Некоторые проблемы биологии XXI века
Удивительные вещи можно было услышать на лабораторном семинаре ЛНФ. Биохимик, основатель отечественной школы энергетики клетки, академик РАН, директор Института физико-химической биологии МГУ, автор фундаментальных работ по биоэнергетике, монографий и учебника Владимир Петрович Скулачев прочитал лекцию “Некоторые проблемы биологии XXI века”. Вместимость не очень большого конференц-зала лабораторного корпуса оказалась недостаточной, так что опоздавшим слушателям из “местных” пришлось приносить свои стулья. Как отметил в самом начале своей лекции Владимир Петрович, предсказывать развитие науки – рискованное мероприятие, но сегодня видны некоторые направления, которые дадут в следующем веке новые идеи, может быть, новые направления исследований.
Действующие лица, они же объекты исследований
Биологическая мембрана – тончайшая (около 60 Е) пленка, окружающая протоплазму и органеллы любой живой клетки и состоящая из бислоя липидных молекул (жироподобных веществ, не пропускающих ионы) и погруженных в него белков. Мембраны не только отделяют клетку от внешней среды, но и ответственны за другие важнейшие функции клетки. Митохондрия – одна из органелл клетки, обеспечивающая ее энергией. Именно мембраны митохондрий, создавая электрический потенциал путем транспорта протонов через мембрану, затем используют его для синтеза высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ) – универсальной энергетической “валюты” клетки. В клетке митохондрий может быть до нескольких тысяч. При этом, как показали недавние опыты, они образуют единую систему, своего рода электрический кабель, проложенный через клетку. Раз есть проводник, должно быть электромагнитное излучение, служащее, возможно, для обмена информацией с соседней клеткой. Зарегистрировать излучение такого маленького объекта сегодня сложная задача. Рассмотреть митохондрию как источник электромагнитного излучения – одна из проблем науки будущего.
Энергетика клетки
Протонный потенциал на мембране-изоляторе возникает при участии белка-переносчика ионов водорода Н+, который “прошивает” всю толщину мембраны. В результате работы протонного насоса ионы Н+ переносятся из митохондрии во внешнее пространство. На другом белковом комплексе (АТФсинтазе) возвращение ионов Н+ внутрь приводит к синтезу АТФ. Запасенная клеткой в виде АТФ, а также протонного и натриевого потенциалов, энергия используется для ряда других химических реакций, механической работы (вращение жгутиков бактерий), осмотической работы по концентрированию в клетке веществ, поступающих извне, образованию тепла в целях терморегуляции. В. П. Скулачев, впервые предложивший в научном, а не появившемся позже экстрасенсорном употреблении, термин “биоэнергетика”, сформулировал и три закона существования и взаимозависимости трех форм “энергетической валюты” клетки.
Эти удивительные бактерии
Человечеству не стоит особо гордиться собой: если оно и изобрело колесо, то электродвигатель существует в природе уже более трех миллиардов лет – в бактериях. Они двигаются при помощи жгутиков, а движение последних осуществляется за счет работы миниатюрного электродвигателя. Он сформирован из нескольких белковых молекул, “встроенных” в стенку бактериальной клетки. Роторы имеют идеальную форму плоского диска, диаметром около 100 Е и высотой 50 – 60 Е. Как показали исследования, проведенные в лаборатории В. П. Скулачева, движущей силой является поток ионов H+ или Na+, перемещающихся через клеточную мембрану из среды внутрь клетки. Для совершения одного оборота необходимо “протащить” по меньшей мере 200 протонов. Скорость вращения жгутика составляет от 5 до 50 оборотов в секунду, возможно движение и вперед и назад – в зависимости от направления его вращения. Зачем вообще нужно бактериям двигаться? Чтобы найти оптимальные по температуре, кислотности, освещенности, концентрации химических соединений условия существования. А измеряют температуру, концентрацию веществ бактерии гораздо тоньше человека.
Самоубийство – способ выжить?
Клеточное дыхание, то есть поглощение кислорода ионовыми клетками, выполняет несколько функций: запасания энергии в виде АТФ, терморегуляторной выработки тепла, образования полезных соединений и разрушения вредных веществ. При выполнении последней функции, как ни парадоксально, клетка сталкивается с кислородом как с одним из токсичных веществ. Поэтому клетка стремится поддерживать его концентрацию на минимальном уровне, используя для этого опять-таки дыхание. Дыхательная защита образует сложную, глубоко эшелонированную систему, включающую “самоубийство” (апоптоз) митохондрий и клеток, образующих повреждающие формы кислорода.
Биологи, как заметил В. П. Скулачев, испокон веку пытаются понять, что такое жизнь, но не так просто разобраться и со смертью. Запрограммирован ли этот процесс? По крайней мере, на клеточном уровне биологи нашли этому документальное подтверждение. Аналогично механизму апоптоза, начинающему действовать при необходимости убить измененную клетку ради спасения организма, по-видимому, работает и механизм феноптоза, программирующий гибель организма, ставшего источником смертельной опасности для целого вида.
Окисление ДНК активными формами кислорода представляет собой важнейший инструмент природного мутагенеза, то есть мутации в геноме. Если верно, что существует специальный ферментный механизм дестабилизации генома, предполагает В. П. Скулачев, то, вероятно, выключение этого механизма могло бы стабилизировать жизнедеятельность организма, а значит, замедлить его старение и продлить жизнь. Как показали последние исследования трупного червя – популярного у биологов из-за своих малых размеров (уже получен его полный геном и буквально пересчитаны все клетки), комбинация двух мутаций ведет к увеличению срока жизни в 6 раз! Но при этом снижаются эволюционные потенции вида, поскольку определенная частота мутаций обеспечивает гарантированный уровень изменчивости, необходимой для эволюционного прогресса. Но по отношению к человеку, считает Владимир Петрович, механизмы эволюции стали атавизмом, - если человечеству требуется летать, оно не ждет, пока отрастут крылья, а строит самолет.
Еще один любопытный факт из жизни клетки поведал Владимир Петрович, отвечая на многочисленные вопросы слушателей семинара. Оказалось, часть осложнений, возникающих у перенесших инфаркт или инсульт, образуется из-за того, что клетка в условиях гипоксии “совершает самоубийство”. Она всегда к этому готова, и ее, как выразился докладчик, надо “держать за руку”. Поэтому, если на ранней стадии – через 6 – 7 часов после инфаркта или инсульта – блокировать механизм самоубийства клеток, то последствия заболевания будут минимальными, а позже процесс становится необратимым – это экспериментально установлено.
Диалоги после семинара
Владимир Петрович, лекция была увлекательной, а вам самому было интересным общение с нашей аудиторией?
Над некоторыми вопросам я еще буду думать, всегда интересен взгляд людей из другой области науки на привычные тебе вещи.
Считаете ли вы, что биология станет основной наукой XXI века?
Как биологу мне было бы очень приятно, если бы так оказалось. В США, например, на биологические исследования планируется удвоить финансирование. Мы должны принять вызов, иначе окажемся на обочине, хотя на удвоение бюджета рассчитывать не приходится.
Связывали ли вы с этой поездкой решение еще каких-то задач, кроме проведения семинара?
Да, и почти все выполнил – мы договорились о проведении двух совместных работ с Е. А. Красавиным, об экспериментах по бактериородопсину с В. Л. Аксеновым и В. И. Горделием. Надеюсь привезти сюда на практику наших молодых биологов.
Рассказать о совместных и собственных исследованиях биологических мембран я попросила руководителя группы малоуглового рассеяния отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ В. И. Горделия:
Биологические мембраны – удивительное творение природы. Если мембраны служили только барьером, разделяющим клеточное пространство на части, они, может, и не были бы так интересны. Однако биомембраны играют одну из центральных ролей как в структуре, так и в функционировании всех клеток. Они определяют природу всех коммуникаций между внутренним и внешним миром клеток и их органелл, передачи сигналов, иформации, транспорта веществ. Мембраны вовлечены в большинство биохимических функций клетки, включая такие различные процессы, как репликация ДНК у прокариотов, синтез белков, секрецию белков, гормональный отклик и биоэнергетику, о которой уже упоминали. Эти тончайшие “пленки“ играют одну из ключевых ролей в передаче нервного импульса, функционировании мозга.
Биологические мембраны обладают поистине уникальными физическими свойствами. Достаточно упомянуть, что они выдерживают электрическое напряжение в несколько сот киловольт на сантиметр, необычайно гибки (энергия изгиба порядка нескольких кТ), способны преобразовывать энергию из одного вида в другой. Мембрана – квазидвумерный объект, ведущий себя в ее плоскости как двумерная жидкость, а в перпендикулярном направлении как “твердое“ тело. Если (несколько упрощая) определять мембрану на языке физики, то это не что иное как жидкий кристалл с включенными в него (био)полимерами. Осознание этого факта, несомненно, сделает мембраны перспективным объектом экспериментальной и теоретической физики конденсированных сред. Собственно, это уже и произошло.
Более того, мембраны уже являются также объектом математической физики – той ее области, которая называется статистической физикой случайных поверхностей. Это может показаться невероятным, но мембраны привлекли внимание и физиков-теоретиков, занимающихся теорией суперструн, которая считается одним из наиболее перспективных кандидатов на единое описание фундаментальных взаимодействий. Сейчас можно сказать, что применение современных методов теоретической физики к описанию мембран оказалось исключительно плодотворным, оно уже позволило объяснить и, что особенно важно, предсказать ряд нетривиальных свойств мембран.
Круг же наших интесов в данной области достаточно широк – от физики мембран до молекулярной биологии этих систем. Однако сейчас я хотел бы остановиться только на том, что имеет какое-то отношение к рассказу Владимира Петровича.
В совместных работах с лабораторией Л.С. Ягужинского Института физико-химической биологии МГУ, Институтом фундаментальных проблем биологии г. Пущино и Институтом биологических структур Исследовательского центра г. Юлиха, ФРГ, мы сконцентрировали внимание на двух ключевых нерешенных проблемах биоэнергетики. Мы пытаемся понять механизм переноса протонов через мембрану белком-переносчиком. Вторая задача – изучить, как эти же протоны, возвращаясь обратно уже через мембранный фермент АТФ-синтазу, “заставляют“ его синтезировать АТФ. В том и другом случаях необходимо знать структуру этих белков, и что очень важно, в разных функциональных состояниях. На это прежде всего и направлены наши усилия.
Для решения первой задачи совместно с нашими коллегами из других институтов мы исследуем пурпурные мембраны бактерий Halobium Salinarium. Они устроены исключительно “просто“ – содержат белок одного вида (бактериородопсин), который, улавливая квант света, использует его энергию для переноса протона через мембрану, заряжая ее и затем используя запасенную энергию для синтеза АТФ. Казалось бы, все так просто, что давно уже можно понять механизмы идущих процессов – не тут-то было, никто пока не дал все объясняющего решения. И это несмотря на то, что кристалл белка уже получен и его структура известна с высоким разрешением. В своих исследованиях мы используем рассеяние нейтронов, объединяя усилия со специалистами из других областей. Тепловые нейтроны не разрушают биологический материал, глубоко проникают в вещество, а их длина рассеяния на водороде и дейтерии существенно различна. И замечательно, что в биологических объектах можно избирательно менять водород на дейтерий, поэтому нейтроны порой единственный метод изучения тех объектов, которые однородны для рентгена. Именно с помощью малоуглового рассеяния нейтронов, нам удалось обнаружить существенные структурные изменения пурпурных мембран в процессе транспорта протонов, обнаружить то, что долго не удавалось надежно зафиксировать другими методами.
Решая вторую задачу, мы совместно пытаемся узнать структуру входящего в мембрану фермента АТФ-синтазы и получить его кристалл. В отличие от водорастворимых белков мембранные белки очень плохо кристаллизируются. Если бы появились методы их кристаллизации, это стало бы гигантским прогрессом в биологии клетки. Есть основания надеяться, что нейтроны могут помочь как в исследовании структуры АТФ-синтазы, так и в решении проблемы ее кристаллизации.
Ольга ТАРАНТИНА