Биологические науки/ 9.Биохимия и биофизика.

Проф. Аужанова Н.Б., Сейтниязов Т.Т.

ЖГУ им. И.Жансугурова, СШ им.Г.Титова. Казахстан

Электрод внутри клетки

Все знают что, исследования жизненных процессов, происходящих в растениях, ведутся в наши дни самыми современными средствами, и использование электрической аппаратуры в таких исследованиях не редкость. Речь пойдёт об электрических явлениях, возникающих в организме самого растения в процессе жизнедеятельности.

Для изучения биоэлектрических явлений используются по преимуществу клетки харовых водорослей (Charóphyceae). Если измерить разность электрических потенциалов между вакуолью и наружной водной средой, в которой живёт водоросль, окажется, что она составляет довольно внушительную величину - 0,15 в, чтобы ввести электрод внутрь клетки достаточно иметь микроскоп и микроманипулятор. Нужно измерить разность электрических потенциалов между вакуолью и окружающее средой, это значит, что один электрод должны погрузить в наружный раствор, другой - в вакуоль, соединить его через вольтметр и посмотреть, какую цифру покажет его стрелка.

Как это сделать? Ввести внутрь клетки проволочку нельзя: она будет в контакте и с наружным раствором, и с протоплазмой, проводник, идущий внутрь клетки, должен быть от них надёжно изолирован и находится в контакте только и именно с вакуолярной жидкостью - клеточным соком. Стеклянную пипетку диаметром 1 мк заполнить раствором электролита (хлористого калия) и в толстую её часть вводят кусок проволоки - получают микроэлектрод, прекрасно удовлетворяющий требованиям измерений [1].

Итак, погружая один электрод в окружающий раствор, второй вводим внутрь клетки. Напряжение – 0,15 в. Пусть считается доказанным, что некие электрические явления могут наблюдаться на уровне отдельной клетки. Но именно здесь возникает вопрос: а почему? Откуда взялась разность потенциалов между вакуолью и наружным раствором? Зная, что электричество - это направленное движение направленных частиц, катионов и анионов, сложно предположить различный ионный состав наружной и внутренней среды. И возникающая разность потенциалов объясняется именно различием 0,15 в. перемещением ионов. Отметим, что стрелка вольтметра отклоняется на 0,5 в. в «минусовую» сторону; это означает, что вакуоль заряжена отрицательно по отношению к наружной среде. Значит у внутренней поверхности анионов несколько больше, чем катионов, у наружной - меньше. Для того чтобы получить столько уж раз упоминавшиеся напряжение 0,15 в., необходимо, чтобы концентрация электролита в вакуоли почти в 1000 раз превосходило его концентрацию в среде. Причина возникновения разности потенциалов в биологических тканях чрезвычайно проста - различие концентраций электролитов.

Сам по себе напрашивается вопрос: играют ли электрические явления в растениях физиологическую роль, или это просто побочная (практически неизбежное) следствие неравномерного распределения концентраций ионов? Можно ли с помощью измерения электрических эффектoв получить полезную информацию о тех или иных процессах жизнедеятельыости? Каким образом электрические характеристики клеток и тканей зависят от внешних условий?

До сих пор мы говорили лишь об одном показателе разности электрических потенциалов между вакуолью и наружной средой (потенциал покоя), но как измерить сопротивление клеточной мембраны? Приходится еще больше усложнять и без того непростые микроэлектродные измерения. Внутрь клетки вводится не один электрод, а два, причем один - примерно в середине клетки, второй - на определенном от него расстоянии, ближе к одному из концов вдоль клетки и параллельно ей в наружном растворе размешается проводка. Теперь пропустим через первый микроэлектрод и проводку импульс тока. При этом величина разности электрических потенциалов, регистрируемая с помощью второго электрода будет меняться тем сильней, чем больше сопротивление клеточной мембраны. Поскольку перенос тока через мембрану осуществляется ионами, ее сопротивление тем выше, чем меньше проницаемость для каждого сорта ионов и чем ниже их концентрация в окружающем растворе и вакуолях. Опять сталкиваемся с необходимостью измерения концентрации ионов в клеточном соке. Для измерений используются микроэлектроды особой конструкции. Чувствительный кончик такого электрода изготовлен из особого стекла и запаен наглухо.

Стекло, используемое для изготовления кончика - ионоселективное, - обладает очень высокой проницаемостью по отношению к какому-нибудь сорту ионов; и практически непроницаемо для других ионов.

В основу измерений, выполняемых с помощью такого электрода, положен эффект возникновения разности электрических потенциалов по обе стороны полупроницаемой мембраны. Сначала экспериментально устанавливается зависимость между величиной этого потенциала и концентрацией раствора, в который погружен кончик электрода. Ионоселективный электрод вводится в вакуоль, туда же вводится обычный микроэлектрод и по показанию вольтметра с помощью построенной ранее зависимости устанавливается внутриклеточная концентрация калия. Точность этого метода ниже, но зато он гораздо производительнее, а самое главное позволяет сохранить клетку жизнеспособной, пригодной для дальнейших измерений [2].

Очень интересно исследовать зависимость электрических явлений в клетке от концентрации ионов в вакуоли: более того, внутренние концентрации будут при этом известны точно - ведь экспериментатор сам может приготовить искусственный клеточный сок в пробирке, и добавлять туда что угодно.

Эксперимент по замене содержимого вакуоли с сохранением полной жизнеспособности клетки, в конце концов, тоже удался. В клетку нителлы (Nitella flexilis), с торцов вводятся две стеклянные микроиглы. По конструкции они в точности напоминают стекляный микроэлектрод, только кончик у них значительно толще - 30 мк. Ткань торцов клетки - почти полностью омертвевшая, и механические повреждения, связаннее с введением микроигл, клеткой практически не чувствуется. Вторая микроигла, в отличие от первой, служит для токов оттока вакуолярной жидкости наружу. Но, даже обладая столь совершенным инструментом, перфузию (прокачивание искусственного раствора через клетку) осуществить не так-то просто. Дело в том, что клеточный сок в растительной клетке находится под значительным давлением - около 8 атм. Высокое внутриклеточное давление возникает из-за все той же разности концентраций клеточного сока и наружной среды. Оказывается, что в семье растений - созданий скромных, непритязательных и спокойных - есть отдельные представители, с полным основанием называемые хищниками. Правда, специализированных «электрохищников» подобных знаменитому электрическому скату и электрическому угрю, поражающим свои жертвы сильным электрическим разрядом, в растительном царстве нет. Однако, электрические явления, происходящие в организме растений-хищников, имеют самое прямое отношение к их агрессивному поведению и столь странному для растений образу жизни.

Литература:

1. Галактионов С.Е., В.М.Юрин. Ботаники с гальванометром. - М.: Знание, 1979.

2. Патури Ф. Растения гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 1979.