Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 19)
— Красивый эксперимент, — согласился сам автор. Опыт действительно красивый и убедительный.
Стрелка вольтметра то ползет вправо, то падает до нуля. Сначала митохондрии «кормят», потом засыпают вещества, мешающие ферментам усваивать корм. Поэтому то возникает, то пропадает электрическое поле, поэтому перемещается по воле экспериментаторов стрелка вольтметра.
Для полной убедительности эту же процедуру проделали с субмитохондриальными частицами, появившимися из митохондрий, разбитых мощными ударами ультразвуковых импульсов.
Опыт был контрольным, поскольку было известно, что в этих частицах мембраны вывернуты наизнанку. И действительно опыты показали, что частицы СМЧ втягивают ионы другого знака по сравнению с целыми, нерасчлененными митохондриями.
Все правильно, все убедительно. С помощью проникающих ионов в лабораториях В. П. Скулачева и Е. А. Либермана таким образом доказано, что мембранный потенциал образуется в самых разнообразных мембранах живых клеток. Нужно лишь одно — чтобы там происходило окисление.
Как будто нет ничего очевиднее.
— Дело сделано, — сказал энтузиаст Либерман. — Опыты прямые, подтверждение полное.
— Нет, этого мало, — ответил скептик Скулачев. — Нужны еще более очевидные доказательства. Попробуем измерить электрическое поле непосредственно на мембране.
И в его лаборатории появился немногословный радиофизик Лель Александрович Драчев, который до того времени биохимией не интересовался и не подозревал, что ему придется заниматься столь странными для физика измерениями.
Теперь уже Либерман стал постоянным то восторженным, то скептическим зрителем всего, что происходило и на первом этаже, где шли измерения, и наверху, где биохимики ухитрились создать почти полное подобие митохондрий, заполнив искусственную мембрану в основном так, как это делает сама природа.
Однако просто зрителем Либерман, разумеется, не был, а сразу же стал самым активным участником событий, так как к этому времени обе лаборатории уже выступали в столь тесном содружестве, что порой трудно было выяснить, кто первый предложил ту или иную идею, тот или иной эксперимент.
И третий раз суждено мне следить за стрелкой вольтметра.
Как-то странно говорить об этом в век изощренной экспериментальной техники, когда измерительные установки порой напоминают целые заводы.
А здесь основной прибор — классический вольтметр, хотя эксперименты — поистине шедевр изобретательности физиков и филигранной ювелирной техники биохимиков.
Все начинается с «кухни», все начинается наверху, куда привозят основной продукт — сердце быка.
Я сижу внизу, я не вижу работы биохимиков, а если даже и увижу, то все равно ничего не пойму. Что поделаешь — специфика!
Выручают великолепные слайды, приготовленные для популярной лекции. И, являя в единственном числе возможную аудиторию, я их терпеливо разглядываю, мысленно повторяя все операции, что предшествовали появлению в измерительной установке искусственной мембраны с вкрапленными в нее ферментами.
Итак, о «кухне».
С бойни поступает сердце быка. Через некоторое время его мельчайшие частички уже заправлены в центрифугу. Начинается вращение центробежного механизма, разбивающего сложный комплекс различных веществ по фракциям. Одна из них — митохондрии, содержащие фермент — цитохромоксидазу, главного участника всех последующих событий.
В дело вступает ультразвуковая дробилка. Мощные удары неслышимых звуковых волн разрушают митохондрии, нарушая их стабильность, освобождая ферменты. Но, чтобы изъять из образовавшейся смеси цитохромоксидазу, надо использовать особое вещество, называемое детергентом, своего рода мыло для ферментов. Как обычное мыло окружает частички грязи и снимает их с наших рук, так и молекулы детергента обволакивают частички митохондрий, содержащие ферменты, и отделяют их от всего остального. Таким образом, цитохромоксидаза поймана. Она в окружении молекул детергента.
К этой смеси добавляют фосфолипиды — материал для искусственных мембран.
Операция продолжается. Чтобы избавиться от сыгравшего свою роль детергента, смесь процеживают сквозь целлофановый мешочек. Мелкие молекулы проскакивают, крупные, то есть смесь фермента и фосфолипида, остаются и слипаются, образуя своеобразные пузырьки. Затем эти пузырьки с помощью ионов металла натрия «приклеивают» к плоской искусственной мембране.
Так с одной ее стороны появляются новые ферменты, нашедшие пристанище в пузырьках.
Кроме того (на слайдах этой операции нет, так как ее освоили лишь недавно), биохимики сооружают теперь плоские искусственные мембраны, куда встроены в хаотическом беспорядке частицы бактериородопсина. Процесс чрезвычайно трудоемкий, и нужны поистине «золотые руки», чтобы его освоить. Такие мембраны часто лопаются, так как ферменты упорно не желают располагаться внутри искусственно созданного «помещения». Поэтому потрудиться пришлось немало. Но упорство всегда себя оправдывает, если сопряжено с четким научным обоснованием всех технологических приемов. Правда, тогда оно называется экспериментальной школой!
Существуют в истории науки классические образцы физических опытов, элегантная простота и наглядность которых чудесным образом рассеивала все сомнения, полностью проявляя физический смысл происходящего. Подобные эксперименты были решающими для становления новых отраслей науки. Они становились исходными рубежами, точкой отсчета времени, с которого новая отрасль начинала свое самостоятельное и всеми признанное существование.
Это, несомненно, магнитная стрелка датского ученого Эрстеда — первый сигнал о рождении электромагнетизма и хитроумный прибор замечательного русского физика П. Н. Лебедева, однозначно определивший существование светового давления.
Таковы для современной биохимии изящные измерения, что идут в лаборатории биоэнергетики МГУ.
Первые опыты уже стали достоянием истории. Мембраны с подклеенными пузырьками свое дело сделали. Сейчас настала очередь мембран плоских, нашпигованных цитохромоксидазой.
Идет контрольный эксперимент.
В центре измерительной установки, в сердце ее, ферменты сердца быка. Стеклянный сосуд разделен тончайшей искусственной мембраной на два отсека. В каждом — раствор электролита, в каждом — электрод, соединенный с клеммой милливольтметра.
Задача электродов — дать сигнал о том, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления превратилась в электрическую.
Но пока все спокойно. Ферменты ждут своего часа. Мембрана плоская, и они расположились с двух сторон ее. Условия существования одинаковые. Миниатюрные электрические батареи, разбросанные то там, то тут, вкрапленные в мембрану, разобщены. Стрелка прибора мирно покоится на нуле.
Из равновесия схему выводит «пища», поступающая на одну из сторон мембраны. Ферменты, расположенные там, жадно поглощают предложенный им витамин С — аскорбиновую кислоту. И начинают вырабатывать электрическую энергию. Теперь-то это стало очевидным, так как стрелка чуткого прибора тотчас же фиксирует начало энергетического процесса. Щедрая рука с помощью пипетки добавляет витамин С, пища поглощается ферментами, растет запас электричества, который хорошо сохраняет естественный конденсатор природы — мембрана. И движется вправо стрелка вольтметра.
И тут на сцене появляется другая пипетка. Первая несла ферменту пищу, несла жизнь. Вторая содержит смертельный яд — раствор небезызвестного цианистого калия. Экспериментаторы действуют, подобно злодею из мелодрамы. Цианистый калий подавляет ферменты, препятствует их работе. И молекулы цитохром-оксидазы, до этой поры исправно вырабатывавшие электричество, прекращают свое занятие, хотя «пищи» у них хоть отбавляй. Ферменты уже не воспринимают аскорбиновую кислоту, они мертвы. И застывает стрелка вольтметра!
Тем временем с помощью очередной капли витамина включаются в работу ферменты противоположной стороны мембраны и, в свою очередь, замирают, подавленные ядом.
Простота и наглядность этого удивительно неприхотливого эксперимента с его тончайшей биохимической подготовкой буквально поразила ученых всего мира.
Кроме цитохромоксидазы и бактериородопсина, преобразующего световую энергию, ученые обнаружили еще два фермента, играющие в живых клетках роль топливных элементов. Это — бактериохлорофилл, «пищей» которого являются световые лучи, и так называемая Н+АТФ-аза, способная превращать в электричество химическую энергию субстрата, которым являются молекулы АТФ, что, кстати говоря, доказывает обратимость системы!
Основные контуры теории определились, таким образом, полностью. Живая клетка располагает двумя формами унифицированной энергии— химической (АТФ) и физической (мембранный электрический потенциал). В разных участках мембран митохондрий располагаются своеобразные топливные элементы — электрические генераторы, преобразующие энергию окисления «пищи» в электрическую. Все эти источники тока включены параллельно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из них, тотчас же становится достоянием всей мембраны. Клетка может использовать ее, как ей заблагорассудится. Может совершить химическую работу, изготовив молекулы АТФ. Может поработать механически, затянув внутрь мембраны различные вещества.