Постановка и формулировка проблемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Постановка и формулировка проблемы

В великом долгу все живое перед "хлорофилловым зерном". Именно здесь заканчивается космическое путешествие кванта солнечного света и начинается пора земных его похождений, сложных превращений его энергии. Результат этих превращений - жизнь. Очевидная аксиома: жизнь не может существовать и развиваться без поступления энергии извне. Сейчас уже можно описать основные принципы способа, с помощью которого живое обеспечивает себя энергией. Все, что нужно для этого: поймать и обуздать непоседливый квант солнечного света, направить его энергию на биосинтез органических соединений. И, если необходимо, окислить эти соединения, добыть запасенную в них химическую энергию и направить ее по назначению. На самом деле, способ только теперь, кажется, прост, и легко забыть, что почти два века понадобилось человечеству для понимания этой простоты. энергия биохимический реакция

Теперь-то мы знаем, что выделение кислорода растениями - результат их фотосинтетической деятельности, а поглощение его животными - тканевое дыхание, окисление питательных веществ. А все вместе взятое - энергетический цикл в живой природе. Именно он определил полную зависимость животных от растений: чтобы жить, животные должны переварить массу "зеленой пищи". А образуется эта масса в процессе фотосинтеза, сущность которого заключается в улавливании энергии квантов солнечного света и использовании ее для образования органических Веществ из углекислого газа и воды. Тот кислород, который выделяют растения - водного происхождения, он получается при разложении воды под действием света.

Цель работы - исследование энергии и жизни.

Краткий исторический обзор проблемы

Решение проблемы преобразования солнечной энергии - это, прежде всего, решение вопроса о том, каким образом энергия богатых энергией электронов трансформируется в энергию химических связей АТФ,- основного вопроса биоэнергетики.

Оптимисты упорно верили в возможность ближайшего решения проблемы, пессимисты - нет. Тогда, в 1966 году, график стремительно мчался вниз, отражая собой крайний пессимизм, охвативший большинство исследователей. Казалось, что надежды повернуть упрямую кривую вверх полностью исчерпаны. Чрезвычайно популярная среди биохимиков в то время "химическая" гипотеза фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, не могла этого сделать. Более того, она постоянно разочаровывала, не в силах справиться с объяснением экспериментальных фактов. Сторонники "химической" схемы энергетического сопряжения полагали, что энергия, выделяющаяся при переносе электронов, переходит в молекулу АТФ при посредничестве промежуточных высокоэнергетических соединений. Решить проблему, по их мнению, означало найти и охарактеризовать эти соединения.

Шли годы, а соединения, обозначенные на схеме символами неизвестных, оставались неразгаданными.

А в это время на юго-западе Англии, в маленькой лаборатории, созданной на собственные средства, колдовал над митохондрией Питер Митчелл. Он не мог двинуть в поход за тайной фосфорилирования утонченную современную технику и тщательно изучал данные, полученные с помощью заурядного рН-метра, прибора, настроенного на измерение концентрации ионов водорода. Этот прибор, далеко не чудо измерительной техники, является неизменным атрибутом любой биохимической лаборатории. Состоялось очередное подтверждение старой истины: техника, сколь совершенной она бы ни была, сама по себе в науке бессильна; оригинальность мысли, умение обратить внимание на факты, мимо которых прошли многие,- вот ее истинный двигатель.

К 1966 г. Митчеллом были опубликованы первые свидетельства в пользу своей гипотезы, о которой он впервые заявил еще в 1961 г. Тогда она прошла практически незамеченной. С одной стороны - привычка оперировать знакомыми схемами, с другой - законная осторожность, вызванная необычайной плодовитостью биоэнергетиков того времени на гипотезы энергетического сопряжения.

В 1966 г. на съезде Федерации европейских биохимических обществ состоялось и первое публичное обсуждение предположений Митчелла в кругу ведущих специалистов... и они были отвергнуты. И кто из самых яростных оппонентов Митчелла мог тогда предположить, что всего лишь через 12 лет автор этих, как их назвали, "фантастических" предположений будет удостоен Нобелевской премии, выдающегося признания его заслуг! Идеи Митчелла отпугивали своей сложностью и новизной подхода, но, надо признать, и значительно привлекали. И, прежде всего многообразнейшими возможностями их проверки. В соответствии со взглядами Митчелла фотосинтетическая цепь переноса электронов в хлоропластах и хроматофорах или дыхательная цепь в митохондриях особым образом перешнуровывает мембрану этих органелл, петляя от одной ее поверхности к другой. Перенос электронов по цепям ферментов, ориентированных таким способом, сопровождается транспортом положительно заряженных ионов водорода-протонов через мембрану, что неизбежно приводит к возникновению разности электрических потенциалов по две ее стороны.

Любопытно, но до Митчелла роль мембраны в энергетическом сопряжении практически не учитывалась. То, что эти процессы протекают в мембране, воспринималось скорее как случайность, а не неизбежность. С другой стороны, не придавалось большого значения и высокой упорядоченности мембран, трансформирующих энергию, тому порядку, с которым уложены в мембране молекулы ферментов и фосфолипидов.

Указания на то, что комплексы ферментов, преобразующих энергию, располагаются в мембране не беспорядочно, были получены и раньше. К примеру, было ясно, что молекулы хлорофилла в хлоропластах расположены в особых упорядоченных структурах, гранах, которые соединяются между собой и образуют своеобразные стопки, наподобие пластинок в электрической батарее. В этом исследователи видели, и вполне справедливо, одну из причин высокой эффективности фотосинтеза, закономерного и последовательного характера его процессов.

Необходимость упорядоченной структуры сопрягающих мембран - тех, в которых локализованы трансформаторы энергии, становится еще более очевидной с точки зрения Митчелла. Образование мембранного потенциала оказалось бы невозможным без особой организации ферментов цепей переноса электронов внутри мембраны, которая бы обеспечила векторный транспорт электрических зарядов через мембрану. И как следствие этого - асимметричность мембраны, ее анизотропия. Отсюда становится ясным, почему отдельные составные компоненты полиферментных комплексов, к каким относятся и цепи переноса электронов, должны располагаться на одной поверхности мембраны, а другие - на другой. Очевидно, что только в этом случае произойдет разделение зарядов в масштабе мембраны при протекании окислительно-восстановительной реакции между двумя отдельными ферментами.

Так становится очевидным, что постулируется существование промежуточного этапа преобразования энергии солнечного света или питательных веществ: энергия, каково бы ни было ее происхождение, сначала обязательно превращается в электрическую, а затем трансформируется в химическую, в энергию АТФ.

Основное содержание проблемы, методы ее решения

За год растения суши и океана манипулируют колоссальными количествами вещества и энергии: они усваивают 1,5x1011 т углекислого газа, разлагают 1,2x1011 т воды, выделяют 1011 т кислорода и запасают 6x1020 калорий энергии Солнца в виде химической энергии продуктов фотосинтеза. И без любого из этих продуктов немыслима жизнь. Вот почему в долгу живое перед хлорофиллом, своеобразными воротами, через которые энергия Солнца входит в мир живых клеток. Интерес к исследованиям механизма фотосинтеза всегда огромен. Слишком важное место занимает он в жизни, слишком большие надежды связывают ученые с его пониманием. И что привлекает в механизме фотосинтеза прежде всего? Конечно же, высочайшая эффективность преобразования солнечной энергии, не имеющая никаких аналогов в современной технике.

Многообразен мир фотосинтезирующих организмов. Разнообразны виды растений и водорослей. Причудливы формы жизни бактерий - эволюционных предков растений. Незначителен удельный вес бактерий в фотосинтетической продукции, но интерес к ним велик. И прежде всего благодаря относительной простоте устройства фотосинтезирующего. аппарата. Зеленые и пурпурные бактерии (названные так за их окраску) не расщепляют воду, как это делают растения, не выделяют кислород и поэтому лишены целого ряда ферментов, занимающихся этим нелегким делом. Вместе с тем принципы преобразования световой энергии в химическую энергию органических соединений у бактерий, водорослей и растений, по-видимому, существенно не различаются. Все это дает надежду на более полное описание механизма действия фотосинтезирующего аппарата, прежде всего у бактерий. Логика поиска: от простого к сложному. Попробуем ограничить себя и рассказать в основном о механизме бактериального фотосинтеза.

Для ученых принцип энергообеспечения, о котором мы уже упоминали, может показаться не совсем логичным для непосвященных. В самом деле, стоило ли монтировать громоздкую систему преобразования энергии солнечного счета в энергию химических связей органических соединений? Ведь, как известно, для того чтобы обеспечить себя энергией, живые организмы все равно будут вынуждены расщепить их, извлечь их энергию и направить ее для получения аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) - универсального энергетического донора биохимических реакций. А нельзя ли использовать солнечные кванты непосредственно, внедрить их энергию прямо в биохимические процессы? Увы, нет! И виной тому, прежде всего, мимолетность жизни кванта солнечного света. Он жив, пока светит Солнце. А жизнь клеток не может останавливаться на заходе Солнца и возрождаться вместе с восходом. Энергия нужна клеткам постоянно. Непостоянную энергию солнечного кванта необходимо стабилизировать. Нужен аппарат укрощения его энергии.

И, конечно, он существует. Все процессы преобразования энергии солнечного света происходят в специализированных мембранных структурах - в хлоропластах у растений и в хроматофорах у бактерий - энергопреобразующих органеллах фотосинтезирующих организмов. А начинаются эти процессы, как мы уже знаем, в молекуле особого пигмента - хлорофилла. В хлоропластах и бактериальных хроматофорах содержатся две фракции хлорофилла, различающиеся по своим свойствам. Больше всего хлорофилла (98% или более от его общего количества) занимается светосбором. Это так называемая хлорофильная молекулярная антенна.

Название необычное, но весьма точное. Равномерно распределенный в мембране органелл, хлорофилл молекулярной антенны, как это следует из его названия, настроен на прием квантов солнечного света. Попав в молекулу хлорофилла, кванты "заряжают" некоторые электроны хлорофилла своей энергией, которые мгновенно переходят на новый, более высокий энергетический уровень. Такие "возбужденные" электроны, вполне естественно, стремятся избавиться от избытка энергии и перейти в свое прежнее, более устойчивое энергетическое состояние. И вот здесь-то раскрывается другая функция молекулярной антенны: передача энергии молекулам другой, меньшей фракции хлорофилла - молекулам хлорофильных реакционных центров.

Выделение хлорофильных реакционных центров бактерий в чистом виде, проведенное сравнительно недавно, несомненно, одно из крупных достижений в исследовании структуры и функций фотосинтезирующего аппарата. И достигнут этот успех был благодаря использованию поверхностно-активных веществ - детергентов, способных внедряться в толщу белковофосфолипидных мембран энергопреобразующих органелл и извлекать из них хлорофилл-белковые комплексы. Мембраны отдают в раствор свои компоненты, а дальнейшее выделение чистых ферментов - дело биохимической технологии. Биохимическими методами отдельно получены и комплексы реакционных центров, и комплексы светсобирающей антенны. Появилась возможность подробно изучить состав реакционных центров - того самого святилища, в котором совершаются первичные процессы аккумуляции энергии Солнца.

Оказалось, что в состав реакционных центров входит белок, состоящий из трех частей - субъединиц, четыре молекулы бактериохлорофилла, две молекулы другого пигмента - бактериофеофитина, одна-две молекулы специального переносчика зарядов - убихинона и один атом железа. Такой комплекс и преобразует дальше энергию "возбужденных" электронов.

Примерно 50 молекул антенны передают свою энергию на одну молекулу реакционного центра. В этой молекуле как бы фокусируется энергия, полученная от десятков молекул антенны. И результат такого обилия энергии неизбежен: включается реакция разделения зарядов. Бактериохлорофилл отдает свой богатый энергией электрон через бактериофеофитин на первичный акцептор "возбужденных" электронов, которым, по-видимому, является комплекс железа и убихинона. Так разделяются заряды: бактериохлорофилл теряет электрон - заряжается положительно, а первичный акцептор его получает, он приобретает отрицательный заряд. Трудно представить себе времена, за которые происходит эта реакция - примерно 10-10 с.

Но это только начало. Стабилизация энергии еще не произошла. Электрон готов в любое время вернуться в исходное состояние. И, конечно, его энергия была бы потеряна безвозвратно. Так происходит в пробирке с выделенным хлорофиллом, очищенным от других компонентов, которые принимают участие в дальнейшей судьбе "возбужденного" электрона. Хлорофилл в пробирке светится и его флуоресценция не что иное, как самопроизвольное испускание энергии в той форме, в которой она была получена - в виде света.

И чтобы этого не произошло, действует комплекс окислительно-восстановительных ферментов, которых лишен очищенный хлорофилл. В неповрежденных мембранах фотосинтезирующих органелл реакционные центры упакованы в тесном взаимодействии с комплексом окислительно-восстановительных ферментов - фотосинтетической цепью переноса электронов. Это убихинон, цитохромы - белки, содержащие железо, соединенные между собой последовательно, перехватывающие электрон у первичного акцептора и передающие его друг другу. В процессе такой эстафетной передачи богатый энергией электрон также теряет свою энергию, но теперь он это делает постепенно, небольшими порциями, которые, в свою очередь, используются на синтез АТФ. Выжав из электрона избыточную энергию, цитохромы возвращают его на прежнее место в молекулу бактериохлорофилла. Он вновь готов принять очередную порцию энергии.

Очевидно, в этой общей схеме кроется немало различных загадок, но самая важная из них, несомненно, загадка трансформации энергии, которая выделяется при переносе электронов по фотосинтетической цепи, в энергию химических связей АТФ. Именно этот процесс и является основным в деле запасания и стабилизации солнечной энергии. Природа избрала АТФ на роль своеобразной энергетической валюты, которой оплачивается практически любая функция в живом организме, нуждающаяся в энергии. Центральное место АТФ в энергетике клетки определяется тем, что именно на использование ее энергии настроены в ходе эволюции биохимические процессы. И в этом проявляется еще одна из многих мудростей живого - образование унифицированной формы энергии, такой ее формы, которая могла бы быть использована в самых разных процессах.

Уникальные свойства АТФ не являются чем-то мистическим. Способность аккумулировать энергию определяется природой ее химических связей, своеобразием их электронных взаимодействий. В этой молекуле связаны воедино пять компонентов: два из них органического происхождения - аденин и сахар, рибоза и три - неорганического, остатки фосфорной кислоты. При синтезе АТФ, так называемом фосфорилировании, к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ), содержащей два остатка фосфорной кислоты, присоединяется третий остаток. Этот остаток невозможно присоединить, не затратив энергии, которая трансформируется в энергию связи между двумя остатками и "заряжает" электроны, образующие эту связь. Гидролиз АТФ, разрыв ее высокоэнергетической связи сопровождается выделением той энергии, которая была затрачена на ее образование. Если гидролизовать АТФ в пробирке - энергия рассеется в виде тепла. В клетке энергия передается совместно с остатком фосфорной кислоты, который присоединяется к молекуле какого-либо фермента, катализирующего биохитгеческую реакцию, и активирует ее своей энергией.

Связь исследуемой проблемы со смежными проблемами

Нетрудно заметить, что неуловимый высокоэнергетический интермедиат электротранспортного фосфорилирования, предмет давнего вожделения сторонников "химической" схемы, приобретает зримые очертания. Это не что иное, как то самое электричество, которое уже давно используется человеком в качестве посредника при любых превращениях энергии. Электрическая энергия, это мы хорошо знаем, обладает массой различных достоинств. Ее легко, при наличии, конечно, соответствующих трансформаторов, можно превратить в другие виды энергии - в тепловую, световую, химическую.

Даже при поверхностном знакомстве с идеями Митчелла ясными становятся шаги, которые можно было бы предпринять для их проверки. И, разумеется, прежде всего, необходимо ответить, действительно ли энергия, выделяющаяся при переносе электронов, преобразуется в электрическую. Это не только центральный постулат Митчелла - доказательство существования электрического потенциала на мембранах энергопреобразующих органелл перевернуло бы наши представления о путях трансформации солнечной энергии и энергии питательных веществ в живых клетках, сдвинуло бы с мертвой точки решение проблемы о движущей силе ионов и продуктов обмена веществ через мембрану, что само по себе имеет немаловажное значение.

Большего успеха достигли исследователи на биологическом факультете МГУ под руководством Ф. Ф. Литвина и Г. А. Куреллы. В качестве объекта для микроэлектродного измерения мембранного потенциала ими были использованы относительно крупные хлоропласты, выделенные из специальных видов растений и обладающие диаметром до 25 мк. Введение электрода в такой хлоропласт оказалось менее "болезненным" для него, и он был способен проявлять исходные свойства. В связи с непригодностью микроэлектродного метода пришлось сосредоточить усилия на исследовании процессов, хотя бы косвенно указывавших на образование мембранного потенциала. Это вполне возможно, если научиться следить за перемещением заряженных частиц в среде, где работают органеллы, выделенные из клетки. Логика ясна: если внутрь частиц пойдут положительно заряженные ионы, значит, внутри - минус, если отрицательные - плюс. И наоборот.

Именно такие эксперименты, поставленные Митчеллом, и дали первые свидетельства образования мембранного потенциала в митохондриях. Лабораторный рН-метр помог ему зарегистрировать появление в среде ионов водорода при работе дыхательной цепи.

Более корректный метод был разработан в нашей стране под руководством Е. Либермана и В.П. Скулачева. Электрическая схема митохондрий, хлоропластов и хроматофоров исследовалась с помощью синтетических ионов, различающихся по своей природе и знаку заряда, но сходных в одном: все они легко проникали через фосфолипидные мембраны. Это весьма важное свойство, которое позволяло им быть чуткими индикаторами изменений электрического поля на мембране.

В 1973 г. все с интересом слушали об удивительном открытии американца В. Стокениуса, с которым В.П. Скулачев познакомился в США на одной из конференций по биоэнергетике. В. Стокениус описал необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в просоленных, неуютных Калифорнийских пустынь. Названный бактеином, этот белок был очень красив. Почти пурпурный определял окраску не только бактерий, но и озер, давших им приют. Он относительно прост по строению и тем не менее загадочен, поскольку ретиналь, входящий в его состав, придает ему сходство со зрительным тарентом наших глаз - родопсином, ответственным за восприятие световых сигналов.

Практическое значение проблемы, ее применения

Участие бактериородопсина в энергетическом сопряжении изящно продемонстрировали Рэкер и Стокениус. В одних протеолипосомах они объединили, кажется, несовместимое: бактериородопсин бактерий, АТФсинтетазу митохондрий и фосфолнпиды растений. И, тем не менее, образовался дружный ансамбль, способный синтезировать АТФ при включении света. С точки зрения сторонников "химического сопряжения", комбинация немыслимая, но вполне возможная с точки зрения сторонников хемиосмотических представлений, согласно которым синтез АТФ запускается электричеством, каково бы ни было его происхождение. Это и подтвердилось в эксперименте. Так что же: бактериородопсин - еще один белковый генератор электрического тока?

Решение проблемы прямых вольтметрических измерений мембранного электричества оказалось неожиданно простым: плоская мембрана инкрустировалась белком протеолипосом, которые связывались с ней с помощью кальция или других катионов. Включение света - и перо самописца, соединенного с вольтметром, рисует кривую генерации разности электрических потенциалов на плоской мембране. Очередной щелчок выключателя - и потенциал, рассеиваясь, исчезает. Сомнений нет, бактериородопсин работает как генератор электрического тока.

Высокая стабильность бактериородопсина (он не теряет своей активности при нагревании до 100° и хранится в холодильнике месяцами - вот уж действительно "не боится ни жары и ни холода") давала надежду на его прямое встраивание в плоскую фосфолипидную мембрану без помощи протеолипосом. С ним можно манипулировать как угодно долго. И еще одно удобство работы с этим замечательным белком - свет в качестве источника энергии.

В самом деле, плоская искусственная мембрана - создание нежное и боится малейших колебаний окружающей среды. Добавление в среду веществ превращается в целую проблему. Мембрана безжалостно рвется, зачеркивая тем самым усилия многих часов работы. Свет - совсем другое дело. С ним можно экспериментировать без особого риска.

Совокупность всех этих достоинств и позволила Л.А. Драчеву и его сотрудникам в лаборатории В.П. Скулачева в относительно короткое время подобрать условия, при которых бактериородопсин непосредственно вкраивался в плоскую мембрану и работал как светозависимый генератор электрического тока. Так удалось показать, что кроме бактериородопсина молекулярными генераторами электричества являются цитохромоксидаза и трансгидрогеназа митохондрий. Генератором оказалась и АТФсинтетаза, если ее заставить работать в обратном режиме, не на синтез, а на гидролиз АТФ.

Перспективы и выводы

Итак, "ненаучная фантастика" о существовании молекулярных белковых генераторов электрического тока в живых клетках стала научной реальностью. Однако утверждение основных принципов хемиосмотической теории энергетического сопряжения не сняло с повестки дня вопрос о выяснении молекулярных механизмов трансформации энергии. Этот вопрос стал еще более актуальным, так как наметились реальные перспективы для его решения.

С новых позиций ведется сейчас конкретизация механизмов действия каждого отдельного преобразователя энергии. По словам В.П. Скулачева, именно в этом заключается в настоящее время задача биоэнергетической науки. Задача непростая. И, учитывая это, будущее, по-видимому, будет принадлежать исследователям, объединенным вместе для решения общей проблемы. Важнейший прикладной аспект проблемы - применение полученных знаний для создания новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать энергию с высокой эффективностью. Недавние исследования, проведенные под руководством В.П. Скулачева в группе Л.А. Драчева, продемонстрировали возможности создания электрических элементов на основе белковых генераторов электрического тока. Как показали последующие эксперименты, белковыми генераторами электрического тока являются и компоненты системы преобразования энергии "возбужденных" электронов в хлоропластах растений. Протеолипосомы, нашпигованные зеленым хлорофиллом, выделенным из протертых листьев гороха М. Ильиной, при освещении давали фототок точно так же, как это происходило и в случае использования бактериального хлорофилла. Теперь совершенно ясно: весь смысл первичных преобразований солнечной энергии заключается в генерации электрического потенциала, энергия которого и используется впоследствии клеткой для решения своих энергетических проблем.

Список использованной и цитируемой литературы

1. Воронов В.К. и др. Основы современного естествознания. М.: Высш. Шк., 2013. - 247с.

2. Горохов В.Г. Концепция современного естествознания и техники. М.: Инфра-М, 2014. - 608с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. М.: Аспект Пресс, 2011. - 256с.

4. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. М.: МГУ, 2014. - 832с.

5. Канке В.А. Концепции современного естествознания. М.: Лотос, 2014. - 368с.

Размещено на Allbest.ru