Зачем плавают белки
Идет эксперимент. Цель его — выяснить функции некоторых ферментов, отвечающих за очищение живых организмов от вредных, а порой и смертельных для них веществ. Печень животных довольно хорошо справляется с нашествием таких веществ благодаря исключительно надежным и простым системам выделения. Они удивительно мобильны и умеют приспособиться к весьма тяжелым условиям существования. В одном из экспериментов биологи буквально закармливали подопытных крыс люминалом и ДДТ. Печень животных увеличилась в два раза, но все-таки сумела ликвидировать грозную опасность, нависшую над животными.
Процесс выделения сравнительно несложен, когда вредные вещества легко растворимы в воде. Над этим работают почки и легкие, кишечник и кожные покровы. Действуя сообща, они быстро восстанавливают положение. Ситуация резко ухудшается, если в организм попадают молекулы, которые «не берет» вода. Они, как правило, прекрасно растворяются в различных жирах и поэтому довольно быстро оказываются внутри биомембран, становясь недосягаемыми для выделительных систем. Накопившись, они начинают свое вредоносное действие, порой смертельное для живого организма.
Таковы химикаты, которые используются сейчас в сельском хозяйстве, многие лекарственные вещества, пищевые добавки и тому подобное. Биохимики объединили их общим именем «ксенобиотики», что означает «чуждые жизни». Если бы не поистине гениальная предусмотрительность природы, нашествие ксенобиотиков могло бы принести человечеству гораздо более печальные последствия, чем те, о которых так много сейчас говорят.
Способ борьбы — единственный: надо присоединить к нерастворимым молекулам ксенобиотиков «водяную» группу ОН и сделать их растворимыми. Тогда вода вынесет из организма накопившийся там шлак. Этим и занимаются мембраны печени — своеобразного обезвреживающего центра живых организмов. Специальные ферменты поставляют в мембрану электроны, с помощью которых резко активируется содержащийся в мембранах кислород. Активированный кислород образует не менее активные осколки молекул воды, которые тут же внедряются внутрь упорных молекул ксенобиотиков.
Дальнейший путь стереотипен — вон из организма! Таким способом печень способна победить все фармацевтические фабрики мира — утверждают оптимистически настроенные биохимики.
Любопытно одно — системе окисления полностью безразлично, что получится в результате ее работы. Задача одна — сделать растворимой ненужную или даже вредную для организма молекулу. Что будет потом — система не знает. Из неканцерогена может получиться канцероген, из полностью безвредных веществ — весьма неприятный мутаген, воздействующий на потомство, или даже токсичное вещество — яд. Забота о последствиях не входит в функции элементарной системы окисления. У нее своя узкая, молекулярная задача, которую не может выполнить ни одна из сотен других систем живого организма. Такое разделение труда характерно для животного и растительного мира.
Вскрыт механизм окисления сравнительно недавно, хотя предложил его еще в 1894 году русский биохимик академик А. Н. Бах. Почти шестьдесят лет эта гипотеза не пользовалась популярностью у ученых, пока не была полностью подтверждена экспериментально. Состоит система из нескольких компонентов. В ее истоках — питательное вещество: субстрат с длинным названием никотинамидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно НАДФН). Специальный белок — флавопротеид, который имеется практически во всех клетках, отнимает от субстрата электроны и передает их ферменту, носящему название цитохром-Р450. Затем фермент разбивает молекулу кислорода на два активных атома, снабжая их электронами.
Атомы кислорода сразу же принимаются за работу по «орошению» молекул, предназначенных для эвакуации из организма. Тем временем молекулы цитохрома-Р450 получают новую порцию электронов для дальнейшей деятельности. «Фабрика электронов» действует с полной нагрузкой до тех пор, пока не появится команда сократить «выпуск продукции» или даже вообще временно прекратить работу, так как опасность миновала.
Так элементарно и вместе с тем удивительно надежно устроен механизм удаления жирорастворимых веществ. Но система оказалась не такой простой, как сначала решили биологи, а гораздо более хитрой и всеобъемлющей.
Выяснилось, что кроме основной цепи, где главным действующим лицом является цитохром-Р450, в мембранах печени имеется цепь побочная, в которой переносом электронов занимается другой фермент — цитохром b5. Причем эта цепь, как говорят биохимики, задействована, и молекулы фермента постоянно «готовы к бою», так как всегда содержат резервные электроны.
Зачем этот обходный путь? — задумались ученые. В качестве «пожарной команды» система не годится. Выяснилось, что хотя цитохрома b5 в мембранах много, он не может быстро передать электроны кислороду.
Но, может быть, функции новой системы иные, а вовсе не дублирование окислительной деятельности цитохрома-Р450? Не служит ли цитохром b5 своеобразным складом электронов, которые необходимы организму для других реакций? Ведь не случайно этот фермент не способен сам по себе передавать электроны на кислород, чтобы активировать его молекулы. Тогда каким же образом и куда он транспортирует элементарные отрицательные заряды?
Решением этих вопросов и занялись ученые. В первом из опытов биохимики добавили в раствор, содержащий мембраны с цитохромом b5, родственный ему фермент — цитохром-С. Как было известно заранее, молекулы этого фермента умеют быстро снимать с молекул цитохрома b5 электроны. Опыт — ученые назвали его «школьным» — полностью подтвердил их ожидания: появление в растворе цитохрома-С резко ускорило процесс окисления. Взяв это на заметку, ученые начали серию экспериментов, результаты которых их весьма поразили.
Сначала они заменили «добавку», подмешав в раствор вместо цитохрома-С некоторое количество мембран другой внутриклеточной структуры — так называемых митохондрий. Эффект остался количественно тем же.
Выходит, — сказали ученые,— электроны можно передать с одной мембраны на другую без всякого водорастворимого переносчика!
Идея весьма смелая, даже, можно сказать, кощунственная. Следует еще один — тонкий, трудный, но донельзя убедительный опыт. В смесь запущены мембранные пузырьки, часть которых содержит флавопротеид и цитохром b5, а другая часть — только цитохром. Без этого белка цепь не работает, электроны не могут появиться у цитохрома b5. Однако когда в смесь добавили питательный субстрат, выяснилось, что все молекулы цитохрома оказались насыщенными электронами, хотя для некоторых из них субстрат выглядел «запретным плодом», съесть который они никак не могли без участия флавопротеида. Не могли, а съели! Каким образом? Почему заполучили электроны не только те молекулы цитохрома b5, которые были в мембране с флавопротеидом, но и те, что оставались в гордом одиночестве?
Чтобы цитохром b5 получил электрон из другого пузырька, где его собрат насыщается электронами с помощью флавопротеида, он должен с этим пузырьком столкнуться. Иного способа передачи нет. Значит, и молекулы флавопротеида, и молекулы цитохрома должны обладать способностью «плавать» по поверхности мембраны. Лишь в этом случае возможно столкновение, при котором заряды могут покидать один диэлектрик и попадать на второй. Выходит, что мембраны — это не только перегородки между клетками, а еще и своеобразные пути сообщения, по которым из одной части клетки в другую, от одной мембраны к другой могут перемещаться молекулы белков, с помощью передачи электронов способствуя реакциям окисления — восстановления.
Теперь становится понятным, почему природа изготовила мембраны жидкими, тем самым создав своеобразные «реки», которые, как им положено, служат и преградой, и путями сообщения.
А эффект, который, как они надеются, открыли ученые, носит название «межмембранный перенос электронов».
Последним из экспериментов был опять-таки довольно примитивный внешне опыт. Сосуд разделили перегородкой с калиброванными порами, через которую могли проникать лишь очень мелкие частички. В один отсек налили смесь, содержащую клетки печени, в которых флавопротеид был отравлен специальным ядом. Так что клетки эти не могли участвовать в окислении, хотя питательных веществ в смеси было сколько угодно. Цепочка оказалась разорванной. Другой отсек заполнили мелкими мембранными пузырьками, содержащими и флавопротеид, и цитохром b5. Сами по себе эти пузырьки способны к окислению, но очень слабо. Но началось окисление как раз в том отсеке, который содержал клетки, заведомо не способные к действию. Мелкие частички соседнего отсека прошли перегородку и передали свои электроны. Тогда цепь клеток в другом отсеке ожила, и началась бурная реакция.
Опять-таки объяснение однозначное. Передача электронов была чисто физической — никаких биохимических переносчиков смесь не содержала.
Автор: Б. Смагин.