Ключ для расшифровки

Эта история в свое время произвела настоящую сенсацию. В течение долгого времени исследователи во многих странах не могли прочитать египетские иероглифические надписи. Выбитые на камне ровные ряды загадочных знаков, несмотря на все усилия ученых, хранили молчание. И вот в 1799 году во время египетского похода Бонапарта близ маленького городка Розетты была найдена массивная плита из черного базальта. Когда ее очистили от въевшейся в камень грязи, увидели надписи на трех языках. Одна была сделана на древнеегипетском языке - иероглифами, вторая - скорописью на египетском языке, третья - на греческом. Во всех надписях, высеченных на камне в 196 году до нашей эры, фигурировало имя Птолемея V Епифана. Это помогло французскому ученому Ж. Шампольону расшифровать тайну египетских иероглифов. Розеттский камень положил начало изучению древнеегипетской иероглифической письменности.

Митохондрии, мельчайшие образования внутри клеток млекопитающих, могут служить своего рода розеттским камнем при расшифровке всех процессов превращения энергии в клетках. И конечно, с митохондриями целесообразно познакомиться поближе. Для этого их необходимо выделить из клетки.

Если бы мы захотели получить их сами, то пришлось бы тепло одеться: на ноги натянуть валенки с галошами, под медицинский халат - ватную куртку, а на голову шапку. Ничего не поделаешь: придется работать в так называемой холодной комнате, в которой постоянно поддерживается температура от 0 до 4 градусов тепла. Митохондрии - нежные внутриклеточные образования, и при комнатной температуре они легко могут разрушиться.

Когда мы придем в холодную комнату, соответствующие растворы, инструменты и оборудование уже должны быть приготовлены. Ведь их температура должна быть не выше 4 градусов по Цельсию.

Затем берут какой-нибудь орган экспериментального животного, например, печень крысы. Ткань ополаскивают в слабом растворе сахарозы с некоторыми добавками, сушат фильтровальной бумагой и режут ножницами на мелкие кусочки. Промытые тем же раствором сахарозы кусочки печени переносят в стеклянный узкий стакан и с помощью вращающегося пестика растирают в однородную с виду массу. Конечно, в этой массе, помимо митохондрий, много лишнего: обрывки тканей, неразрушенные клетки и все другие их составные части.

Теперь нужно освободиться от "мусора". Для этого кашицу разливают в пробирки, включают центрифугу и начинают вращать пробирки со сравнительно небольшой скоростью в течение 10 минут. При ускорении 600 g почти весь "мусор" оседает на дно пробирки, а нужные нам митохондрии остаются сверху над осадком. Они при таких ускорениях не оседают. Экспериментатор пользуется этим свойством митохондрий. Дождавшись, когда центрифуга перестала вращаться, он осторожно сливает раствор в чистые пробирки. В этом растворе содержатся митохондрии.

Но вот задача. А если с митохондриями находятся другие, еще более легкие, чем сами митохондрии, частицы? Надо посмотреть. Однако сделать это далеко не просто. Митохондрия настолько мала, что в обычный школьный микроскоп ее не увидишь. Но в любой современной лаборатории есть еще и так называемые фазово-контрастные и электронные микроскопы. А разрешающая способность последних такова, что детально рассмотреть митохондрию не представляет особого труда.

Полученные нами образцы митохондрий поступают в лабораторию электронной и световой микроскопии. Через некоторое время приходит ответ: митохондрии весьма чистые.

С помощью электронного микроскопа, специальных методов обычной световой микроскопии, фазово-контрастного микроскопа и других приемов строение митохондрий было изучено достаточно подробно.

Мы вступаем в микромир. Здесь свои единицы измерения. Чтобы определить размер митохондрий, придется упростить задачу и представить себе "усредненную митохондрию". Ведь эти частицы внутри клеток очень подвижны, легко меняют форму, и, кроме того, их величина в клетках различных тканей сильно колеблется.

Наша усредненная митохондрия имеет форму огурчика длиной около 20 тысяч ангстрем и шириной около 5 тысяч (ангстрем - 0, 000 001 миллиметра).

Митохондрий в клетке, как правило, много. В печени обыкновенной лабораторной крысы почти 22 процента объема клетки занимают митохондрии, больше тысячи штук в каждой. Митохондрии часто располагаются поближе от тех мест, в которых идут процессы, требующие значительных количеств энергии. Особенно легко это заметно в клетках первоклассных летунов - насекомых, обыкновенной комнатной мухи, комара, осы или пчелы. У них митохондрии располагаются правильными рядами вдоль мышечных волоконцев. Расстояние между источником энергии, которым является известная уже нам АТФ, и местом ее потребления, сократительными волоконцами, резко уменьшается. Иными словами, путь от производителя до потребителя укорачивается. В

мышечных клетках митохондрии более или менее закреплены, а вот в клетках печени могут довольно-таки свободно перемещаться.

11 февраля 1969 года у доски объявлений Лондонского института инженеров-электриков собралась толпа студентов и' преподавателей. Объявление о лекции поражало даже видавших виды лондонцев: "В серийном производстве. Линейный двигатель характеризуется прочностью и надежностью. Конструкция проверена и оптимизирована в ходе испытаний, проводившихся в течение очень длительного времени в глобальном масштабе. Все модели высокоэкономичны и могут работать на общедоступных видах топлива".

Далее перечислялись другие преимущества машины. Кончалось объявление совсем необычной фразой: "Может служить пищей". Озадаченные студенты недоумевали. Только во время лекции все наконец прояснилось. Речь шла о живой мышце.

Если мышцу можно рассматривать как универсальную машину с уникальными техническими характеристиками, которая пока превосходит любой механизм, созданный руками человека, то митохондрия, конечно, является удивительным энергетическим блоком.

С помощью специального режущего устройства, которое называют микротомом, можно нарезать митохондрии на тонкие ломтики. Если рассматривать их под электронным микроскопом, то можно увидеть две полупроницаемые оболочки, две мембраны: наружную и внутреннюю. Наружная обычно гладкая, а внутренняя, наоборот, образует большое количество складок. Их называют кристами. В митохондриях клеток крысиной печени складки расположены нерегулярно в клетках летательной мышцы хорошо всем известной синей мясной мухи похожи на перфорированные листочки бумаги, уложенные в рыхлую пачку.

Сложность и многообразие форм объясняется необходимостью увеличения поверхности мембраны. Ведь в ней располагаются многочисленные ферменты, имеющие самое непосредственное отношение к образованию энергии. Естественно, что для размещения большого числа "жильцов" необходима и соответствующая "жилплощадь". Пространство между двумя мембранами заполнено студнеобразной жидкостью, или, как говорят биологи, матриксом, приблизительно на 50 процентов состоящим из белка. Здесь видны какие-то образования, гранулы. Какую роль они выполняют, к сожалению, пока неизвестно.

Теперь остается рассмотреть молекулярное строение самой мембраны. Она чем-то напоминает сандвич: два ломтика хлеба, между которыми намазан слой масла. Сандвич, конечно, необычный, толщиной всего 50-60 ангстрем. Его наружные стенки - белковые молекулы, а внутреннее содержимое жировое... Биологи обычно называют жиры липидами. Строение мембран митохондрий в известном смысле универсально, так как по этому принципу построены многие другие полупроницаемые оболочки.

Ключ для расшифровки

Поверхность мембран огромна. Площадь мембран митохондрий, которые содержатся в печени обыкновенной белой лабораторной крысы, составляет солидную величину - 40 квадратных метров! Если выделить все митохондрии из сердца этого неутомимого труженика и рассчитать поверхность их мембран, получим еще более впечатляющую величину - 250 квадратных метров! Ну а если ткань живого организма работает очень интенсивно, какова тогда поверхность мембран? В летательной мышце синей мясной мухи, например? Фантастически велика - 400 квадратных метров!

Нетрудно заметить в этом и определенную общебиологическую закономерность. Чем интенсивнее работа, которую должны совершать клетки, чем больше затраты энергии, тем больше и поверхность мембран. Это, в свою очередь, связано с необходимостью увеличить "площадь" для так называемых "ферментных ансамблей", тесно связанных между собой групп ускорителей химических реакций.

В последнее время возник вопрос о сферических частицах, сидящих на тонких ножках на внутренней поверхности мембран. Известный исследователь энергетических процессов в живой клетке Е. Рэкер и его сотрудники провели серию убедительных экспериментов.

В митохондриях, выделенных из сердца быка, содержится вещество, которое ученые назвали "фактор Ф₁". Это белок с довольно-таки большим молекулярным весом. Если лишить митохондрии сердца быка фактора Ф₁, то образования энергии в них не происходит. В электронный микроскоп в этом случае сферические частицы не видны. Когда к митохондриям вновь добавляют фактор Ф₁ процессы образования энергии восстанавливаются. И удивительное дело - на электронных микрофотографиях снова видны крошечные сферические тельца.

Мы совершили нечто вроде путешествия внутрь митохондрий. Чтобы не попасть в положение человека, не увидевшего за деревьями леса, полезно рассмотреть митохондрии в живой клетке. Если эти наблюдения сопровождать специализированной микросъемкой, то можно увидеть интереснейшие вещи. Прокрутив кинофильм, можно заметить, что митохондрии "шевелятся" и перемещаются из одного места клетки в другое. Они способны набухать и сокращаться в объеме.

Изменение внешних условий, добавление химических веществ вызывают сжатие или набухание митохондрии. Они меняют форму и объем и при заболеваниях. Если лабораторных белых крыс заставить поголодать несколько дней, то митохондрии печени этих животных набухают, а число внутренних перегородок уменьшается. Если кормление возобновляется, митохондрии очень скоро приобретают прежний нормальный вид.

Форма митохондрий довольно-таки изменчива. Обычно они имеют вид нитей, у некоторых организмов - гранул. При определенных изменениях внешней среды митохондрии чем-то напоминают дубинку доисторического человека, а иногда очень смахивают на вполне современную теннисную ракетку. Пеструю картину можно наблюдать у рыб через несколько часов после кормления. Обычно нитевидные митохондрии принимают и форму пузырьков, и теннисных ракеток, и дубинок. Через двое суток после приема пищи картина снова меняется: большинство митохондрий опять имеет форму нитей.

Вопрос о происхождении митохондрий оказался довольно-таки сложным. Во всяком случае, тут еще широкое поле деятельности для исследователей. Считается, что за 5-10 дней половина митохондрий в клетках печени обновляется. Если это так, то возникает законный вопрос: откуда берутся новые?

Существует несколько гипотез происхождения этих универсальных генераторов энергии. А когда гипотез много, это свидетельствует, что экспериментальных фактов все еще не хватает и многое еще неясно.

Одна группа ученых допускает возможность их образования из старой, материнской митохондрии. Новые митохондрии возникают в результате деления ранее существовавших.

Другие ученые полагают, что митохондрии возникают всякий раз заново из простейших составных частей клетки. Их мнение основывается на опытах с популярным объектом для биологических исследований - морским ежом. Когда яйца морского ежа подвергали центрифугированию, то получали фракцию, не содержащую митохондрий. Однако через некоторое время в этих фракциях появились митохондрии.

Наконец, третья группа считает, что митохондрии образуются из полупроницаемых оболочек, пронизывающих внутреннее содержимое клетки. И эти представления опираются на экспериментальные факты. Подобную картину можно наблюдать, например, на бактериях. Сравнительно недавно к такому же заключению пришли исследователи, работающие с нервными окончаниями термолокаторов змей - специальных органов, воспринимающих инфракрасные лучи,