Глава III

Электрическая энергетика
живой клетки

Мембраны нервных клеток

Почти все о генераторе электрического тока в мембране нервных волокон выяснил президент Королевского общества Англии Алан Ходжкин. Его работы были настоящим успехом физики в биологии, за что он удостоен Нобелевской премии. В советской физиологии в то время правила фазовая теория. Было ясно, что изменение знака потенциала при генерации нервного импульса фазовыми свойствами протоплазмы не объяснишь. И я придумал не противоречащую уже поставленным экспериментам фазово-мембранную гипотезу. Сторонник фазовой теории А. С. Трошин включил изложение этой гипотезы в свой доклад в Англии и в свою книжку. Он говорил, что именно этот доклад вызвал эксперименты Алана Ходжкина с перфузией гигантского аксона кальмара. Эксперименты убили фазово-мембранную гипотезу наповал: обычные нервные импульсы генерировала мембрана, лишенная протоплазмы. К счастью, у меня появились замечательные сотрудники Алексей Бабаков и Лев Ермишкин, и мы начали моделировать нервный импульс на искусственных фосфолипидных мембранах.
Hodgkin A.L. (1937) Evidence for electrical transmission in nerve. J.Physiol. 90. 211-232.

Либерман Е.А. (1961) Фазово-мембранная теория. Биофизика. 6. 177-182.

Babakov A.V., Ermishkin L.N., Liberman E.A. (1966) Influence of electric field on capacity of phospholipid membranes. Nature 210 (N 5039), 953-955.

Нервно-мышечный синапс

Английские ученые Поль Фэтт и Бернард Катц обнаружили, что медиатор выделяется из нервных окончаний порциями. В покое каждая порция вызывает на мембране мышечного волокна маленькое изменение разности потенциалов. Его так и назвали — «миниатюрным потенциалом». Нервный импульс в тысячи раз увеличивает частоту выделения. Множество одновременно возникающих миниатюрных потенциалов сливаются и образуют синаптический потенциал. Мы с помощью установки для счета альфа-частиц научились отводить миниатюрные потенциалы от нервно-мышечного соединения лягушки. Осталось решить, почему приходящий нервный импульс учащает слипание синаптических пузырьков с наружной пресинаптической мембраной.

Бернард Катц
Сначала казалось, что причина в том, что уменьшается разность потенциалов на мембране. В нормальном солевом растворе при этом увеличивается частота миниатюрных потенциалов. Если из раствора удалить ионы кальция, то увеличения не происходит. Если повысить концентрацию непроникающих ионов или нейтральных молекул (например, сахарозы), то частота выделения квантов увеличивается. Жанне Блиох, Ирине Глаголевой и мне удалось в этом разобраться. У нас был нервно-мышечный препарат грудной мышцы лягушки. Он состоял из одного слоя мышечных волокон. К ним нерв подходил перпендикулярно и разветвлялся в виде причудливого дерева, посылая нервные окончания к одиночным мышечным волокнам. На простой парафиновой пластинке прозрачных волокон этой грудной мышцы почти не видно. По совету Лилии Цофиной добавили к парафину растертого активированного угля и — увидели волокна. На этом препарате удалось получить миниатюрные потенциалы, качество которых оценил при посещении нашей лаборатории сам Бернард Катц.
Fatt P., Katz B. (1952). Miniature potentials. J.Physiol. 117. pp.109-1128.

Blioch Z.L., Glagoleva I.M., Liberman E.A., Nenashev V.A.(1968) A study of the mechanism of quantal transmitter release at a chemical synapse. J.Physiol. 199, 11-35.
Мы исходили из простой идеи: для слипания пузырьков с наружной мембраной пресинаптического волокна надо уменьшить ее поверхностный электрический заряд. Это могут делать ионы кальция. В растворах с кальцием слипание мембран происходит гораздо быстрей. Каждый нервный импульс вызывает не только деполяризацию пресинаптического окончания, но и вход внутрь окончания нервного волокна ионов кальция. Поэтому в растворе без кальция нет синаптической передачи. Одновременно эта гипотеза объясняла зависимость частоты миниатюрных потенциалов от осмотического давления. Повышение концентрации ионов или нейтральных молекул в наружном растворе приводит к тому, что из клетки выходит вода. Следовательно, увеличивается внутриклеточная концентрация катионов. В том числе и кальция.
Опыты по слипанию искусственных фосфолипидных мембран ставил Валерий Аркадиевич Ненашев.







Этот эффект долго не находил объяснения, поскольку осмотическое давление никак не влияет на распространение нервного импульса.
Мы послали статью Бернарду Катцу. Статью задержали надолго. Пока статья была у них, Бернард Катц сообщил, что удалось поставить прямые опыты с введением ионов Са++ в гигантские синапсы кальмаров. У этих синапсов толщина пресинаптического волокна достигает миллиметра. Он попросил нас сослаться на эти опыты. Их, по моему мнению, нельзя воспроизвести, поскольку кальций на пути к наружной мембране поглотят митохондрии. Добавляя разобщители окислительного фосфорилирования, Ирина Глаголева и Заур Хаджи-Мурадович Хашаев сумели освобождать кальций внутри нервного окончания из митохондрий. Оказалось, что все вещества, снимающие электрическое поле на мембране митохондрий, резко повышают частоту выделения квантов ацетилхолина.
Поль Фэтт перевел статью на правильный английский.

Глаголева И.М., Либерман Е.А,, Хашаев З.Х. (1970) Влияние разобщителей окислительного фосфорилирования на освобождение ацетилхолина из нервных окончаний // Биофизика. 15. 76-83.

Электрическая энергетика живой клетки

На семинаре И. М. Гельфанда Владимир Скулачев рассказал, что в биоэнергетике появился англичанин Питер Митчелл и дал ссылку на его статью с ремаркой, что Митчелла не понимает никто. Мне повезло, что я плохо знаю английский. Иначе меня всегда подавлял бы поток научной литературы. Статью переводила мне Лилия Цофина. С ней мы разбирались в мало понятных тогда идеях Митчелла о свойствах митохондриальной мембраны. После первых фраз статьи я подумал, что дальше пойдет речь о разности потенциалов на мембране митохондрий. Однако, автор думал, что возникнет лишь градиент pH. Он не знал тогда работ Алена Ходжкина. Идею Митчелла о том, что разобщители окислительного фосфорилирования являются переносчиками протонов, мы начали проверять вместе со Львом Кришталиком, Вячеславом Маркиным и Василием Топалы. Одновременно мы измеряли мембранный потенциал митохондрий и фоточастиц бактерий.
Мitchell P. (1961) Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism // Nature 191, 141.

Liberman E. A., Topaly V. P. (1968) Selective transport of ions through bimolecular phospholipid membranes. Biochim.Biophys. Acta 163, 125-136.

Maркин В. С., Кришталик Л. И., Либерман Е. А., Топалы В. П. (1969) Механизм проводимости синтетических фосфолипидных мембран в присутствии носителя ионов // Биофизика. 14. 256-264.
Все эти измерения велись методом проникающих ионов, разработанным В. П. Топалы и мной. Митохондрии специально для нас выделяли Елена Пинус и Инна Горская. Субмитохондриальные частицы делал Валдур Сакс, а фоточастицы — Виктор Самуилов. Рабочая атмосфера в молекулярном корпусе биофака МГУ, где также выполнялись эти работы, создавалась Владимиром Скулачевым. Он активно участвовал в исследованиях, сомневался и держал нас в курсе достижений мировой науки.

Как в мембране митохондрий работает протонный канал, выяснила Марина Владимирова. Она выделяла субмитохондриальные частицы, сдирала с них АТФазу, измеряла, как меняется мембранный потенциал после добавления олигомицина. Эксперимент доказал, что этот ингибитор действительно закрывает протонный канал АТФазы.

За серию работ по экспериментальному доказательству новой роли белков мембраны митохондрий в переносе зарядов в процессе синтеза АТФ в 1975 году мне, Скулачеву, Цофиной и Ясайтису была присуждена Госпремия СССР. Однако вскоре моя роль в биоэнергетике сошла на нет благодаря появлению среди нас настоящего экспериментатора Леля Драчева. Пришлось продолжить путь к хаиматике.
Либерман Е.А., Цофина Л.М.(1969) Активный транспорт проникающих анионов фрагментами митохондорий и фотофосфорилирующими бактериями // Биофизика. 14. 1017-1022.

Liberman E.A., Topaly V.P., Tsofina L.M., Jasaitis A.A., Skulachev V.P. (1969) Mechanism of coupling of oxidative phosphorylation and the membrane potential of mitochondria. Nature, 222, 1076-1078.

Isaev P. I., Liberman E. A., Samuilov V. D., Skulachev V. P., Tsofina L. M. (1970) Conversion of biomembrane producted energy into electric form. III. Chromatophores of Rhodospirillum rubrum. Biochim. Biophys. Acta 216, 22-29.

Либерман Е. А., Топалы В. П.(1969) Проницаемость бимолекулярных фосфолипидных мембран для липидорастворимых ионов // Биофизика. 14. 452-461.
    Made on
    Tilda