Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

5 5.11. ДВИЖЕНИЕ ЖГУТИКОВ И РЕСНИЧЕК

271

создают ток жидкости в жабрах

двустворчатых

моллюсков, в

трахеях

человека и т. д.

Жгутики выполняют волнообразное движение, распростра-

няющееся вдоль жгутика от его основания к концу. Типы таких

движений показаны схематически на рис. 5.28 ([159], см. также

[160]).

Клетка может двигаться вперед или назад, вбок или по

кругу.

Движение ресничек сводится к колебаниям в одной пло-

скости, вызывающим пе-

ремещение клетки или

ток жидкости, если рес-

' ,-'

\, нички принадлежат не-

/ „_ __ которой эпителиальной

--'' "' ткани. Схема движения

ресничек показана на

рис.

5.29.

Устройство жгутиков

ресничек весьма

сход-

но.

Они представляют

Рис.

5.28. Различные типы движения жгу- Рис. 5.29. Схема движения

тика

Мопаз.

Стрелки указывают направле- реснички,

ние

движения клетки.

собой вытянутые образования, длина которых варьирует от

нескольких микрон до нескольких миллиметров, а диаметр

меняется мало — в пределах от 0,1 до 0,5 мкм. Электронная

микроскопия

показала, что жгутик построен из девяти пе-

риферических и

двух

центральных фибрилл. На рис. 5.30 пока-

зана схема поперечных срезов жгутиков, основанная на элек-

тронной микрофотографии, а на рис.

5.31—схема

их строения

[161]. Структуры типа «9 + 2» характерны для ряда биологиче-

ских систем, имеющих вытянутое, фибриллярное строение.

Диаметр центральных фибрилл жгутика примерно равен

240 А, расстояние

между

их центрами 300 А Поперечные раз-

меры каждого из девяти

дублетов

— периферических фиб-

рилл — 370 X 250 А.

Дублет

состоит из

двух

субфибрилл А и В,

от субфибриллы А

отходят

два отростка —

«ручки»

длиной 150

272

ГЛ.

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

толщиной 50 А [161, 162]. Установлено, что фибриллы пред-

ставляют собой полые цилиндры, стенки которых состоят из

десяти протофибрилл с диаметром 35 А и продольной периодич-

ностью 80 А [163]. Вторичные фибриллы соединяют перифери-

ческие фибриллы с центральной.

Физические

проблемы, относящиеся к движению

жгутика,

можно четко сформулировать. Необходимо установить тонкую

структуру

фибриллярной системы, ее молекулярное строение и

природу механохимиче-

ской

функциональности.

Необходимо эксперимен-

тально и теоретически

Рис.

5.30.

Схема

поперечных срезов Рис. 5.31.

Схема

строения по.

жгутиков

на основании электронной перечного среза

жгутика.

микроскопии.

/ —

периферическая фибрилла,

2—субфибрилла

А,

3—субфибрил-

ла

Б,

4—«ручки»,

5—центральная

фибрилла,

6—вторичная фибрилла.

исследовать механику и гидродинамику специфического волно-

образного движения

жгутика

(или реснички).

Белки

жгутиков и ресничек пока недостаточно охарактери-

зованы.

Установлена их АТФ-азная активность, показано, что

форма и частота волн зависят от концентрации АТФ. Белки

являются сократительными, но их строение отличается от строе-

ния

миозина или актина. Из жгутиков бактерий выделен белок

флагеллин, имеющий специфический аминокислотный состав.

Качественная

молекулярная модель движения жгутиков

предложена в работе Сильвестра и Холвилла [164]. Ранее способ

распространения

локальных сокращений вдоль фибриллы был

рассмотрен Мэйчином [165]. Сократительная единица перифери-

ческой фибриллы активируется пассивно распространяющейся

волной,

приходящей из соседней области

жгутика.

Надо понять,

как

химические события, вызывающие локальное сокращение,

синхронизуются с механическим изгибанием. Мэйчин предпола-

5.11.

ДВИЖЕНИЕ ЖГУТИКОВ

РЕСНИЧЕК

273

гал,

что

такая синхронизация возникает вследствие нелинейной

связи

между

напряжением

деформацией сократительного

эле-

мента. Брокау также считает,

что

химические события

иниции-

руются механической волной [166].

В работе

[164]

предполагается,

что

сократительная единица

находится

метастабильном состоянии

до

того,

как ее

достиг

пик

сократительной волны. Приходящая волна меняет стериче-

ское

электростатическое окружение единицы, которая перехо-

дит

другое

конформационное состояние

сокращается.

В каж-

дой единице происходит расщепление

АТФ.

Количественная

оценка,

основанная

на

биохимических данных, показывает,

что

жгутике активируются

—10

сократительных единиц

в 1 с.

Если

они

упакованы

во

внешних фибриллах,

то

расстояние

ме-

жду ними порядка

100 А.

Скорость распространения волны

N-МФ

S-АЛФ

АТФ

Рис.

5.32. Схема циклического Рис. 5.33. Сдвиг и изгиб двухнитевой

процесса

в жгутике. модели жгутика.

N—нормальное

состояние,

— со-

кращенное

состояние;

— механиче-

ская

стимуляция,

— сокращение,

3—-релаксация.

вдоль жгутика около

250

мкм/с, соответственно скорость стиму-

ляции

последовательных единиц есть

2,5-10

единиц

в 1 с.

После

сокращения

единица поддерживает напряжение вплоть

до ре-

лаксации.

На

этой стадии происходит рефосфорилирование

АДФ.

Когда единица вновь имеет связанную

АТФ, она

готова опять

принять

участие

цикле. Следовательно, частота колебаний

уп-

равляется скоростью замещения

АТФ.

Общая схема процесса

показана

на рис. 5.32

[164].

Другая точка зрения аргументируется

работе Рикменспоэла

[167]. Расчет изгибающих моментов

жгутиках показывает,

что

активное сократительное событие сводится

не к

бегущей,

а к

стоячей волне. Изгибающий момент развивается

по

всей длине

жгутика. Поэтому

нет

нужды

механизме, синхронизующем

волну смещения

сократительные события.

Результаты расчетов согласуются

со

скользящей моделью

сократительного движения жгутика. «Ручки», выступающие

из

274 ГЛ. 6. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

субфибрилл А (см. рис. 5.31) и содержащие белок

динеин,

функционируют подобно мостикам в актомиозиновой системе

мышцы. Были получены прямые электронно-микроскопические

доказательства скольжения субфибрилл в жгутиках и ресничках

[160,

168—170].

Изгибание жгутика можно объяснить механизмом скольже-

ния,

создающим сдвиг. На рис. 5.33 изображена простая

двух-

нитевая модель жгутика [160, 171]. Если длины нитей, отстоящих

друг

от

друга

на р, не меняются, соотношение

между

сдвигом

изгибом есть

du dd ,

где и — сдвиг, s — координата вдоль жгутика, 8 —

угол

изгиба,

к—кривизна жгутика. Вводя безразмерный параметр сдвига,

находим

е = ^р- =

Л<т,

(5.135)

«--£ = £•

136

Расчет

дает

линейное напряжение, равное

7-10~

дин/см.

Если пары молекул динеина отстоят

друг

от

друга

на 170 А

[172], то сила на одну его молекулу, т. е. на один мостик, равна

0,6-10~

дин [167]. Это на порядок меньше величины fo Д

ля

мышцы (см. стр. 250). За один период изгибания скольжение

происходит на пути 800 А [173]. Работа, совершаемая одной мо-

лекулой динеина, равна

5-10~

эрг (ср. с

4,6-10~

эрг для

мышцы, стр. 250). Эта величина согласуется со значением сво-

бодной энергии расщепления АТФ [174].

Таким образом, скользящая модель жгутика представляется

более привлекательной, чем модель локального сокращения

[160]. Ясно, что модель должна содержать некие контрольные

механизмы, генерирующие ритмический цикл изгибания. Как

уже сказано, такой механизм может определяться нелинейностью

системы, наличием обратной связи (см. [165]). Иными словами,

скорость изгибания контролируется кривизной.

Общее выражение для распространения волны изгиба вдоль

s есть периодическая функция s — Vt, где V скорость распро-

странения волны. Следовательно,

dK у JIK_

dt ~

ds "

Механизм скольжения автоматически создает разность фаз ме-

ждусдвигом и кривизной, независимо от частоты колебаний [160].

5.11.

ДВИЖЕНИЕ ЖГУТИКОВ

РЕСНИЧЕК

275

Однако этот механизм контроля

не

полон,

так как он не учи-

тывает вязкого сопротивления изгибу.

соответствии

идеями

Мэйчина

можно предположить,

что

кривизной контролируется

не

скорость изгибания,

но

момент силы

[160]

"•"

где

т —

момент, генерируемый

на

единицу длины жгутика,

—

константа. Если

к' —

синусоидальная функция длины,

то из

(5.137)

следует,

что

aKT

(s)— также синусоидальная функция,

но

смещенная

на

четверть периода относительно

к'.

В работе

[175] (см.

также

[160])

помощью компьютера было

исследовано движение моделей, содержащих

от 25 до 35

прямых

сегментов, шарнирно соединенных

друг

другом. Математиче-

ская

модель основывалась

на

модели скольжения. Оказалось,

что достаточно включить

модель

два

основных предположе-

ния,

именно, существование изгибающего момента, генерируе-

мого активным процессом скольжения вдоль жгутика,

пропор-

циональность

масштаба этого активного процесса локальной

кривизне

жгутика. Тогда действительно объясняются

инициа-

ция

распространение изгиба. Варьируя параметры модели,

можно получить различные волновые картины,

в том

числе

все

картины,

наблюдаемые

на

опыте.

Имеется

ряд

данных, показывающих,

что и

внешние факторы

могут

влиять

на

движение жгутика

(см.

[160]). Здесь требуются

дальнейшие теоретические

экспериментальные исследования.

В работе

[176]

рассчитана скорость распространения волны

расход

мощности

на

преодоление вязкого сопротивления неод-

нородно

колеблющихся жгутиков.

работе

[177]

проведен

ана-

лиз

гипотетических форм волнового движения жгутиков

—

сину-

соидальных, меандровых

круговых

дуг,

соединенных прямыми

линиями.

Наконец,

работе

[178]

теоретически рассмотрено

дви-

жение микроорганизмов, создаваемое трехмерным волновым

движением жгутиков.

Ясно,

что

движение жгутиков

ресничек ставит перед

физи-

кой

ряд еще не

решенных проблем. Очень мало известно

о де-

тальных молекулярных механизмах, ответственных

за

активное

скольжение

и его

контроль.

Как

и в

случае

мышцы, ничего неизвестно

локализации

характере конформационных превращений

белках жгутика,

бо-

лее того, сами

эти

белки

не

охарактеризованы. Установлена

лишь

АТФ-азная

их

активность.

связи

этим необходимо

ука-

зать

на

работу Энгельгардта

Бурнашевой, выделивших

из

сперматозоидов сократительный АТФ-азный белок, названный

ими

спермазином

[179]. Дальнейшие подробности, относящиеся

276 ГЛ. 5.

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ

сократительным белкам жгутиков и ресничек, приведены в мо-

нографии

Поглазова [180].

Очень важно, конечно, что установлены определенные черты

сходства

между

движением жгутиков и мышечным сокращением.

Различные

типы внутренней и внешней регуляции движения еще

не

изучены, и изложенные в этом параграфе теоретические мо-

дели и представления имеют феноменологический характер.

§ 5.12. ДРУГИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

В заключение настоящей главы кратко рассмотрим некото-

рые

другие

биологические механохимические системы.

Двигательный аппарат

«хвостатых»

бактериофагов локали-

зован

в хвостовом

чехле,

который представляет собой сократи-

тельную

структуру.

При адсорбции фага Т2 на бактериальной

клетке хвостовой

чехол

укорачивается в два раза и расширяется

на

30% [181]. Установлены АТФ-азные свойства хвостовых струк-

тур этого фага, а также ряда

других

фагов [182]. Несомненны

конформационные

превращения в таких

структурах,

ответствен-

ные

за сокращение. Дальнейшие подробности содержатся R мо-

нографии

Поглазова [180].

Движение листьев растений (в частности мимозы,

Mimosa

pudica)

также связано с АТФ-азной активностью содержащихся

них сократительных белков (см. [183], а также [180]).

Значительный

интерес для физики представляет движение

протоплазмы — универсальный процесс, фигурирующий в самых

разнообразных клетках. Подробное его рассмотрение было дано

свое время в монографии Камия [184]. Ограничимся здесь лишь

немногими

фактами (ср. [30, 55]).

случае

движения протоплазмы в клетке водоросли

Nitella

сдвиговая сила генерируется на границе геля и золя. Наблю-

дается скольжение волокнистых

структур

относительно окру-

жающего золя. В амебах были обнаружены пучки тонких нитей,

выделены актиноподобный [185, 186] и миозиноподобный [187]

белки.

Почти наверное можно считать, что за движение прото-

плазмы ответственна система актомиозин — АТФ [30, 55].

Плазмодий

миксомицетов выполняет активные колебатель-

ные

движения протоплазмы [184]. Его белки хорошо охарактери-

зованы.

Плазмодий содержит актин и миозин, весьма сходные

с мышечными. Миозин плазмодия, однако, не образует толстых

нитей,

но лишь малые олигомеры. Тем не менее, этот миозин

взаимодействует с актином плазмодия. В плазмодии обнару-

жены тонкие пучки нитей, построенные из актина и миозина. Эти

пучки появляются и исчезают, следуя за фазами колебаний

[188]. Ток протоплазмы регулируется ионами Са

, по-видимому,

с участием еще не известных регуляторных белков [189]. Можно

Б.12.

ДРУГИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

277

думать

сходстве

движения протоплазмы

мышечным, однако

отсутствие толстых нитей означает отсутствие тождества.

Эти

явления

во

всех

их

аспектах изучены

еще

недостаточно. Движе-

ния

описанного типа,

также многие

другие

(например,

дви-

жения

пластинок

крови, испытывающих своего рода сокраще-

ния

при

образовании сгустков) определяются взаимодействием

актиноподобного

миозиноподобного белков,

общем сходным

с наблюдаемым

мышце. Результатом

их

взаимодействия

яв-

ляется гидролиз

АТФ,

энергия которой используется

для дви-

жения.

Можно

думать,

что

взаимодействие актина

головками

миозина

возникло

качестве механизма движения

на

очень

ранней

стадии эволюции

клетки использовали этот механизм

постоянно,

сохраняя

его

важнейшие особенности

[30] (см.

также

[217]).

При

делении клеток,

при

митозе

мейозе происходят

меха-

нические

движения

—

перемещения протоплазмы

хромосом.

Детальные цитологические исследования митоза проведены

Мэ-

зия

([191,

192], см.

также [193]). Митотический аппарат клетки

состоит

из

видимых

под

микроскопом тяжей, соединяющих

друг

другом

центриоли

хромосомы

центриолями. Отметим

по-

путно,

что

центриоли имеют

структуру

«9 + 2»,

подобную струк-

туре

жгутиков

ресничек. Показано,

что

жгутики сперматозои-

дов вырастают именно

из

центриолей

кинетохоров хромосом.

Белок

митотического аппарата сходен

актином. Такой

бе-

лок

выделен

из

митотического

[194] и

мейотического

[195]

вере-

тен некоторых насекомых. Добавление

АТФ

вызывает медленное

удлинение митотического аппарата. Пока

не

ясна непосредствен-

ная

связь митотических движений

АТФ-азной активностью,

механизм работы митотического аппарата загадочен. Естествен-

но

искать объяснение механических явлений

при

митозе, исходя

из

общих принципов, установленных

для

других

биологических

механохимических систем.

В мембранах митохондрий

—

органоидов клеток,

которых

локализован основной биоэнергетический процесс окислитель-

ного фосфорилирования,

—

сократительные процессы сопряжены

с активным транспортом

и с

цепями химических реакций

(см.

гл.

6).

Есть

все

основания

думать,

что механорецепция, а

также

аку-

стическая

рецепция

связаны

механохимическими процессами.

Одиночный

механорецептор

—

тельце

Пачини —

изображен

схематически

на рис. 5.34. В

состав рецептора

входит

нервное

окончание,

окруженное капсулой, состоящей

из

периферической

центральной

зон.

Периферическая зона состоит примерно

из

30 замкнутых

упругих

оболочек. Центральная зона (внутренняя

колба) содержит около

плотно уложенных цитоплазматиче-

ских слоев, разделенных

«щелью»,

ориентированной вдоль длин-

278

ГЛ.

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ной

оси

эллиптического сечения нервного окончания

[196—198].

Модуль упругости оболочек периферической зоны составляет

около

Г/см

, оболочки способны реагировать

на

механиче-

скую силу

диапазоне

150—200

дин

[199].

Тельца Пачини преобразуют механическое воздействие

нервные импульсы.

этом смысле

их

функция противоположна

функции

мышцы.

работе

[200]

изучались характеристики этих

преобразователей путем бесконтактной стимуляции гармониче-

скими

звуковыми колебаниями

диапазоне частот

60—600

Гц.

Максимальная

чувствительность

ре-

гистрируется

для

частоты

100—

200

Гц,

оптимальная частота следо-

вания

потенциала действия совпа-

дает

этим значением. Реализует-

ся

своего рода биомеханический

ре-

зонанс

[201]. Собственный период

возбуждения рецептора составляет

9,6

мс, что

соответствует

той же пе-

риодичности раздражений порядка

100

Гц

[202].

В работе

[200]

высказано пред-

положение

о том, что

регулирова-

ние

проницаемости плазматической

мембраны нервного окончания

свя-

зано

участием сократительных

белков.

результате

электронно-микроскопических

гистохи-

мических исследований установлено,

что

активный участок нерв-

ного окончания

области

«щели»

играет доминирующую роль

возникновении возбуждения. Показано,

что в

этой области

происходит расщепление

АТФ.

Можно

думать,

что

мембрана

со-

держит ориентированные молекулы белка, обладающие

АТФ-

азной

активностью. Механический стимул вызывает конформа-

ционные

изменения

этих молекулах

и в

соответствии

положе-

нием,

сформулированным

в [151] (см. стр. 270),

изменения

их

АТФ-азной активности. Энергия, выделяемая

при

расщеплении

АТФ, расходуется

на

работу натриевого насоса

(см. стр. 116).

Эта интересная работа выдвигает

ряд

проблем, требующих

дальнейших исследований. Белки, действующие

тельцах

Па-

чини,

пока

не

охарактеризованы. Было

бы

очень важно устано-

вить черты

их

сходства

актином

миозином.

Те же

идеи,

по-

видимому,

могут

оказаться существенными

для

понимания

аку-

стической рецепции

(см.

также [219]).

Сократительные белки, прежде всего актин, фигурируют

ряде

других

клеток

тканей. Показано,

что

актин составляет

около

20%

всего белка

нейронах цыпленка [203].

этой

же

работе указывается

на

присутствие актина

или

актиноподобного

Рис.

5.34. Схема тельца Па

чини.

«в —нервное волокно.

5.12. ДРУГИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 279

белка в эмбриональной линзе, легких, коже, сердце, поджелу-

дочной железе, почках и в мозговой ткани цыпленка. Актинопо-

добные и миозиноподобные белки выделены из тромбостеина, из

комплекса

сократительных белков в тромбоцитах человека [204].

Приведенные

выше факты подтверждают общее положение

необходимости механического движения в жизненных процес-

сах и о

сходстве

механизмов этого движения в самых разнооб-

разных биологических системах.

Можно

считать установленными общие принципы биологиче-

ской

механохимии. Конкретные модели детально разработаны

для поперечно-полосатой мышцы, для жгутиков и ресничек. Как

уже сказано, это еще далеко не означает решения соответствую-

щих проблем. В большинстве

других

случаев такие модели пока

отсутствуют.

Задачи дальнейшего исследования механических

движений внутриклеточных органоидов, клеток, тканей и орга-

низмов,

раскрытие молекулярных, электронно-конформационных

процессов,

ответственных за эти движения, очень актуальны.

Л А В А 8

СОПРЯЖЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

МИТОХОНДРИЯХ

§ 6.1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биоэнергетические процессы, приводящие к синтезу АТФ, к

зарядке «биологических аккумуляторов», протекают в специали-

зированных мембранах митохондрий. Именно здесь локализо-

ваны

и пространственно организованы молекулярные системы,

ответственные за энергетику живых организмов. Синтез АТФ в

митохондриях сопряжен с электронным и ионным транспортом

с механохимическими явлениями. Функции митохондриальных

мембран весьма сложны и многообразны. Другой тип биоэнерге-

тических сопрягающих мембран — мембраны хлоропластов рас-

тений,

ответственные за фотосинтез, — рассматривается в гл.7.

Источником

энергии, расходуемой клеткой на биосинтез, ак-

тивный

транспорт, механическую и электрическую

работу,

яв-

ляется дыхание, т. е. окисление органических соединений кисло-

родом

воздуха.

В 1780 г.

Лавуазье

показал, что дыхание и горе-

ние

имеют единую природу. За последующие почти два столетия

исследования химиков, биологов и физиков привели к раскры-

тию основных особенностей биологического окисления — одного

из

важнейших процессов (или, скорее, системы процессов), про-

исходящих в живой природе.

Топливо,

т. е. окисляемые вещества, поступает в организм

животного с пищей в виде жиров,

углеводов

и белков. Жиры

представляют собой триглицериды жирных кислот, главным об-

разом многоатомных. Они расщепляются, т. е. гидролизуются в

реакциях, катализируемых специальными ферментами. Жирные

кислоты активируются с участием специфических ферментов и

АТФ, превращаясь в ацилпроизводные так называемого кофер-

мента А, Ко А — SH,

структура

которого показана на рис. 6.1.

Окисление

ацилпроизводного Ко А — SH происходит в ряде

стадий, на каждой из которых образуется остаток жирной кис-

лоты, содержащий на два атома

углерода

меньше, чем преды-

дущий [1, 2]. Полное уравнение реакции окисления жирной кис-

лоты с четным числом атомов

углерода

до ацетил-S — Ко А

имеет вид

НзС(СН

СН

)„СО;:Н

+ АТФ + (я + 0 КоА - SH + пНАД

иЕ

•

ФАД + "Н

О —> (п + 1)CH

COS - КоА +