Страница 14 из 140
Таким образом, за счет электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий внутри клетки или митохондрий совершается механическая работа, сопряженная с химическим синтезом.
На рисунке виден срез митохондрии (рис. 12). Внутри содержится матрикс и выросты (складки) — кристы, на которых и расположена АТФ-синтаза. Зачем нужны складки? Чтобы увеличить площадь поверхности. Количество складок внутри митохондрий зависит от того, насколько интенсивно ей приходится работать, сколько энергии нужно клетке. Митохондрии в клетках печени имеют гораздо меньше крист, чем, например, в клетках сердца.
В хлоропластах происходит точно такой же процесс синтеза АТФ, также работает АТФ-синтаза, как и в митохондриях, но источником протонного потенциала является уловленная энергия света. Там тоже есть складки, они называются тилакоидами. Только в хлоропластах все как бы вывернуто наизнанку. То есть протоны за счет энергии света накапливаются снаружи этих образований.
ДВИГАТЕЛЬ БАКТЕРИЙ
Перейдем к работе следующего молекулярного мотора — жгутика у бактерии.
Известно, что не все, но некоторые бактерии могут двигаться. Для того чтобы двигаться, они вертят хвостом, т. е. жгутиком. Если жгутиков несколько, то во время вращения они сплетаются в единый жгут, и вращаются, двигая бактерию, примерно как лопасти у катера (рис. 13).
Жгутик очень маленький, в световой микроскоп его трудно увидеть. Для того, чтобы проверить, действительно ли жгутик вращается при движении бактерии, бактериальную клетку за жгутик прикрепили к стеклу (рис. 14). В раствор добавили вещество, которое она любит, например, сахар, и она начала вертеться, потому что она явно хотела добраться до сахара, если не добавляли, то она вела себя более спокойно.
Для того, чтобы жгутик вращался, в его основании находится так называемое базальное тело, которое представляет собой электромотор (рис. 15). Его задача заключается в том, чтобы крутить жгутик. На рисунке изображена мембрана бактериальной клетки (желтая), и части мотора статор (синий) и ротор (зеленый). К ротору прикручен жгутик. Пока неизвестно, как именно передается движение, но в этой молекулярной машине есть свои подшипники, своя молекулярная смазка, и есть белок, в котором, также как и в АТФ-синтазе, имеются два протонных полуканала, смещенных друг относительно друга. И принцип вращения такой же: зарядка — перезарядка группы СООН в аминокислотах. Число протонов, которые должны «провалиться» в канал за время одной прокрутки жгутика — порядка тысячи; остальные параметры приведены ниже.
Движущая сила ∙ Электрохимический градиент (протонный Н+ или натриевый Na+)
Число протонов на оборот ~ 1000
Энергия, освобождаемая на ~ 25∙10-20 Дж
Максимальная скорость 300 Hz (протоны) 1700 Hz (ионы Na+)
Toraue at stall ~ 4∙10-18 Nm
Максимальная мощность ~ 10-15 W
К.П.Д. 50-100 % (stall) ~ 5 %(swimming cell)
Число шагов ротора на оборот ~50
Вот микрофотография жгутика и молекулярного мотора в основании этого жгутика.
В лекции использованы рисунки из Соросовского образовательного журнала[1].
ЛИТЕРАТУРА ПО ТЕМЕ ЛЕКЦИИ:
1. Соросовский образовательный журнал journal.issep.rssi.ru
2. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики// СОЖ 1997, № 1, с. 9–14.
3. Скулачев В.П. Электродвигатель бактерий. // СОЖ 1998, № 9, с. 2–7.
4. Виноградов А.Д. Преобразование энергии в митохондриях // СОЖ 1999, № 9, с. 11–19.
5. Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии.// СОЖ. 1997, № 7, с. 10–17.
6. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. Часть 1. Вращающиеся моторы живой клетки // СОЖ. 1999, № 6, с. 8–16
7. В.П.Скулачев Рассказы о биоэнергетике. Серия "Эврика". М. 1982.
Более подробно
1. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Р. и др. Основы биохимии. М.: Мир, 1981.
2. Скулачев В.П. Аккумуляция энергии в клетке. М.: Наука, 1969.
3. Скулачев В. П. Мембранные преобразователи энергии. М.: Высш. шк., 1989.
4. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989.
5. Алберте Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. 2-е изд. М.: Мир, 1994. Т. 1.
6. Николс Д. Д. Биоэнергетика: Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985.
Строение биополимеров
ЛЕКЦИЯ № 4
Тема нашей сегодняшней лекции — биополимеры.
Для того чтобы выяснить, как устроены молекулы, образующие клетки, какова структура молекул, где они находятся в клетке, мы сначала вспомним строение клетки. Вспомнив, из чего состоит живая клетка, и какие функции выполняют те или иные органеллы, мы сможем заполнить следующую табличку. Оказывается, можно провести интересную аналогию с элементами, выполняющими схожие функции у живых организмов и государств. Выделим следующие функции:
* защиты (внешнюю и внутреннюю);
* транспортную (веществ и информации);
* обеспечение клетки энергией и веществами;
* хранение и передача информации.
За внешнюю защиту у клеток отвечает клеточная мембрана; у организмов — кожа, когти, перья, шерсть; у государств — погранвойска. Внутреннюю защиту клеткам обеспечивает система рестрикции-модификации. Для примера приведем бактериальную клетку. У нее есть специальные ферменты — рестриктазы (в пер. с англ. «ограничивать»), которые разрезают чужеродную ДНК. На собственных ДНК есть специальные химические метки, чтобы рестриктазы смогли их распознать. У организмов в качестве внутренней защиты существует иммунная система, а у государства — МВД, ФСК.
Структурные и функциональные аналогии в строении различных систем
Обеспечением энергией в животных клетках занимаются митохондрии, а в растительных — хлоропласты, в организмах — пищеварительная и дыхательная системы, в государстве же — организации типа Газпрома и АЭС. Обеспечение клетки веществами идет благодаря трансмембранным каналам, лизосомам, в организме — пищеварительной системе, а в государстве — сельскохозяйственной и др. промышленности.
Хранение и воспроизведение информации на клеточном уровне идет в ядре посредством ДНК, в организме эту функцию имеет мозг, центральная нервная система, в стране — школы, библиотеки, культура, искусство.
Транспортируются вещества в клетке благодаря эндоплазматической сети, в организме — желудочно-кишечному тракту, дыхательной системе, крови; в стране — нефте- и газопроводам, транспорту. Что же касается передачи информации, то в клетке этим занимается матричная РНК; в организме — нервы и гормоны (нервногуморальная система). Причем хочется отметить, что нервную систему можно сравнить с адресной доставкой (человек может получить письмо лично, и никто больше об этом не узнает), то есть по нервам можно доставить информацию очень точно к определенной мышце или определенному органу. А гормональную систему можно сравнить со СМИ, то есть она работает как система всеобщего оповещения. В государстве за информацию отвечают почта, телефонная сеть, Интернет и др.