Владимир Скулачев - Рассказы о биоэнергетике
У бактерий электричество, генерируемое на свету, используется для синтеза АТФ, транспорта ионов внутрь клетки, вращения бактериальных жгутиков и т. д. Но зачем нужно электричество при зрении?
Пожалуй, самое поразительное свойство зрения состоит в том, что клетка палочки может возбуждаться одним-единственным квантом света. Ясно, что столь малая порция энергии может привести в действие механизм возбуждения только при условии размножения команды, поданной светом.
Есть несколько конкурирующих гипотез о способе размножения светового сигнала. Мы остановились на одной из них, так называемой кальциевой. В фоторецепторных дисках, заключенных внутри клетки палочки, накапливаются ионы кальция (вероятно, за счет энергии АТФ). При поглощении кванта света молекулой родопсина, встроенной в мембрану диска, происходит повышение проводимости этой мембраны для ионов, в частности для кальция. Ионы кальция выходят из диска, где их много, в омывающую диск цитоплазму, где их мало. Свет как бы дырявит диск, и этот мешок с кальцием начинает «протекать».
Поскольку в диске много ионов кальция, и все они могут «вытечь» через одну-единственную дырку, сделанную квантом света, происходит «размножение» сигнала: одинквант вызывает выход в цитоплазму многихионов кальция.
Следующее предположение состоит в том, что вышедший кальций достигает внешней мембраны клетки и закрывает имеющиеся в ней натриевые каналы. Катион Na+ перестает поступать в клетку, что повышает электроотрицательность внутриклеточного содержимого относительно межклеточной среды. Такое повышение мембранного потенциала (минус внутри клетки) и есть возбуждение. Весть об этом событии будет затем передана на окончания зрительного нерва и далее по нерву в мозг.
Отдельные моменты этой схемы доказаны. Так, известно, что ионы кальция, накопленные в дисках в темноте, выходят оттуда под действием света; что кальций, введенный в клетку, закрывает натриевые каналы, вызывает гиперполяризацию клеточной мембраны и возбуждение; что без кальция возбуждение невозможно и т. д.
Совершенно неясным оставался лишь первый этап всей этой длинной цепи событий: почему поглощение кванта света приводит к повышению проницаемости мембраны диска и достаточно ли быстро это происходит (весь зрительный акт от поглощения кванта до возбуждения зрительного центра в мозгу занимает порядка 100 миллисекунд, и потому любые процессы, включенные в передачу сигнала, должны протекать за время меньшее, чем 100 миллисекунд)?
Неожиданно для себя мы прежде всего получили ответ на второй из поставленных вопросов: быстро ли повышается проводимость мембраны под действием света.
Наши предшественники М. Монтал, У. Хейгенс (автор «кальциевой» гипотезы зрения) и другие использовали слишком медленные способы измерения. В наших опытах быстрым и чувствительным индикатором проводимости мембраны оказалась скорость спада фотопотенциала после лазерной вспышки. Чем больше проводимость, тем быстрее спадает фотопотенциал, что и неудивительно: «дырявая» мембрана не может удерживать разности потенциалов после выключения генератора.
Опыты показали, что медленнее всего спадает потенциал, полученный при первой вспышке света. Уже вторая вспышка дает более быстрый спад, а к двенадцатой спад фотопотенциала ускоряется примерно в сто раз. И здесь выяснилось, что этот эффект (ускорение спада) развивается за отрезок времени, меньший чем 100 миллисекунд. Стало быть, увеличение проводимости действительно может участвовать в основной цепи событий процесса зрения.
Интересно, что ускорение спада фотопотенциала было обнаружено благодаря ЭВМ. Повторные вспышки сильно снижают амплитуду фотопотенциала (с каждой следующей вспышкой все большая доля родопсина оказывается обесцвеченной, то есть выведенной из игры). Мы могли бы и не заметить ускорение спада на фоне резкого снижения амплитуды самого эффекта, тем более что первоначально об анализе динамики спада никто не думал: все внимание было сосредоточено на самом эффекте генерации потенциала.
А. Драчев, пробуя всевозможные варианты обсчета фотоэффекта, как-то раз попросил машину нормировать электрические ответы родопсина по их амплитуде. И немедленно обнаружилось, что с каждой последующей вспышкой ускоряется спад потенциала.
Итак, налицо было два новых факта: однократное срабатывание родопсина приводит, во-первых, к генерации разности потенциалов на мембране дисков и, во-вторых, к очень быстрому повышению проницаемости той же мембраны.
Второй из этих эффектов не что иное, как нарушение барьера, удерживающего ионы кальция внутри диска. Освобождение кальция из диска в цитоплазму — это согласно «кальциевой» гипотезе один из этапов зрительного акта. Но почему повышается проницаемость и в чем смысл первого эффекта - генерации разности потенциалов?
А что, если первый эффект — причина, а второй — следствие? Ведь известны случаи, когда разность потенциалов на мембране управляет ее проницаемостью, открывая ионные каналы. Именно так действуют электровозбудимые мембраны (например, мембрана нервного волокна — аксона). Существует и другой тип мембран — химически возбудимые, когда ионные каналы открываются под действием особых химических соединений — медиаторов. Примером такого рода может быть мембрана нервного окончания.
Так, может быть, мембрана диска относится к классу электровозбудимых? Тогда загадочная функция животного родопсина ничем не отличается от известной уже функции бактериородопсина: это производство электричества за счет света. Отличие двух систем будет лишь в дальнейшей судьбе полученного родопсинами электричества. У бактерий созданная за счет света разность потенциалов идет на синтез АТФ и обеспечение других видов работы клетки, а в фоторецепторных дисках она, эта разность потенциалов, открывает в мембране какие-то ворота, через которые затем выходят из диска ионы кальция.
Неужто мы свели концы с концами? Да, теперь, по-видимому, мы можем разъяснить все основные обстоятельства дела.
Понятно, почему так похожи два родопсина: ведь функция у них общая! Или почему кальций на свету выходит из дисков: поле, образованное родопсином, прорубает в мембране дорогу этому иону. Ясно также, в чем причина неудач наших предшественников: пока оставались неизвестными «паспортные данные» родопсиновых генераторов, не было оснований приписывать зрительному родопсину ту функцию, которая выяснена для родопсина бактериального.
Кому же я достанусь...
Но ведь ранний рецепторный потенциал клеток сетчатки (РРП) был обнаружен еще до открытия бактериородопсина, причем имелись основания приписать этот РРП родопсину. Так почему же физиологи не решились отнести фоторецепторную мембрану к разряду электровозбудимых?
Сегодня мы можем ответить и на такой вопрос. Загвоздка была в малой величине фотопотенциала. РПП даже при сильном освещении не превышал нескольких милливольт. А ведь для возбуждения достаточно одного кванта света. Расчет показывает, что даже если мы переведем всю энергию этого кванта в электричество, то разность потенциалов на мембране диска не превысит 10 микровольт, считая, что она делокализуется по всему диску. Это мизерная величина, если требуется совершить что-нибудь полезное.
Но кто сказал, что родопсиновый потенциал сначала делокализуется, расползается по всему диску, а потом уж работает? Почему бы не работать локальному полю, возникающему в той точке мембраны, где родопсин перенес через мембрану заряд?
Тот же расчет для локального поля дает огромную величину — около 2 вольт. Даже если принять КПД родопсинового генератора всего за 10 процентов, то локальное поле будет около 200 милливольт. Такая разность потенциалов более чем достаточна, чтобы открыть кальциевый канал, особенно если он заключен в самой молекуле родопсина.
Единственное условие для механизма, использующего локальное поле, - это быстродействие: надо успеть сработать, пока поле еще не растеклось по диску. Как достичь максимального быстродействия? Надо иметь наготове какое-то не слишком сложное устройство, отвечающее нужным образом на появление поля.
Что проще: создать специфический канал или сломать барьер? Конечно, второе. Ломать — не строить.
Наша гипотеза состоит в том, что поле, генерируемое молекулой родопсина, вызывает электрический пробой в том самом месте мембраны, где располагается эта молекула. Пробой означает повышение проницаемости мембраны. Именно этот эффект и приводит к истечению ионов кальция из диска.
Любопытно, как природа жертвует второстепенными моментами ради решения главной задачи. Фоторецепция — одна из самых чувствительных и быстрых систем организма. Она отвечает на столь слабое воздействие, как поглощение одиночного кванта света, причем первичный ответ на свет развивается в рекордно короткие сроки. И этим двум ведущим характеристикам: чувствительности и быстродействию — принесены в жертву другие параметры механизма, которые оказываются менее совершенными по сравнению с прочими устройствами такого типа.
