Циркуляция протонов (изображение: www.Sciam.Ru)

Представим себе, например, белок, транспортирующий субстрат S. Если у белка есть два функциональных места, одно для S, другое для протона, так что поток S сопряжен с потоком протона, до движущая сила для протона оказывается приложенной и к S. Тогда транспорт протона будет не только облегчать перенос S через мембрану, но и действовать как насос, аккумулирующий субстрат внутри пузырька.

У живой клетки есть не только молекулярные генераторы и насосы, но и молекулярные «моторы». Эволюция создала несколько классов белков, способных преобразовывать химическую энергию в механическое усилие. Одни из них используют в качестве топлива гидролиз нуклеотидов, другие – непосредственно ионные градиенты. Есть шаговые белковые моторы, а есть роторные.

Последнее время проблемой преобразования химической энергии в механическую работу активно занялись компьютерные биологи. Они разработали математические модели, описывающие на формальном языке разные типы молекулярных моторов. Принципиальной трудностью, которую им пришлось преодолеть, оказалась невозможность использовать подходы, разработанные ранее для макроскопических моторов, поскольку на работу молекулярных моторов сильное воздействие оказывают термические флуктуации. По этой причине теоретики окрестили белковые моторы «Броуновскими машинами». Тем не менее, в 90-х г.г. XX столетия были разработаны алгоритмы, которые позволили создать ряд имитационных моделей, в частности, мотора бактериального жгутика, механического усилия полимеризующегося волокна, вращающегося мотора АТФ-синтазы.

Главный вывод, к которому пришли исследователи: работа молекулярных моторов вряд ли основана на новых физических или химических принципах, однако, похоже, что для каждого типа белковых моторов придется создавать свое теоретическое описание.

У электрической энергетики живой клетки есть еще одно очень важное свойство. При хемиосмотическом сопряжении энергии и работы не требуется прямого контакта между специфическим белком, создающим разность потенциалов через мембрану, и белком, совершающим какой-то вид работы: поток ионов или метаболитов обеспечит сопряжение двух векторных реакций на расстоянии при условии, что они соответствующим образом ориентированы в одной и той же мембране. Данное свойство успешно используется живыми клетками в митохондриальных сетях, работающих как электрические кабели. Учеными под руководством В.П. Скулачева митохондриальные сети были выявлены у разных типов клеток и исследованы с помощью современных методов электронной микроскопии, прижизненных флуоресцентных зондов, лазерной микрохирургии.

Более того, оказалось, что принцип Митчелла используется группами живых клеток для сопряжения производства энергии одной клеткой с совершением работы в соседней. Необходимое условие такой кооперации – наличие между клетками каналов, пропускающих значительные потоки ионов и метаболитов без утечек во внешнюю среду (см. ст. «Тайны нейроспоры», «В мире науки», №9, 2004 г.).