвестно.

Теперь остается рассмотреть молекулярное строение самой мембраны. Она чем-то напоминает сандвич: два ломтика хлеба, между которыми намазан слой масла. Сандвич, конечно, необычный, толщиной всего 50-60 ангстрем. Его наружные стенки — белковые молекулы, а внутреннее содержимое жировое... Биологи обычно называют жиры липидами. Строение мембран митохондрий в известном смысле универсально, так как по этому принципу построены многие другие полупроницаемые оболочки.

Поверхность мембран огромна. Площадь мембран митохондрий, которые содержатся в печени обыкновенной белой лабораторной крысы, составляет солидную величину — 40 квадратных метров! Если выделить все митохондрии из сердца этого неутомимого труженика и рассчитать поверхность их мембран, получим еще более впечатляющую величину — 250 квадратных метров! Ну а если ткань живого организма работает очень интенсивно, какова тогда поверхность мембран? В летательной мышце синей мясной мухи, например? Фантастически велика — 400 квадратных метров!

Нетрудно заметить в этом и определенную общебиологическую закономерность. Чем интенсивнее работа, которую должны совершать клетки, чем больше затраты энергии, тем больше и поверхность мембран. Это, в свою очередь, связано с необходимостью увеличить "площадь" для так называемых "ферментных ансамблей", тесно связанных между собой групп ускорителей химических реакций.

В последнее время возник вопрос о сферических частицах, сидящих на тонких ножках на внутренней поверхности мембран. Известный исследователь энергетических процессов в живой клетке Е. Рэкер и его сотрудники провели серию убедительных экспериментов.

В митохондриях, выделенных из сердца быка, содержится вещество, которое ученые назвали "фактор Ф₁". Это белок с довольно-таки большим молекулярным весом. Если лишить митохондрии сердца быка фактора Ф₁, то образования энергии в них не происходит. В электронный микроскоп в этом случае сферические частицы не видны. Когда к митохондриям вновь добавляют фактор Ф₁ процессы образования энергии восстанавливаются. И удивительное дело — на электронных микрофотографиях снова видны крошечные сферические тельца.

Мы совершили нечто вроде путешествия внутрь митохондрий. Чтобы не попасть в положение человека, не увидевшего за деревьями леса, полезно рассмотреть митохондрии в живой клетке. Если эти наблюдения сопровождать специализированной микросъемкой, то можно увидеть интереснейшие вещи. Прокрутив кинофильм, можно заметить, что митохондрии "шевелятся" и перемещаются из одного места клетки в другое. Они способны набухать и сокращаться в объеме.

Изменение внешних условий, добавление химических веществ вызывают сжатие или набухание митохондрии. Они меняют форму и объем и при заболеваниях. Если лабораторных белых крыс заставить поголодать несколько дней, то митохондрии печени этих животных набухают, а число внутренних перегородок уменьшается. Если кормление возобновляется, митохондрии очень скоро приобретают прежний нормальный вид.

Форма митохондрий довольно-таки изменчива. Обычно они имеют вид нитей, у некоторых организмов — гранул. При определенных изменениях внешней среды митохондрии чем-то напоминают дубинку доисторического человека, а иногда очень смахивают на вполне современную теннисную ракетку. Пеструю картину можно наблюдать у рыб через несколько часов после кормления. Обычно нитевидные митохондрии принимают и форму пузырьков, и теннисных ракеток, и дубинок. Через двое суток после приема пищи картина снова меняется: большинство митохондрий опять имеет форму нитей.

Вопрос о происхождении митохондрий оказался довольно-таки сложным. Во всяком случае, тут еще широкое поле деятельности для исследователей. Считается, что за 5-10 дней половина митохондрий в клетках печени обновляется. Если это так, то возникает законный вопрос: откуда берутся новые?

Существует несколько гипотез происхождения этих универсальных генераторов энергии. А когда гипотез много, это свидетельствует, что экспериментальных фактов все еще не хватает и многое еще неясно.

Одна группа ученых допускает возможность их образования из старой, материнской митохондрии. Новые митохондрии возникают в результате деления ранее существовавших.

Другие ученые полагают, что митохондрии возникают всякий раз заново из простейших составных частей клетки. Их мнение основывается на опытах с популярным объектом для биологических исследований — морским ежом. Когда яйца морского ежа подвергали центрифугированию, то получали фракцию, не содержащую митохондрий. Однако через некоторое время в этих фракциях появились митохондрии.

Наконец, третья группа считает, что митохондрии образуются из полупроницаемых оболочек, пронизывающих внутреннее содержимое клетки. И эти представления опираются на экспериментальные факты. Подобную картину можно наблюдать, например, на бактериях. Сравнительно недавно к такому же заключению пришли исследователи, работающие с нервными окончаниями термолокаторов змей — специальных органов, воспринимающих инфракрасные лучи,

Прапрапрабабушка митохондрии

В 1890 году в Лейпциге была опубликована книга немецкого исследователя А. Альтмана "Элементарные организмы и их роль в клетке". А. Альтман был цитологом, специалистом по изучению строения и жизни клетки. Рассматривая клетку под обыкновенным световым микроскопом, исследователь пришел к заключению, что митохондрии очень напоминают простейшие микроорганизмы, которые способны к саморазмножению.

Прошло почти восемьдесят лет. Цитологи были теперь вооружены самой современной научной техникой. И вот в 1969 году американский исследователь М. Насса провел опыты, которые произвели сильное впечатление в мире ученых.

М. Насса работал с живыми клетками соединительной ткани лабораторной мыши, фибробластами. Эти клетки обладают одной необычной особенностью: они способны "поедать" чужеродные частицы. Фибробласт как бы обволакивает чужеродную частицу, образует вокруг нее пузырек и постепенно ее переваривает. Когда к фибробластам добавляли митохондрии, убитые нагреванием, клетки так и поступали. Образовывали вокруг мертвых митохондрий пузырек и переваривали их. Но если к клеткам соединительной ткани добавляли живые митохондрии, картина менялась: фибробласты захватывали живые митохондрии, но не переваривали их.

В растительных клетках есть образования, подобные митохондриям, — хлоропласты. Если к клеткам соединительной ткани добавляли хлоропласты, то они чувствовали себя там превосходно. Никаких попыток к их перевариванию не предпринималось, и через пять суток существования в чреве клеток соединительной ткани хлоропласты были по-прежнему жизнеспособны.

Возникает вопрос: насколько независимы от целой клетки митохондрии и хлоропласты? Ведь недаром некоторые исследователи полагают, что современные митохондрии из клеток млекопитающих — это далекие потомки одних из самых древних обитателей нашей планеты — бактерий. А хлоропласты? У них тоже есть столь же древние предки — простейшие водоросли. Такое предположение далеко не случайно. Между митохондриями и бактериями немало общих черт. Химический состав мембран бактерий и внутренних мембран митохондрий весьма близок.

Но, пожалуй, наибольшее впечатление произвели дальнейшие работы американского биохимика М. Нассы. Он и его сотрудники обнаружили в митохондриях свою особую дезоксирибонуклеиновую кислоту. В митохондриях "самая золотая из всех молекул" имела форму не двухнитевой спирали, а кольца. Но это была самая настоящая дезоксирибонуклеиновая кислота. И вот что важно: ДНК, имеющую форму кольца, находили только в бактериях. ДНК всех многоклеточных организмов имеет форму спирали.

А вот еще черты сходства. Лекарства, которые угнетают жизнедеятельность бактерий, обычно тормозят синтез белка. Эти же лекарства угнетали и синтез белка в митохондриях. Даже те участки в митохондриях, где происходит синтез белка, были похожи на "белковые фабрики" бактерий.

Конечно, было бы несправедливым не рассказать и о трудностях, с которыми встречается гипотеза бактериального происхождения митохондрий.

ДНК митохондрий, в сущности, генетический материал этих частиц. Так вот, она довольно-таки однообразна по своему строению. А из этого неумолимо следует, что ее будет "не хватать", чтобы отдавать "команды" для синтеза самых разнообразных белков митохондрий. Ее "хватит" на синтез только немногим более 30 белков, а ведь их в митохондрии значительно больше. Было подсчитано, например, что митохондрии способны синтезировать только 20 процентов собственного белка, а остальные 80 должны поступать извне, из жидкого содержимого клетки. А если так, "то этими 80 процентами "командуют" гены, находящиеся в ядре клетки.

Таковы некоторые возражения против гипотезы происхождения митохондрий из бактерий, и хлоропластов — из древних простейших водорослей.

Конечно, митохондрия — не бактерия. За многие миллионы лет эволюционного процесса исходная бактериальная форма, если она и была, претерпела существенные изменения. По-видимому, бактерии вступили в определенный тип мирного сосуществования с многоклеточными организмами и в результате этого изменились сами.

Как раздобыть энергию?

Возьмем какой-нибудь самый простой пищевой продукт, например, глюкозу. Если щепотку глюкозы сжечь в пламени, образуется значительное количество энергии. Но если бы энергия, заключенная в глюкозе, выделилась мгновенно, клетка погибла бы.

В жизни ничего подобного никогда не происходит. Миллионы и миллионы лет отрабатывалась "биологическая машина", в которой энергия высвобождается постепенно, маленькими порциями, а ее избыток откладывается впрок и особым образом консервируется.

Один из самых простых способов выработки энергии живой клеткой называется гликолизом. Глюкоза, как известно, продукт, сладкий на вкус. А термин "гликолиз" образован из двух греческих слов: "гликис" — сладкий и "лизис" — распад. Проще говоря, гликолиз — это распад глюкозы в живой клетке.

Как быть с избытком анергии? Предположим, энергия выделяется сейчас, а использоваться будет значительно позже. Или такая ситуация: энергия вырабатывается в одном месте, а потребляться должна в другом.

В процессе эволюции эти проблемы были разрешены самым удачным образом. В живой клетке избыток анергии накапливается в виде "универсального топлива", которое может быть использовано в любой момент. Таким универсальным топливом в клетке служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле этого соединения есть три остатка фосфорной кислоты. Для присоединения последнего, третьего, остатка требуется очень много энергии. Поэтому, когда он отщепляется, выделяется значительное количество энергии. Энергия из связанного состояния переходит в свободное.

Живой организм работает с разной интенсивностью: то мало — мы отдыхаем или спим, то очень много: спортсмен бежит марафонскую дистанцию.

Если возникает необходимость в небольших или умеренных нагрузках, выработка энергии идет с помощью гликолиза. Из глюкозы, состоящей из шести углеродных атомов, образуются две молекулы молочной кислоты, каждая из которых содержит три углеродных атома. Одновременно с этим синтезируется две молекулы АТФ. На самом-то деле образуется четыре молекулы АТФ. Но пока гликолиз проходит" до конца, две молекулы аденозинтрифосфорной кислоты расходуются снова, так что в конечном результате клетка получает две молекулы богатого энергией соединения.

Процесс гликолиза не так прост, как может показаться на первый взгляд. На пути превращения глюкозы в две молекулы молочной кислоты лежит длинная цепь химических реакций. В них участвуют 11 ферментов, и запускает в ход все эти реакции опять-таки аденозинтрифосфорная кислота.

Увы, при гликолизе образуется лишь незначительная часть энергии, всего-навсего 47 килокалорий. А вот если грамм-молекулу глюкозы окислить до конца, до углекислого газа и воды, то выделится уже 686 килокалорий энергии.

Гликолиз изучен достаточно хорошо. Он поражает своей логичностью. В процессе эволюции, растянувшейся на миллионы лет, гликолитическая машина оказалась отлично отработанной.

Как избежать "энергетический кризис"?

Нашему организму часто приходится выполнять работу, требующую большой затраты энергии. Гликолиз не может обеспечить энергией резко возросшую потребность клетки. Казалось бы, надвигается опасность "энергетического кризиса". Однако он, как правило, никогда не наступает. В клетке существует другой, еще более совершенный, еще более универсальный способ наработки энергии.

Клетки всех млекопитающих и человека получают большую часть энергии за счет процесса дыхания. В связи с этим один известный современный биохимик как-то в шутку заметил: гликолиз по выработке энергии так относится к дыханию, как слабосильный одноцилиндровый двигатель, установленный на велосипеде, к мощной реактивной турбине современного лайнера.

Слово "дышит" всегда ассоциируется в нашем понимании со словом "живет". И конечно, понятие "жить" всегда включает "дышать". Специалисты понимают под "дыханием" длинную цепь химических реакций, в результате которых образуется максимальное количество энергии, а ее избыток консервируется в виде аденозинтрифосфорной кислоты.

При дыхании источником энергии могут служить не только глюкоза, но и значительно более сложные химические соединения: белки, жиры и углеводы. Но, как бы ни были сложны эти вещества, все они превращаются в простое химическое соединение, состоящее всего из двух углеродных атомов — остаток хорошо известной многим уксусной кислоты.

Затем образовавшиеся остатки уксусной кислоты вступают во второй этап дальнейших превращений, который называется циклом Кребса, по фамилии известного английского биохимика.

Г. Кребс — один из классиков биохимии. Он ученик другого знаменитого ученого, О. Варбурга. В 1954 году Г. Кребс возглавил работу кафедры биохимии в Оксфордском университете, который славится своими научными традициями. Ученый широко известен блестящими работами в области изучения азотистого обмена. Он, в частности, выяснил механизм синтеза мочевины, важнейшего продукта обмена веществ в печени животных.

Еще работая в Кембридже, а потом в Шеффилде, Г. Кребс выполнил серию блестящих исследований по превращению лимонной кислоты, которая относится к так называемым трикарбоновым кислотам. Она играет важную роль в обмене углеводов, жиров и аминокислот в организме. Результатом этих исследований ученого стала фундаментальная теория обмена веществ в тканях, которая и была названа по имени автора циклом Кребса.

Основные результаты были опубликованы автором в 1937 году. Прошло немало времени, семнадцать лет. Работы Г. Кребса получили всеобщее признание, и в 1954 году за открытие цикла превращений лимонной кислоты ему была присуждена Нобелевская премия, одна из высших наград, которой отмечаются заслуги ученого.

Цикл Кребса — универсальная химическая система. Пожалуй, это главный, если не единственный, путь превращений остатков уксусной кислоты во всех тканях млекопитающих и человека. Он распространен среди многих микроорганизмов и у большинства растений.

В цикл Кребса входит не менее десяти последовательных химических реакций. "Главная задача" цикла — поэтапно отнимать водород от молекулы уксусной кислоты, образовавшейся на первом этапе процесса дыхания. В конечном итоге это приводит к образованию двух молекул углекислого газа и четырех пар атомов водорода.

На третьем этапе процесса дыхания должна произойти, казалось бы, простейшая химическая реакция: водород соединится с кислородом, и выделится энергия.

Однако если кислород и водород будут взаимодействовать быстро, произойдет мощный взрыв. Можно смешать в стеклянной колбочке кислород и водород и начать реакцию, пропустив через смесь электрическую искру. Результат будет плачевный: стеклянная колбочка разлетится вдребезги. Конечно, в домашних условиях такие опыты проводить ни в коем случае нельзя.

Нечто похожее, вероятно, произошло бы и с живой клеткой, если бы ее кислород и водород прореагировали с большой скоростью. Взрыва бы, конечно, не последовало, но клетка бы наверняка погибла. Чтобы этого не произошло, на третьем этапе процесса дыхания водород постепенно, маленькими порциями поступает от одного вещества — передатчика водорода к другому. Это специальные соединения, имеющие сложное химическое строение. Энергия освобождается тоже не сразу, а постепенно, частями, в нужном для клетки количестве, а ее избыток консервируется в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты.

Последний этап процесса дыхания, пожалуй, наиболее ответственный. Именно здесь энергия окисляемых веществ "перескакивает" в молекулу аденозинтрифосфорной кислоты. И как это происходит, конечно, заслуживает специального рассказа.

Секретная лаборатория митохондрий

Когда я был студентом биологического факультета Московского университета, мне крупно повезло. Я слушал лекции замечательных биохимиков и отличных педагогов, академиков С. Северина и В. Энгельгардта.

С. Северин блестящий лектор. И когда я был студентом, и сегодня, в наши дни, на его лекции приходят студенты других факультетов. В его изложении сухие биохимические схемы приобретают характер захватывающих рассказов о трудных дорогах научного поиска. Его лекции о гликолизе и процессах дыхания были динамичными и, я бы сказал, остросюжетными. Как-будто вы сами вместе с лектором распутывали сложный клубок биохимических реакций и становились соучастником и очередных сенсационных открытий, и очередных разочарований.

Представим себе, что мы на лекции. Она подходит к концу. На доске написана стройная цепь химических реакций. Кажется, все ясно и задача решена. Но лектор, как опытный кормчий, ведет аудиторию дальше. "Итак, — говорит он, — загадка процесса дыхания решена или, по крайней мере, близка к разрешению. Однако один маленький, но упрямый факт способен сразить, казалось бы, несокрушимую и даже элегантную гипотезу".

В это время звенит непрошеный звонок.

"Как развивались события дальше, — говорит спокойно лектор, — вы узнаете на следующей лекции".

Академик В. Энгельгардт не только один из создателей современной молекулярной биологии. Во всех областях биологической химии, в которых работали он сам и его сотрудники, сделан существенный вклад.

Необычно смелая научная идея о существовании самой тесной связи между процессами дыхания и образованием богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты была высказана им в начале тридцатых годов. Через несколько лет эта идея нашла полное подтверждение в работах ученых Дании и Советского Союза.

Мы уже знаем, что в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты есть три остатка фосфорной кислоты. Если их всего два, такую кислоту называют аденозиндифосфорной. Стоит к аденозиндифосфорной кислоте присоединиться еще одному остатку фосфорной, как получается уже знакомое нам и богатое энергией соединение — аденозинтрифосфорная кислота. Этот процесс биохимики называют специальным термином — фосфорилирование.

Теперь возникает законный вопрос: а где, в каком участке живой клетки это все совершается?

Сегодня ученые хорошо знают, что в митохондриях. Именно здесь идут одновременно процессы фосфорилирования и окисления. Эти два последних научных термина исследователи обычно объединяют и говорят так: образование аденозинтрифосфорной кислоты в митохондриях идет в результате процесса окислительного фосфорилирования, или, иными словами, что процессы окисления сопряжены с процессами фосфорилирования.

И все же самый тонкий механизм образования энергии оставался неясным. "Секретная лаборатория митохондрий" неохотно открывала свои двери перед исследователями. Трудно было объяснить, каким образом энергия, выделяющаяся при окислении, перемещается в молекулы аденозинтрифосфорной кислоты. Разгадкой этого занялись одновременно в нескольких лабораториях Советского Союза и за рубежом.

Пожалуй, наиболее интересные, систематические и оригинальные работы ведутся в лаборатории, возглавляемой талантливым воспитанником биологического факультета Московского университета В. Скулачевым. Но ни одно из научных, даже самых оригинальных, представлений не возникает на пустом месте. У каждого есть и своя предыстория. Имеет ее и точка зрения, отстаиваемая В. Скулачевым и его сотрудниками.

К тому моменту, когда стали формироваться взгляды ученого на природу образования энергии в митохондриях, в науке существовало уже несколько гипотез. Гипотезы рождаются и умирают. Только некоторые из них дорастают до теории и в таком виде существуют более или менее длительный период времени. Большинство гипотез быстро становится достоянием истории.

Пожалуй, одним из самых старых представлений является химическая гипотеза. Ее сторонники рассуждают примерно следующим образом. При окислении от молекулы отнимаются атомы водорода. Атом водорода, как и полагается, состоит из протона и электрона. Иными словами, окисление можно представить не только как отщепление и перенос атома водорода, но и как перенос электронов. Этот процесс сопровождается выделением энергии. По мнению сторонников химической гипотезы, всегда должно образовываться какое-то промежуточное химическое соединение. И именно в нем должна предварительно накапливаться энергия, которая затем консервируется в АТФ.

Химическая гипотеза объясняла многие экспериментальные данные. Но увы! В течение двадцати лет это таинственное промежуточное соединение, богатое энергией, так и не было найдено. Гипотеза не учитывала и другого важного наблюдения — процессы окислительного фосфорилирования могли идти только в митохондриях, у которых мембраны не повреждены. Объяснения этому явлению гипотеза не давала.

"Промежуточное соединение неизвестного химического строения искали и не находили так долго, что у некоторых исследователей закономерно возникла еретическая мысль: а может, его вообще не существует?

Откровенно говоря, автор новой химико-осмотической гипотезы П. Митчел так и думал. П. Митчел — ученый, которого редко встретишь в наше время коллективных исследований. Этот англичанин живет на своей ферме, занимается сельским хозяйством и... биохимией. Судя по всему, такая ситуация его вполне устраивает. Биохимия для него — любимая специальность, сельское хозяйство — средство к существованию.

Первые научные выступления П. Митчела, как и следовало ожидать, встретили более чем прохладно. Когда замахиваются на устоявшиеся представления, это обычно не вызывает восторга. П. Митчел считал, что при переносе атомов водорода (или соответствующих ему электронов) от одного вещества к другому образуется перепад концентраций ионов водорода. Это и служит движущей силой процесса фосфорилирования, при котором происходит наработка энергии.

Все было бы очень хорошо, но, к сожалению, гипотеза П. Митчела долгое время оставалась умозрительной. Ей явно не хватало подкрепления экспериментальным материалом.

Прошло некоторое время.

Упорную осаду биоэнергетической крепости начали ученые Московского университета. Опираясь на ряд рассуждений П. Митчела, сотрудники отдела биоэнергетики развили и обосновали оригинальное представление о биоэнергетическом мембранном потенциале.

Как мы уже знаем, митохондрии снабжены многочисленными мембранами. Биологические ускорители химических реакций, или, иными словами, ферменты, находятся в толще этих мембран. При окислении органических веществ атомы водорода (или соответствующие им электроны) перемещаются от одного фермента к другому. При передаче этих электронов стороны мембран заряжаются по-разному: наружная положительно, а внутренняя — отрицательно. Образуется электрический мембранный потенциал.

Летом 1972 года на одном из заседаний съезда Федераций европейских биохимических обществ, который проходил в городе Амстердаме, к В. Скулачеву подошел улыбающийся П. Митчел. Он признался, что не думал, что его концепция может быть так быстро и убедительно развита и доказана работами советских ученых.

Было бы несправедливым не упомянуть еще об одной гипотезе, пытающейся объяснить механизм окислительного фосфорилирования. Речь идет о так называемом механохимическом представлении.

Известно, что, если к митохондриям добавить, например, неорганический фосфат, они набухают. Если теперь к ним прилить аденозинтрифосфорную кислоту, то они снова сжимаются и выдавливают из себя воду.

Один из известных специалистов в области биоэнергетики, Д. Грин, заметил, что во время активно протекающего процесса окислительного фосфорилирования внутренняя часть митохондрий как бы сжимается. Исследователь высказал оригинальное предположение: при биологическом окислении энергия, освобождающаяся при переносе электронов,используется для перестройки мембран в новое состояние. В этот момент внутренние мембраны особенно богаты энергией, что является движущей силой окислительного фосфорилирования.

Несколько лет назад видного советского специалиста в области биоэнергетики В. Скулачева спросили, что еще нужно сделать для развития этого направления биохимии. Ученый сказал: "Я думаю, что нам надо спокойно дальше работать, и вслед за четким ответом на вопрос, "что происходит в митохондриях", который мы уже имеем, получить не менее четкий ответ на вопрос о том, "как это происходит". Это будет лучшим ответом нашим оппонентам".