Роланд Глазер - Биология в новом свете

Окружающая клетку исключительно тонкая мембрана состоит из жироподобных липидов и белков, которые являются хорошими изоляторами, и снабжена порами. Она служит одновременно изолятором, сопротивлением и батареей. По обе стороны мембраны находятся ионные растворы различного состава

Может ли хемотроника живой клетки служить образцом, которому следует безоговорочно подражать? Не совершили ли инженеры ошибки, взяв за основу развития электроники электронную проводимость? С полной уверенностью можно утверждать, что, хотя хемотроника уже на заре своего развития приобрела большое значение, она никогда не вытеснит традиционную электронику. Только в немногих специальных областях можно надеяться получить с помощью хемотроники более качественные и экономичные электронные устройства.

Развитие жизни на основе водных растворов обусловлено, конечно, не выбором оптимального принципа электропроводимости. Проблемы выбора здесь вообще не существует, так как электронная проводимость предполагает наличие металлических проводников, а живое существо из металла абсурдно с молекулярно-биологической точки зрения. Поэтому развитие жизни неизбежно оказалось связанным с ионной проводимостью. Хемотроника имеет бесспорные недостатки по сравнению с электронной техникой. Они заключаются главным образом в том, что скорость протекания процессов в этом случае ограничена. Нервный импульс распространяется в течение миллисекунды — тысячной доли секунды. Скорость о распространения не может быть выше, поскольку ионы гораздо крупнее и медлительнее электронов. Хемотроника не успевает за электроникой, которая сейчас оперирует уже наносекундами (0,000 000 001 с). И все же наш мозг работает быстрее, экономичнее и надежнее, чем самая совершенная ЭВМ. И пока это остается загадкой, которая больше всего поражает воображение специалистов по бионике.

Как же возникает разность электрических потенциалов на мембране клетки? В предыдущей главе мы уже рассматривали клетку как систему, находящуюся в состоянии динамического равновесия: ионы калия "закачиваются" внутрь клетки из внешней среды вопреки знаку градиента их концентрации и стремятся снова выйти из нее под действием этого градиента. В отношении ионов натрия наблюдается обратная картина: ионный насос постоянно "заботится" о том, чтобы концентрация ионов натрия внутри клетки была меньше, чем во внешней среде. Посмотрим еще раз на рисунок, приведенный в предыдущей главе. Засасываемый внутрь клетки калий стремится выйти наружу, выкачиваемый из нее натрий стремится снова проникнуть внутрь. Несмотря а это, в клетке по сравнению с внешней средой содержится больше калия и меньше натрия — царит динамическое равновесие.

В электростатике существует строгий закон, который гласит, что для предотвращения возникновения огромных электростатических сил содержание носителей положительных и отрицательных зарядов в растворе всегда должно быть одинаково. Это требование электронейтральности. Следовательно, положительный катион может покинуть клетку лишь в том случае, если он заберет с собой и своего партнера — отрицательный анион. (Слова "положительный" и "отрицательный" как характеристики партнеров означают здесь только знак электрического заряда и ничего более.) И все-таки катионы проникают через мембрану клетки намного легче, чем анионы. Если бы отрицательно заряженный ион хлора по праву, данному ему электростатикой, не тянул назад в клетку своего подвижного партнера — положительно заряженный ион калия, — клетка стала бы бедна катионами. Удерживающие силы велики. Они предотвращают самое худшее.

И все же катион, упорно удерживаемый следующим за ним анионом, побеждает. Он оказывается на наружной стороне мембраны чуть раньше аниона. Этой маленькой разницы уже достаточно, чтобы возник некоторый вполне измеримый электрический потенциал. Так как ионы калия выходят из клетки, а ионы натрия, наоборот, входят в нее, оба эти процесса должны были бы взаимно компенсировать друг друга. Однако этого не происходит, потому что в норме выход калия намного больше, чем приток натрия. Клеточная мембрана так задерживает ионы натрия, что они проникают в клетку даже позже ионов хлора. Таким образом, электрический потенциал клетки определяется диффузией ионов калия. При возбуждении, например, нервных или мышечных клеток клеточные мембраны мгновенно перестраиваются: их проницаемость для ионов натрия значительно возрастает. В этом случае ионом, определяющим величину потенциала клетки, является натрий, который в соответствии со своим направлением диффузии меняет знак потенциала клетки на противоположный. Создается так называемый "потенциал действия" возбужденных клеток, который в отличие от "потенциала покоя" имеет положительный знак, и сама клетка при возбуждении заряжена положительно. Этот наглядный пример дает представление о природе биоэлектрических явлений.

Мы видели, что разность электрических потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны определяется состоянием динамического равновесия клетки. Остается нерешенным вопрос: как ионы засасываются в клетку? Решение его очень важно как для теоретической биологии, так и для практики сельского хозяйства и медицины. Ученые упорно работают над этой проблемой, и все же многое остается неясным. Установлено, что для регулирования концентраций ионов внутри клетки используется химическая энергия, в частности энергия аденозинтрифосфата (АТФ). Каким-то образом этот химический аккумулятор приводит в действие ионный конвейер, или, как его еще называют, ионный насос. Выяснение механизма работы такого насоса — одна из важнейших задач сегодняшней молекулярной биологии.

Здесь мы подошли к одной из наиболее интересных областей современной биофизики — биофизике мембран. Ионные насосы нужны не только для создания электрического потенциала. Они необходимы и для транспорта питательных веществ, воды, микроэлементов. Они создают осмотические силы, о которых мы уже говорили. Все транспортные потоки в клетке связаны между собой: один поток влияет на другой, управляет им и при необходимости обеспечивает его энергией. Клеточная мембрана, в которой все это происходит, не просто место действия таких процессов-благодаря своим молекулярным свойствам она активно управляет транспортными потоками и катализирует их взаимодействие.

Затронутые нами вопросы представляют интерес для врача, который прописывает средства для улучшения обмена веществ, следит за нарушением функции всасывания (резорбции) или пытается восстановить деятельность почек больного. Поскольку эти вопросы связаны также с использованием удобрения растениями, они касаются и работников сельского хозяйства. Удивительные возможности биологических мембран вызывают огромный интерес и у инженеров. В химической промышленности вещества разделяются преимущественно путем перегонки. Это сложно и требует значительных затрат энергии. Гораздо выгоднее было бы отделять конечный продукт от исходного вещества или побочных продуктов, используя мембраны с большой поверхностью. При опреснении морской воды, т. е. в области, особенно важной для народного хозяйства, такие мембраны уже успешно применяются.