Энергия, секс, самоубийство

Лэйн Ник

В 1961 г. Митчелл, тогда еще работавший в Эдинбурге, послал в Nature статью с радикально новой гипотезой. Он предположил, что дыхание в клетке происходит за счет хемиосмотического сопряжения, под которым понимал химическую реакцию, которая может создавать осмотический градиент (верно также и обратное). Слово осмос знакомо нам со школьной скамьи, даже если мы запамятовали, что это, собственно, такое. Обычно под осмосом понимают поток воды через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Митчелл, любивший переосмысливать термины, имел в виду нечто совершенно другое. Резонно было бы предположить, что «хемиосмос» — это поток через мембрану не воды, а каких-то химических веществ, но и это было не так. Митчелл использовал слово «осмос» в оригинальном греческом значении «толчок». Хемиосмос по Митчеллу — это проталкивание молекул через мембрану против градиента концентрации, то есть, в некотором смысле, прямая противоположность

осмосу, который происходит по градиенту концентрации. Функция дыхательной цепи, говорил Митчелл, не более и не менее чем толкать протоны через мембрану, создавая резервуар протонов с другой стороны. Мембрана — это плотина. Сдерживаемая ею сила протонов может выпускаться понемногу, маленькими толчками, обеспечивая образование АТФ.

Это работает так. Вспомним предыдущую главу: комплексы дыхательной цепи заякорены в мембране. Атомы водорода, поступающие в дыхательную цепь, расщепляются на протоны и электроны. Электроны проходят по цепи, как ток по проволоке, за счет последовательных окислительно-восстановительных реакций (рис. 7).

Рис. 7. Упрощенная схема дыхательной цепи. В целом она такая же, как и на рис. 5, но теперь показана природа посредника — это протон. Электроны (e-) переносятся по цепи от комплекса I к комплексу IV, и энергия, высвобождающаяся на каждом шаге, сопряжена с проталкиванием протона через мембрану. Это приводит к разности концентрации протонов по обеим сторонам мембраны. Ее можно измерить как разность кислотности (pH — это концентрация протонов) и как разность электрических потенциалов (протон несет один положительный заряд). Резервуар протонов — это хранилище потенциальной энергии, так водохранилище на вершине холма служит источником потенциальной энергии, которую можно использовать для получения энергии гидроэлектрической. Сходным образом, поток протонов по градиенту концентрации можно использовать для совершения работы, в данном случае синтеза АТФ. Поток протонов через АТФазу называется «протон-движущей силой»; он включает-миниатюрный молекулярный моторчик — АТФазу, и она начинает синтезировать АТФ из АДФ и фосфата

Никакого макроэргического химического посредника при высвобождении энергии не образуется, говорил Митчелл; тильда неуловима, потому что ее нет. Все происходит иначе: энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, используется для закачивания протонов через мембрану. Три дыхательных комплекса из четырех используют энергию, высвобождающуюся в процессе переноса электронов, для проталкивания протонов через мембрану. В других местах мембрана непроницаема для протонов, поэтому их обратный ток невозможен. Образуется хранилище протонов. Протоны несут положительный заряд, а значит, протонный градиент имеет как электрический, так и концентрационный компонент. Электрический компонент создает на разных сторонах мембраны разность потенциалов, а концентрационный компонент создает разность кислотности (под кислотностью (pH) понимается концентрация протонов) — снаружи среда более кислая, чем внутри. Сочетание градиента pH и разности потенциалов по разные стороны мембраны представляет собой «протон-движущую силу» (термин, предложенный Митчеллом). Именно эта сила обеспечивает синтез АТФ. Поскольку АТФ синтезируется АТФазой, Митчелл предсказал, что АТФаза приводится в действие протон-движущей силой, то есть потоком протонов по градиенту их концентрации из созданного ранее протонохранилища. Этот поток протонов Митчелл любил называть протонным электричеством, или протичеством.

Теорию Митчелла игнорировали, принимали в штыки, считали сумасшедшей или объявляли неоригинальной. Рэкер позже писал: «На фоне тогдашних умонастроений научного сообщества эти формулировки звучали как высказывания придворного шута или безумного пророка». Митчелл излагал свои мысли на странном, почти мистическом языке электрохимиков и опирался на концепции, о которых энзимологи того времени не имели почти никакого представления. Всерьез, хоть и скептически, их поначалу приняли только Рэкер и Билл Слэйтер из Амстердама (еще один ученик Кейлина), но Слэйтер скоро потерял терпение.

Сам Митчелл только усугублял ситуацию. Блестящий оратор и неутомимый спорщик, он мог ни с того ни с сего раздраженно оборвать собеседника или пуститься в велеречивые разъяснения. Его манера вести дискуссию доводила оппонентов до белого каления. Однажды в споре с Митчеллом Слэйтер, вне себя от ярости, запрыгал на одной ноге. Столкновения не прошли бесследно и для Митчелла, который заработал себе язву желудка и был вынужден уйти из Эдинбургского университета. На два года он совсем отошел от науки и занялся восстановлением заброшенной усадьбы Глинн-хаус около Бодмина в графстве Корнуолл, превратив ее в свою семейную резиденцию и частный исследовательский институт. Он вернулся на научный фронт в 1965 г., препоясав чресла к предстоящим битвам. И они не заставили себя ждать. Споры, бушевавшие следующие два десятилетия, получили название «окисфоссных» войн (от окислительного фосфорилирования — механизма образования АТФ при дыхании).

Объяснительная сила протон-движущей силы

Гипотеза Митчелла объясняла абсолютно все затруднения прежних теорий. Стало понятно, зачем нужна мембрана и почему она должна быть целой и невредимой. Через поврежденную мембрану протоны протекали бы обратно, и протон-движущая сила рассеивалась бы в виде тепла. От дырявой плотины толку нет.

Объясняла она и действие загадочных разобщителей. Вспомним, что разобщение —

это утрата связи между окислением глюкозы и производством АТФ (ситуация, когда слетела цепь и велосипед не едет, сколько ни жми на педали). Прежде казалось, что единственная общая черта разобщающих агентов — это рассоединение «входа» и «выхода» энергии. Митчелл показал, что у них есть и общее химическое свойство: все разобщители — это слабые кислоты, растворяющие липиды мембраны. Поскольку слабые кислоты могут связывать, а могут и высвобождать протоны в зависимости от кислотности окружающей среды, они могут переносить протоны через мембрану. В щелочных или слабокислых условиях они теряют протон, получают отрицательный заряд и, притягиваемые электрическим зарядом, переходят на положительную («кислую») сторону мембраны. Затем, как и полагается слабым кислотам в сильнокислых условиях, они снова «подбирают» протон. Это нейтрализует электрический заряд, и слабые кислоты снова подпадают под влияние градиента концентрации. Они переходят на менее кислую сторону мембраны, теряют протон и попадают под действие электрического притяжения. Такой цикл возможен, только если разобщитель растворяется в мембране независимо от того, связал он протон или нет, и именно этот тонкий момент и сбивал с толку исследователей. (Некоторые слабые кислоты растворимы в липидах, но только после присоединения (или потери) протона; потеряв (или присоединив) протон, они перестают быть жирорастворимыми, а значит, не могут снова пересечь мембрану. Поэтому такие слабые кислоты не разобщают дыхание.)

Хемиосмотическая гипотеза объясняла также одну, даже более важную проблему — достойное магии вуду «действие на расстоянии», для которого, казалось, совершенно необходим макроэргический посредник, та самая неуловимая тильда. Протоны, закачанные через мембрану в одном месте, создают силу, которая действует одинаково на всей поверхности мембраны, — так, давление воды на плотину зависит от общего объема воды, а не от местонахождения насоса. Таким образом, протоны закачиваются через мембрану в одном месте, но могут возвращаться через АТФазу в любом другом месте мембраны с силой, которая зависит от общего давления протонов. Иными словами, химического посредника нет. Посредником служит сама протон-движущая сила. Заодно стало понятно, как в производство АТФ может быть вовлечено нецелое число электронов. На каждый перенесенный электрон через мембрану действительно закачивается фиксированное число протонов, но некоторые из них просачиваются обратно через мембрану, а другие расходуются не на работу АТФазы, а на другие цели (подробнее об этом в следующем разделе).

Кроме того, — и это, возможно, главное, — хемиосмотическая теория позволяла сформулировать целый ряд четких предсказаний, которые можно было проверить. На протяжении следующего десятилетия Митчелл, обосновавшийся в обновленном Глинн-хаусе вместе со своей верной соратницей Дженнифер Мойл и другими исследователями, доказал, что по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий действительно возникает и градиент pH, и разность потенциалов (около 150 мВ). Может показаться, что это мало (всего лишь десятая часть напряжения батарейки карманного фонарика), но посмотрите на это в молекулярном контексте. Толщина мембраны — не более 5 нм (10^{– 9} м), поэтому напряжение между ее сторонами составляет примерно 30 миллионов вольт на метр, что равносильно удару молнии и в тысячи раз больше мощности домашней электропроводки. Митчелл и Мойл также показали, что внезапное повышение концентрации кислорода вызывает кратковременное повышение числа закачиваемых через мембрану протонов; они показали, что дыхательные «разобщители» действительно переносят протоны туда-сюда через мембрану, как челноки; а еще они показали, что АТФаза действительно приводится в действие протон-движущей силой. Они продемонстрировали, что закачивание протонов сопряжено с транспортировкой электронов по дыхательной цепи и что оно замедляется или даже останавливается, если заканчивается «сырье» (атомы водорода, кислород, АДФ или фосфат).

К этому времени Митчелл и Мойл были уже не единственными экспериментаторами в хемиосмотической области. Рэкер помог склонить сомневающихся на сторону хемиосмоса, показав, что изолированные дыхательные комплексы, добавленные к искусственным липидным пузырькам, сохраняют способность создавать протонный градиент. Однако наибольшее значение для убеждения ученых, по крайней мере ботаников, в справедливости теории Митчелла имел один конкретный эксперимент, который поставили Андрэ Ягендорф и Эрнест Юрайб из Корнелльского университета. Поначалу, кстати, Ягендорф принял хемиосмотическую гипотезу в штыки. Он писал: «Слушал, как Питер Митчелл рассказывал о хемиосмосе на встрече биоэнергетиков в Швеции. Его слова влетели мне в одно ухо и вылетели через другое; все, что осталось — это досада на организаторов, пригласивших такого смехотворного и малопонятного докладчика».

Однако в 1966 г. Ягендорф и Юрайб поместили мембраны хлоропластов в кислоту при pH = 4 и подождали, пока концентрация кислоты по обе стороны мембраны уравновесится. Затем они ввели в препарат щелочь (pH = 8), так что разница кислотности по разные стороны мембраны составила 4 единицы pH. Результатом оказалось образование большого количества АТФ. При этом ни света, ни какого-либо другого источника энергии не было; синтез АТФ происходил за счет одной только разницы в концентрации протонов. Обратите внимание, что Ягендорф и Юрайб работали с фотосинтетическими мембранами. Поразительная особенность теории Митчелла заключалась в том, что она подводила общую базу под разные и, казалось бы, не связанные между собой способы производства энергии, а именно фотосинтез и дыхание. В обоих случаях синтез АТФ происходит за счет протон-движущей силы.