Рассказы о биоэнергетике - Скулачев Петрович

Его наиболее крупная часть — это флагелла, или жгутик, — длинный тяж, состоящий из однотипных молекул флагеллина — особого, не растворимого в воде белка. Флагелла достигает несколько микрон в длину, то есть она длиннее тельца бактерии. Это как бы хвост микроба. Толщина флагеллы порядка 130 ангстрем.

Флагелла крепится к изогнутому на конце стержню («крюку»), который проходит сквозь внешнюю мембрану бактериальной клетки. Крюк, в свою очередь, прикреплен к М-диску, правильной формы структуре (в плане - круг, в разрезе — прямоугольник). Диаметр диска чуть больше 200 ангстрем, толщина около 30 ангстрем. М-диск погружен во внутреннюю (цитоплазматическую) мембрану бактерии.

Флагелла, крюк и диски

В межмембранном пространстве и в слоях клеточной стенки, расположенных снаружи цитоплазматической мембраны, находят еще три диска, укрепленных на стержне крюка. Стержень ориентирован перпендикулярно плоскости дисков и мембран.

Наблюдая в световой микроскоп движение кишечной палочки, обладающей многими жгутиками, можно заметить, что от одного из торцов цилиндрической клетки отходит вращающаяся спираль, ввинчивающаяся в воду. Это косичка из нескольких жгутиков, движение которых обусловливает движение бактерии.

Как же движутся жгутики? Вращаются или бьются о воду как хлыст? Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось... поймать бактерию за «хвост». Да-да, ни больше ни меньше!

Суспензию бактерии, содержащую миллионы отдельных клеток в миллилитре, поместили в стакан миксера с металлическим пропеллером на дне. Включили миксер на некоторое время и затем посмотрели, что произошло с бактериями. Большинство из них осталось целыми, но лишилось «хвостов», которые лежали теперь отдельно от своих хозяев.

На следующем этапе работы жгутики выделили в чистом виде с помощью центрифугирования, а затем ввели в кровь кролику. Иммунная система кролика ответила на вторжение чужеродного компонента синтезом антител к флагеллину — белку жгутиков. Потом такие антитела получили из крови и химически «еришили» к стеклу.

Антитела, как известно, способны прочно связывать тот белок, против которого они были образованы. Этим-то свойством и воспользовались исследователи. На предметное стекло, покрытое антителами, нанесли капельки жидкости с бактериями и стали терпеливо ждать, пока какой-нибудь «невезучий» микроб коснется своим жгутиком поверхности стекла.

Вот одна из бактерий приблизилась к стеклу, но внезапно изменила направление движения и поплыла в другую сторону. Вот другая появилась в опасной зоне. И снова в последний момент ушла от опасности. Третья атаковала стекло в лоб, немедленно изменила направление движения и поймалась! Видно было, что бактерия вращается на одном месте, привязанная к стеклу невидимой нитью.

А. Глаголеву, проделавшему похожий опыт в нашей лаборатории, удалось «поймать» асимметричную по форме бактерию, напоминавшую своим видом полумесяц. Прикрепилась она к стеклу так, что к наблюдателю была обращена ее сутулая «спина». Видно было, что бактерия все время вращается вверх «спиной», не показывая своей впалой «груди». Это возможно только при условии, что происходит истинное вращение тельца бактерии относительно прикрепленного к стеклу жгутика.

Поразительно, как пойманная бактерия решила проблему освобождения из плена. Бактерия не ящерица, она не умеет отбрасывать попавший в ловушку хвост. Она выбрала иной путь к спасению. Через 40 минут безуспешных попыток вырваться на волю наша бактерия... разделилась пополам. Из двух новых клеток одна осталась привязанной к стеклу, а другая освободилась и тотчас уплыла подальше от опасной зоны.

Вернемся, однако, к устройству двигателя, изобретенного бактериями, благо здесь нас ждут свои чудеса.

Итак, опыт с «привязанной» бактерией однозначно доказал, что происходит вращение жгутика. Но что за еила заставляет его вращаться?

Отвлечемся на момент от бактерий и обратимся к более высокоорганизованным формам живых существ, также движущихся с помощью жгутиков. Вот, например, сперматозоид/Источник энергии, используемый его двигательным аппаратом, давно уже не составляет секрета. Это АТФ, гидролизуемый сократительным белком — АТФазой, близким по свойствам к тому, который содержится в мышцах и тоже использует "нергию АТФ для совершения механической работы.

Распад АТФ приводит в движение жгутик сперматозоида. Так, может быть, и жгутик бактерии вращается за счет энергии АТФ?

Стали искать сократительные белки — АТФазы у бактерий и в конце концов нашли. Правда, флагеллин, белок бактериального жгутика, не относится к их числу. Все попытки принудить флагеллин к гидролизу АТФ окончились полной неудачей. Но может быть, АТФаза сидит где-то в других частях «мотора», например в дисках? Однако и это предположение пока не подтвердилось.

А стоит ли вообще проводить какие-то аналогии между флагеллами бактерий и жгутиками высших? Ведь бактериальная флагелла гораздо мельче, да и устроена она несравненно проще: это тяж из структурного белка флагеллина, не обладающего какой-либо каталитической активностью. Жгутик сперматозоида гораздо более сложное образование: внутри мембранного чехла одиннадцать трубочек, вытянутых вдоль длинной оси жгутика, есть там сократительные белки и целое хозяйство ферментов.

Ну что ж, давайте откажемся от гипотезы относительно общности механизмов движения бактерии и сперматозоида, но не рискуем ли мы в этом случае вовсе остаться без гипотезы? Ведь все известные до сего времени механизмы биологической подвижности основывались на использовании энергии АТФ сократительными белками.

Протонный потенциал движет бактерией

В 1956 году, то есть за пять лет до публикации своей знаменитой гипотезы, Митчел напечатал заметку о возможных механизмах движения флагеллярных бактерий. Один из них мы опустим за ненадобностью (он казался фантастичным и оказался таковым). Но вот другой Митчелов вариант лег в основу нашей рабочей гипотезы спустя «каких-то» 18 лет.

Митчел обратил внимание на то, что «кирпичи» флагеллина в бактериальном жгутике уложены таким образом, что в поперечном сечении жгутик имеет вид толстостенной полой трубки. Что, если, подумал Митчел, эта трубка — гигантский канал, ведущий из бактерии во внешнюю среду? По такому каналу можно было бы, например, выпускать из бактерии ионы К+, которые каким-то образом аккумулируются бактерией, поступая внутрь клетки через всю ее поверхность. А может быть, это канал для входа в клетку ионов Н+ (!), откачивающихся через клеточную поверхность? По Митчелу, в любом из этих случаев вдоль наружной поверхности клетки должен возникать ток ионов, который мог бы приводить в движение бактерию.

Протонный потенциал движет бактерией

В 1974 году Дж. Адлер и его сотрудники опубликовали в США работу по движению мутанта кишечной палочки, лишенного способности синтезировать АТФ за счет дыхания. У мутанта включение дыхания никак не влияло на количество АТФ, который образовывался исключительно за счет брожения. Казалось, дыхание идет на холостом ходу и бесполезно для клетки. К своему удивлению, авторы статьи обнаружили, что это «холостое» дыхание способно поддерживать движение мутантной бактерии.

Они удивились еще больше, когда измерили скорость движения бактерий, обработанных арсенатом. Такая обработка снижала количество АТФ в клетке до практически неизмеримого уровня. И тем не менее лишенные АТФ бактерии отлично двигались, если в среде был кислород и протекал процесс дыхания.

Остановить бактерии удалось, добавив протонофор.

Авторы заключили, что непосредственным источником энергии для движения бактерий служит не АТФ, а какой-то другой компонент, образуемый дыханием. («Промежуточный продукт окислительного фосфорилирования», — писали Адлер и его коллеги, не искушенные в премудростях хемиосмотической гипотезы.)

В то время концепция протонного потенциала была далеко не общепринятой даже в кругу биоэнергетиков. Поэтому вряд ли стоит удивляться, что микробиолог Адлер сформулировал свой вывод в рамках старой схемы, предполагавшей существование каких-то особых химических соединений, образуемых дыханием и потребляемых АТФ-синтетазой.

Однако для меня тогда уже было ясно, что у этих двух систем есть только один общий продукт — протонный потенциал. Стало быть, мутант кишечной палочки, исследованной американскими микробиологами, образовывал за счет дыхания протонный потенциал, который, по-видимому, и служил источником энергии для движения бактериальной клетки. Именно такое толкование опытов Адлера я предложил, выступая летом 1975 года на очередном съезде европейских биохимиков.