Annotation

О становлении и борьбе идей в биоэнергетике, о том, каким образом ученым удалось заглянуть в мир функционирующих белковых молекул, рассказывает автор — член-корреспондент Академии наук СССР.

Об авторе

Часть I. История новой науки

Глава 1. Чем занимаются биоэнергетики?

Рождение биоэнергетики

Глава 2. Что такое энергетический обмен?

Как клетка получает и использует энергию

АТФ клетки - разменная валюта

Где и как образуется АТФ?

Глава 3. От микробиологии к биоэнергетике

Муравьиный язык

Митохондрии производят АТФ в пробирке

Глава 4. Два пути

Факт или артефакт?

Стриженные голуби

Бурый жир

Глава 5. Крепкий орешек

Жертва «закона Паркинсона»

Ложная аналогия

Парадокс веществ-разобщителей

Глава 6. Митчел и его догадка

Начало пути

Чисто умозрительное построение

Хемиосмотическая гипотеза

Корни гипотезы

Одна из многих гипотез?

Глинн Хауз. Ослы и дети

Глава 7. Поражения и победы

«Глинновские лаборатории»

Первые опыты Митчела и Мойл

«Варшавская битва». Поражение

Серебряный звук трубы

Первая «Серая книга» Митчела

Протонофоры

Красные флажки на карте

Конформационная гипотеза

Ягендорф, Витт, Булычев и другие

«Чудо-ионы»

История повторяется

Карфаген должен быть разрушен!

Протеолипосомы

Глава 8. Белки-генераторы тока

Драчев и бактериородопсин

Суп из топора

Последняя капля

Глава 9. Признание

Принцип Митчела

Нобелевский лауреат

Ароморфoзы в науке и «комплекс Герострата»

Йоги и биоэнергетика

Часть II. Биоэнергетические механизмы

Глава 1. Молекулярные электростанции

Протонная АТФ-синтетаза

Цитохромоксидаза

Хлорофилльные генераторы

Фотосинтез без хлорофилла

Родопсин и зрение

Глава 2. Электродвигатель, изобретенный бактерией

Флагелла, крюк и диски

Протонный потенциал движет бактерией

Вращение хлоропластов

Глава 3. Двойная бухгалтерия живой клетки

Зачем клетка обменивает натрий на калий?

Электрический кабель цианобактерий

Глава 4. К новым рубежам

Скулачев Владимир Петрович 'Рассказы о биоэнергетике'

Москва

«Молодая гвардия» 1985

Издание второе

C 2001040000-292 286-85

078(02)-85БК 28.071 С46

©

Рассказы о биоэнергетике

О становлении и борьбе идей в биоэнергетике, о том, каким образом ученым удалось заглянуть в мир функционирующих белковых молекул, рассказывает автор — член-корреспондент Академии наук СССР.

Издательство «Молодая гвардия», 1982 г.

Рассказы о биоэнергетике. 2-е изд. — М.: Мол. гвардия, 1985—191 с., ил.— (Эврика).

100000 экз.

ИБ № 4629

Редактор Л. Антонюк

Художник А. Колли

Художественный редактор Т. Войтневич

Технический редактор Е. Михалева

Корректор В. Назарова

Сдано в набор 10.06.85.

Подписано в печать 26.11.85.

А00974. Формат 84×1081/32.

Бумага типографская № 2.

Гарнитура «Литературная».

Печать высокая.

Усл. печ. л. 10,08.

Усл. кр.-отт. 10,5.

Уч.-изд. л. 10,1.

Тираж 100000 экз. (50001 — 100 000 экз.).

Заказ 804.

Типография ордена Трудового Красного Знамени издательства ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия».

Адрес издательства и типографии: 103030, Москва, К-30, Сущевская, 21.

Об авторе

Скулачев Владимир Петрович

Член-корреспондент Академии наук СССР Владимир Петрович Скулачев - один из первых лауреатов премии Ленинского комсомола, человек известный в кругу биоэнергетиков. Начал он с того что, стриг голубей и в результате он обнаружил новый путь окисления питательных веществ в клетке тканей животных. Потом он выяснил, что, исследуя энергетику клетки, биохимики не досчитались одной из двух форм "конвертируемой энергетической валюты", роль которой на ряду с известным каждому школьнику АТФ выполняет протонный потенциал. Послушать об этом открытии Скулачева собрались в Торонто восемь тысяч его коллег - делегатов второго II Всемирного биохимического конгресса. Знаменитый голландский биохимик Э. Слейтер назвал Скулачева в числе трех ученых, чьи работы доказали справедливость (химеосмотической) гипотезы биоэнергетики, выдвинутой Митчелом, за что автор гипотезы был отмечен Нобелевской, а автор этой книги и его сподвижники - Государственной премиями.

Часть I. История новой науки

Глава 1. Чем занимаются биоэнергетики?

Диоген

Рождение биоэнергетики

... 1968 год. Маленький, ослепительно белый итальянский городок Полиньяно на берегу Адриатического моря изнывает от майого зноя. А во дворце графа Мьяни полумрак и прохлада. За овальным столом, покрытым толстым зеленым сукном, течет неспешная беседа. Здесь симпозиум, но не в древнем смысле, который, вероятно, был бы уместнее в этом старинном доме («симпозиум» — «собрание с вином и женщинами»). На столе нет вина, а немногие женщины в зале — сплошь ученые дамы.

История новой науки

Один из научных симпозиумов, которым сегодня нет числа, в общем-то закончен. Полсотни биохимиков собрались с разных концов света на несколько дней, чтобы оценить глубину своего неведения о сущности одного из обычных для биологии чудес. Завтра они разъедутся по домам, так и не узнав, каким именно образом живое существо использует окружающий мир для получения необходимой ему энергии. Позади доклады о, маленький фактах и больших идеях, споры здесь, во дворце, и на морском берегу, размышления в тиши нашего временного, но комфортабельного пристанища — отеля, вырубленного прямо в нависающей над морем скале.

Да, ясности еще нет. Нет точного знания, которое позволяет, например, собрать автомобиль по изготовленному конструктором чертежу. Надо еще работать и работать. Это понимают все: и скептики, и оптимисты, сидящие за зеленым столом, — скромнейший старец сэр Г. Кребс, первооткрыватель самого знаменитого, названного в его честь биохимического цикла, нобелевский лауреат, чье имя еще при жизни было выбито на медали, вручаемой за особые заслуги перед наукой Федерацией европейских биохимиков; Л. Эрнстер из Швеции, по-птичьи склоняющий голову набок и посверкивающий из-под седых бровей острым взглядом голубых глаз; грузный, флегматичный американец Б. Прессман; отчаянные спорщики — итальянцы Э. Квальярелло, Дж. Аццоне, С. Папа...

Вдруг австралиец Э. Слейтер, похожий с виду на пастора, поднимает два пальца и говорит:

— Нам нужно выбрать имя. Давайте, наконец, как-нибудь назовем то, чем мы с вами занимаемся.

Будь Слейтер красноречивей, он сказал бы, наверно, что настал час поднять свой собственный флаг, что в нашем деле забрезжила надежда на успех, что уже виден путь к нему, долгий и трудный путь, в конце которого нам, может быть, откроется чертеж механизма, изобретенного природой, чтобы обеспечить энергией все проявления жизни.

Сначала разъять живую клетку на молекулы, отобрать среди них только те, что отвечают за энергообеспечение клетки, пока она жива, и затем воссоздать из этих молекул трансформирующий энергию механизм — вот путь познания, если мы хотим уяснить, как клетка обеспечивает себя энергией.

Похожий путь однажды уже одолели биологи, исследовавшие другое свойство живого существа, столь же универсальное, как функция энергообеспечения, а именно способность производить себе подобных. Оказалось, что среди великого множества веществ, составляющих клетку, есть только одно, наделенное возможностью создавать свою копию, — это особый биополимер — дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Из клетки удалось выделить ДНК и белок — фермент, помогающий этой молекуле при ее воспроизводстве (репликации). Затем были найдены условия для того, чтобы два партнера — ДНК и фермент — вели синтез новых молекул ДНК из соответствующего строительного материала — нуклеотидов.

На взгляд химика, ДНК и белок — весьма сложные молекулы. Для биолога это предельно простая система, поскольку дальнейшее ее упрощение с неизбежностью ведет к потере биологического свойства. Расщепив полимерные молекулы ДНК и белка на мономеры (нуклеотиды и аминокислоты), мы получаем смесь низкомолекулярных соединений, лишенную всякой способности к самовоспроизведению. Вот почему молекулярная генетика имеет дело с макромолекулами. Это справедливо и для других разделов молекулярной биологии — науки, изучающей ту или иную биологическую функцию на уровне макромолекул или их комплексов.

Молекулярная биология — есть биология высокомолекулярных соединений. Не может быть биологии низкомолекулярных веществ. Тем более нельзя говорить о субмолекулярной биологии, квантовой биологии и т. п. Фактически эти термины лишены смысла и лишь вводят в заблуждение.

Но хоть молекулы биополимеров и сложны, они все же индивидуальные химические соединения. Поэтому уровень точности знаний, достигнутый химией, в принципе достижим и в молекулярной биологии. Здесь биология впервые становится действительно точной наукой в самом своем существе.

Нет сомнений, что прорыв биологии на точный молекулярный уровень должен иметь самые важные последствия как для науки, так и для практической деятельности человека. И в общем-то можно понять амбиции молекулярных биологов, рассматривающих изучение каждой из фундаментальных функций живой клетки как самостоятельную научную отрасль, которая имеет право на свое собственное имя.

Любое проявление жизни связано с затратами энергии. Живое существо, пусть даже такое мелкое, как бактерия, — это чрезвычайно сложная и совершенная система, создание которой потребовало миллионы веков эволюционного развития. Чтобы поддерживать существование такой системы, стремящейся перейти в более устойчивое с точки зрения термодинамики неживое состояние, необходим постоянный приток свободной энергии.

Мозг, лишенный доступа кислорода, погибает через несколько минут. В других органах также происходят необратимые изменения при нарушении доставки энергетических ресурсов, хотя этот трагический момент наступает чуть позже, чем в мозге.

Правда, описаны бактерии, все еще сохраняющие нормальную жизнедеятельность в течение нескольких часов после исчерпания внешних источников энергии. Но это уже один из тех рекордов, которые преподносит нам время от времени мир микробов с их поразительной способностью приспосабливаться к неблагоприятным условиям.

Итак, одна из функций, присущих всему живому, — способность к энергообеспечению за счет тех или иных внешних энергетических ресурсов. Как же назвать науку, изучающую энергообеспечение живых существ? Тогда, в Поликьяно, после недолгого спора остановились на биоэнергетике.

(Слово «биоэнергетика» вошло в обиход с легкой руки А. Сцент-Дьердьи, прославившегося в свое время выделением первого витамина — аскорбиновой кислоты. Так называлась небольшая книжка, опубликованная Сцент-Дьердьи в 1956 году. В этом труде можно было, как всегда, найти множество увлекательных мыслей и гипотез, но случилось так, что испытание временем выдержало лишь слово, вынесенное автором на обложку.)

Сначала в некоторых биологических центрах появились группы, лаборатории, отделы биоэнергетики (одним из первых был отдел биоэнергетики в МГУ, созданный в 1965 году). Затем с конца 60-х годов стали издаваться журналы и сборники по биоэнергетике, пошли симпозиумы, конференции, курсы под этим названием. И вот сегодня биоэнергетика — одно из популярных научных направлений со своим кругом идей, объектов и методов, своими лидерами и соперничающими школами, словом, интернациональный организм, живущий и развивающийся по собственным законам.

Вслед за известными успехами этой ветви биологии пришла мода и появилась тенденция писать слово «биоэнергетика» во всех случаях, где речь идет об энергетическом аспекте живых систем, невзирая на степень их сложности. В этом смысле первым биоэнергетиком нужно признать Платона, размышлявшего о судьбе пищи в организме. Что же до современных исследователей, пытающихся добыть точные сведения о биологических преобразователях энергии, то их придется величать «молекулярными биоэнергетиками».

В этих очерках я буду держаться того определения биоэнергетики, о котором мы договорились семнадцать лет назад в Полиньяно, «в час жаркого весеннего заката». Не общие соображения и не внешнее, всегда приблизительное описание превращений энергии в клетке, а точный чертеж биологического трансформатора — вот цель, смысл, «сверхзадача» биоэнергетики. В этой книге я хочу рассказать о том, как биоэнергетики пытаются решить свою сверхзадачу. Речь пойдет об успехах и неудачах молодой науки, о людях, посвятивших себя биоэнергетике, и о путях, которые они выбирают.

Я не могу обещать вам легкого чтения. Если вы взялись за эту книгу, чтобы узнать кое-что о новой науке - биоэнергетике, вам придется иногда напрягать свой интеллект. Моя цель — ввести вас в круг основных идей и сведений о молекулярном механизме одной из важнейших функций живого организма — функции энергообеспечения.

В первой части книги речь пойдет об истории становления биоэнергетики и основных понятиях этой отрасли биологии. Более детальное рассмотрение устройства главных биологических преобразователей энергии — белков — генераторов тока, этих электростанций размером в молекулу, можно найти во второй части.

По ходу рассказа я попытаюсь показать, как делается современная наука. Излагая свои работы более подробно, чем некоторые результаты других ученых, я надеюсь на снисхождение читателей: рассказчик, говоря о событии, всегда стремится подробнее описать эпизод с его непосредственным участием. Биоэнергетика — очень молодая наука. Еще нет учебника, к которому можно было бы отослать любознательного читателя. Есть лишь обзорные статьи, доступные только специалистам. И если мне удастся понизить барьер в восприятии новых представлений об энергообеспечении живых организмов, то я сочту, что эта книга выполнила свою основную задачу.

Глава 2. Что такое энергетический обмен?

Как клетка получает и использует энергию

Чтобы жить, надо работать. Эта житейская истина вполне приложима к любым живым существам. Все организмы: от одноклеточных микробов до высших животных и человека — непрерывно совершают различные типы работы. Таковы движение, то есть механическаяработа при сокращении мышц животного или вращении жгутика бактерии; синтезы сложных химических соединений в клетках, то есть химическаяработа; создание разности потенциалов между протоплазмой и внешней средой, то есть электрическаяработа; перенос веществ из внешней среды, где их мало, внутрь клетки, где тех же веществ больше, то есть осмотическаяработа. Помимо перечисленных четырех основных типов работы, можно упомянуть образование тепла теплокровными животными в ответ на понижение температуры окружающей среды, а также образование света светящимися организмами.

Что такое энергетический обмен

Все это требует затрат энергии, которая черпается из тех или иных внешних энергетических ресурсов. Первичным источником энергии для биосферы служит солнечный свет, усваиваемый фотосинтезирующими живыми существами: зелеными растениями и некоторыми бактериями. Создаваемые этими организмами биополимеры (углеводы, жиры и белки) могут затем использоваться в качестве «топлива» всеми остальными — гетеротрофными — формами жизни, к которым относятся животные, грибы и большинство видов бактерий.

Биополимеры пищи могут быть весьма разнообразны: это сотни различных белков, жиров и полисахаридов. В организме происходит распад этого «топлива». Прежде всего полимерные молекулы распадаются на составляющие их мономеры: белки расщепляются на аминокислоты, жиры — на жирные кислоты и глицерин, полисахариды — на моносахариды. Общее количество различных типов мономеров измеряется уже не сотнями, а десятками.

В дальнейшем мономеры превращаются в небольшие по величине моно-, ди- и трикарбоновые кислоты с числом углеродных атомов от 2 до 6. Этих кислот всего десять. Их превращение замкнуто в цикл, названный циклом Кребса в честь его первооткрывателя,

В цикле Кребса происходит окисление карбоновых кислот кислородом до углекислого газа и воды. Именно образование воды в результате реакции молекулярного кислорода с водородом, отщепленным от карбоновых кислот, сопровождается наибольшим выделением энергии, в то время как предшествующие процессы служат главным образом лишь подготовкой «топлива». Окисление водорода кислородом, то есть реакция гремучего газа (О2+2Н2 = 2Н20), в клетке разбито на несколько стадий, так что освобождающаяся при этом энергия выделяется не сразу, а порциями.

Так же порциями происходит освобождение энергии, поступающей в виде кванта света, в клетках организмов-фотосинтетиков.

Итак, в одной и той же клетке существует, во-первых, несколько реакций освобождения энергии и, во-вторых, множество процессов, идущих с поглощением энергии. Посредником этих двух систем, совокупность которых называется энергетическим обменом, служит особое вещество — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

АТФ клетки - разменная валюта

Для энергетического обмена клетки очень важны так называемые сопряженные химические реакции. В каждой такой реакции связываются воедино два различных процесса: один, сопровождающийся выделением энергии, и другой, требующий ее затрат. В результате оказывается, что первый (энергодающий) процесс становится движущей силой для второго процесса, потребляющего энергию.

В начале 40-х годов известный биохимик Ф. Липман высказал гипотезу, что различные реакции освобождения энергии в клетке всегда сопряжены с одной и той же реакцией, а именно синтезом АТФ из ее предшественников — аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганической ортофосфорной кислоты (Н3РО4). С другой стороны, реакции расщепления (гидролиза) АТФ до АДФ и Н3РО4 сопряжены, по Липману, с совершением различных типов полезной работы. Другими словами, образование АТФ служит универсальным накопителем энергии, а расщепление АТФ — универсальным поставщиком энергий.

Еще до публикации гипотезы Липмана советские ученые, В. Энгельгардт и В. Белицер, установили, что внутриклеточное дыхание, то есть окисление водорода карбоновых кислот кислородом, сопряжено с синтезом АТФ. Образование АТФ было показано также при гликолизе (расщепление углеводов до молочной кислоты в отсутствие кислорода), В 50-е годы американский биохимик Д. Арнон продемонстрировал синтез АТФ у растений за счет энергии света.

В то же время были описаны многочисленные случаи энергообеспечения работы клетки за счет гидролиза АТФ. Выяснилось, что синтез белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот из соответствующих мономеров «оплачивается» энергией АТФ. В. Энгельгардт и М. Любимова обнаружили расщепление АТФ сократительным мышечным белком. Это открытие позволило понять, каким образом обеспечивается энергией работа мышцы. К настоящему времени несомненна причастность АТФ также и ко многим другим процессам, потребляющим энергию.

Итак, клетка использует энергетические ресурсы, чтобы получить АТФ, а затем тратит этот АТФ, чтобы оплатить различные виды работы.

Где и как образуется АТФ?

Первой системой, для которой выяснили механизм образования АТФ, оказался гликолиз — вспомогательный тип энергообеспечения, включающийся в условиях нехватки кислорода. При гликолизе молекула глюкозы расщепляется пополам и полученные обломки окисляются до молочной кислоты.

Такое окисление сопряжено с присоединением фосфорной кислоты к каждому из фрагментов молекулы глюкозы, то есть с их фосфорилированием. Последующий перенос фосфатных остатков с фрагментов глюкзы на АДФ дает АТФ.

Механизм образования АТФ при внутриклеточном дыхании и фотосинтезе долгое время оставался совершенно неясным. Было известно только, что ферменты, катализирующие эти процессы, встроены в биологические мембраны — тончайшие пленки (толщиной около одной миллионной доли сантиметра), состоящие из белков и фосфорилированных жироподобных веществ — фосфолипидов.

Мембраны — важнейший структурный компонент любой живой клетки. Внешняя мембрана клетки отделяет протоплазму от окружающей клетку среды. Клеточное ядро окружено двумя мембранами, которые образуют ядерную оболочку — преграду между внутренним содержимым ядра (нуклеоплазмой) и остальной частью клетки (цитоплазмой). Кроме ядра, в клетках животных и растений находят еще несколько структур, окруженных мембранами. Это эндоплазматическая сеть — система мельчайших трубочек и плоских цистерн, стенки которых образованы мембранами. Это, наконец, митохондрии — шарообразные или вытянутые пузырьки размером мельче ядра, но крупнее компонентов эндоплазматической сети. Диаметр митохондрии обычно около микрона, хотя иногда митохондрии образуют ветвящиеся и сетчатые структуры протяженностью в десятки микрон.

В клетках зеленых растений, помимо ядра, эндоплазматической сети и митохондрий, находят еще и хлоропласты — мембранные пузырьки более крупные, чем митохондрии.

Каждая из этих структур выполняет свою, специфическую биологическую функцию. Так, ядро — вместилище ДНК. Здесь происходят процессы, лежащие в основе генетической функции клетки, и начинается сложная цепь процессов, приводящая в конечном итоге к синтезу белка. Этот синтез завершается в мельчайших гранулах — рибосомах, большая часть которых связана с эндоплазматической сетью. В митохондриях происходят окислительные реакции, совокупность которых называется внутриклеточным дыханием. Хлоропласты отвечают за фотосинтез.

Клетки бактерий устроены проще. Обычно они имеют только две мембраны — внешнюю и внутреннюю. Бактерия — это как бы мешок в мешке, а точнее, очень мелкий пузырек с двойной стенкой. Здесь нет ни ядра, ни митохондрий, ни хлоропластов.

Существует гипотеза, что митохондрии и хлоропласты произошли из бактерий, захваченных клеткой более крупного и высокоорганизованного существа. Действительно, биохимия митохондрий и хлоропластов во многом напоминает бактериальную. Морфологически митохондрии и хлоропласты тоже в известном смысле подобны бактериям: они окружены двумя мембранами. Во всех трех случаях: в бактериях, митохондриях и хлоропластах — синтез АТФ происходит во внутренней мембране.

Долгое время считалось, что образование АТФ при дыхании и фотосинтезе протекает аналогично уже известному превращению энергии при гликолизе (фосфорилирование расщепляемого вещества, его окисление и перенос остатка фосфорной кислоты на АДФ). Однако все попытки экспериментально доказать эту схему оканчивались неудачей.

Глава 3. От микробиологии к биоэнергетике

Муравьиный язык

Для меня эта история началась четверть века назад, когда на третьем курсе биофака МГУ я решил заняться тем, что сейчас мы называем биоэнергетикой, рискованной в общем-то областью биологии. Как правило, здесь ничего не увидишь, не уловишь на слух и не пощупаешь руками. Приходится доверять приборам, способным улавливать слабые отклики событий, сопутствующих превращениям энергии в мельчайших крупинках живой материи.

Здесь нет ничего сложнее, чем угадать единственно правильный путь среди тысячи, казалось бы, равных возможностей. И нет ничего проще, чем придумать новую гипотезу: достаточно располагать неким минимумом сведений и способностью логически мыслить.

В детстве я увлекался муравьями: в лесу искал их «столицы», следил за дорожками, расчищенными и утоптанными маленькими тружениками. Показывал приятелям разные виды муравьев, давая им собственные названия, а однажды под 'большим секретом сообщил своим друзьям, что узнал «муравьиный язык», и потом все лето сочинял истории, которые будто бы рассказывали мне мои шестиногие собеседники. Мальчишки верили или просто делали вид, что верят, приняв тем самым правила игры.

Муравьиный язык

Но вот в конце лета в компании появилась девочка постарше. Мое общение с муравьями ей показалось сомнительным, и она решила вывести фантазера на чистую воду. Неподалеку от нашей дачи был муравейник моих любимцев — крупных неторопливых черно-красных муравьев, которых я окрестил «красношейками». Втайне от нас девочка выкопала около муравейника небольшую ямку.

- Узнай у своих муравьев, откуда взялась эта ямка? — попросила она.

Что делать? Я выбрал «красношейку» поголовастей, посадил его в ямку и через минуту-другую водворил его на свою ладонь. Я внимательно наблюдал за беспорядочными движениями его усиков, мучительно соображая, кто бы мог вырыть злосчастную ямку! Я сразу понял, что это проверка. Но кто же мог меня проверять, кроме самой девочки, ведь ребятам очень нравились и рассказы о муравьиных войнах, и изготовление кораблей для Муравьевой поиски исторических мест муравьиных баталий. Не могли же они сами разрушить весь этот замечательный мир! Значит, моей обличительнице никто не помогал!

— Муравей говорит, что эту ямку вырыла ты! Носком туфли!

Этот свой детский триумф я вспомнил на первой студенческой практике в Чашникове, когда среди предложенных нам самостоятельных работ по зоологии беспозвоночных обнаружил одну «муравьиную» тему. Сильно волнуясь, я спросил у преподавателя, можно ли заняться муравьями именно мне. Согласие было получено, и, взяв с собой определитель насекомых, я немедля отправился в ближайший лес на поиски местных муравьев.

Вскоре выяснилось, что здесь тоже водится мой любимый «красношейка», который в действительности называется «красногрудый древоточец». По-латыни его имя звучало для меня как гимн: Camponotus herculianus. Это торжественное сочетание звуков говорило само за себя, особенно рядом с названием суматошного рыжего «лесняка», который оказался всего лишь муравьем лесным, Formica rufa rufa.

Целыми днями я пропадал в лесу, испытывая чувство, которое можно сравнить с утолением жажды или радостью встречи после долгой разлуки с любимой женщиной, потерянной, казалось, навсегда.

Когда я рассказал о своей работе «Муравьи и защита растениями нектара от муравьев» на кафедре зоологии беспозвоночных, мне предложили специализироваться по этой кафедре. Соблазн был велик. Поступая в МГУ, я собирался стать биохимиком, но эту сложную науку изучают на старших курсах. А сейчас на столе лежит мой первый научный опус, уже получивший одобрение такого признанного мирмиколога (специалиста по муравьям), как профессор Арнольди, а доцент Абрикосов, высокий старик с пристальным взглядом голубых глаз и тонкими длинными пальцами собирателя коллекций, рассказывает мне о дальних экспедициях и повадках полюбившихся с детства беззащитных трудолюбивых созданий.

Но я решил все же пойти в биохимики.

Мне не довелось больше заниматься муравьями, однако я никогда не жалел о днях, потраченных на мирмикологию. Эта скромная наука позволила почувствовать гармонию бесконечно сложного мира, каким оказывается любой живой организм под внимательным взглядом биолога. Я убежден, что такого рода занятия дают хороший иммунитет против поспешных упрощенных решений, которые часто предлагают нам химики и физики, пришедшие в биологию, так сказать, со стороны.

Что же до языка муравьев, то он был недавно открыт, и не без помощи биохимиков. Оказалось, что муравьи располагают, если угодно, «химическим» способом передачи информации. Они выделяют пахучие вещества разных типов, каждое из которых — сигнал к тому или иному коллективному действию.

Если, например, муравей находит добычу, неподъемную для одного, он возвращается к муравейнику, непрерывно орошая свой путь летучим эфиром определенного состава. Второй муравей, случайно наткнувшись на этот след, воспринимает запах эфира как сигнал, что надо бежать в сторону ослабления запаха, то есть в направлении, противоположном тому, куда отправился первый муравей, а стало быть, к неподъемной добыче. Так же поступают и другие муравьи, напавшие на след первого, и вскоре у добычи оказывается достаточное количество «носильщиков».

Обладая набором эфиров, выделяемых муравьями, можно управлять полчищами насекомых, заставляя, например, бесчисленную муравьиную семью в какой-то момент сняться с обжитого места, покинуть муравейник и отправиться по прочерченному вами на земле маршруту.

Митохондрии производят АТФ в пробирке

На кафедре биохимии животных, куда я попал после экскурса в мирмикологию, опыт обычно начинали с того, что животному отрезали голову. Уже сам по себе этот акт, в научных протоколах обозначавшийся как «декапитация», символизировал биохимический подход к изучению жизненных явлений. Биохимик стремится анализировать их на более простых, чем организм, системах, таких, как органы, ткани, тканевые срезы, клетки, внутриклеточные частицы и, наконец, индивидуальные вещества биологического происхождения. Чем проще объект, тем вернее успех, и так вплоть до предела, за которым исчезает интересующее нас биологическое свойство.

Митохондрии производят АТФ в пробирке

В биоэнергетике середины 50-х годов «точка исчезновения интереса» лежала на уровне митохондрий. Опыт ставили следующим образом. У обезглавленной только что крысы (кролика, голубя и т. п.) извлекали печень, разрезали ножницами на кусочки размером 1—3 кубических миллиметра и смешивали с раствором специально подобранного состава, предотвращающим немедленное разрушение митохондрий и порчу их ферментов.

Затем смесь гомогенизировали, то есть измельчали до такого состояния, чтобы разрушить оболочки клеток. Для этой цели применяли несложный прибор, состоящий из мотора, тефлонового пестика и широкой стеклянной пробирки, диаметр которой чуть больше толщины пестика. Вращение пестика приводило к разрыву клеток, попавших в зазор между внутренней стенкой пробирки и пестиком. В результате клеточное содержимое смешивалось с добавленным раньше раствором, и подучался так называемый гомогенат.

Следующая стадия - выделение митохондрий из гомогената, в котором содержатся и другие компоненты— клеточные ядра, обломки оболочки и различных внутриклеточных мембран и, наконец клеточный сок — жидкая часть протоплазмы.

Каждый из этих компонентов имеет свой характерный удельный вес, что и используется для их разделения. В принципе разделение должно произойти само по себе, если просто оставить пробирку с гомогенатом стоять достаточно долгое время. Сначала на дно осядут самые тяжелые частицы — неразрушенные клетки и кусочки ткани, затем появится слой ядер и обломков клеточной оболочки. Потом настанет черед митохондрий и т. д. Кстати, именно так выделяют эритроциты из крови, оставляя кровь постоять в пробирке или капиллярной трубке. В этом суть РОЭ — реакции оседания эритроцитов — известного всем медицинского анализа крови.

Но эритроциты — это клетки, а интересующие нас митохондрии — внутриклеточные частицы и, стало быть, нечто более мелкое, чем клетки. Их диаметр всего несколько микрон; состоят митохондрии из белков и легких жироподобных веществ — фосфолипидов и поэтому оседают очень медленно. Чтобы ускорить этот процесс, применяют центрифугирование. Вращение пробирки, помещенной в центрифужный ротор, многократно увеличивает силу тяжести. Если задать такую скорость вращения, чтобы сила тяжести возросла в 10 тысяч раз, то нескольких минут оказывается достаточно, чтобы отбросить митохондрии на дно пробирки.

...Передо мной центрифужная пробирка, а в ней коричневый осадок, похожий на печеночный паштет. Здесь должны быть миллиарды отдельных митохондрий. Так ли это? Посмотрим в микроскоп. На пределе увеличения видны чуть вытянутые частицы. Они находятся в беспорядочном движении - броунируют. Добавляю каплю красителя «янус зеленый». Если частицы окрасятся в зеленый цвет, значит, это митохондрии. Частицы зеленеют. Пока все идет нормально. Но к чему еще способны эти митохондрии, безжалостно вырванные из привычной среды и лишенные своих партнеров по протоплазме?

В 1949 году американцы Э. Кеннеди и А. Ленинджер доказали, что изолированные митохондрии печени способны на главное — они окисляют вещества кислородом и за счет получаемой таким образом энергии синтезируют АТФ. Спустя шесть лет тот же опыт повторил на кафедре биохимии животных МГУ дипломник из ГДР Г. Шарфшверт. Мне, студенту-третьекурснику, надо овладеть его ремеслом, ведь через год он уедет в Берлин вместе со всеми секретами этого тонкого опыта.

Я взбалтываю осадок митохондрий, прилив к нему все тот же «щадящий» раствор, дополненный окисляемыми веществами и фосфатом, и помещаю суспензию в сосудик Варбурга — смешное создание фантазии стеклодувов, похожее на толстую бабу с ведрами на коромысле. Сосудик прикрепляется к манометру и помещается в водяную баню с температурой 37 градусов (пусть хоть температура будет как в организме!).

Теперь все внимание на уровень жидкости в манометре. Если в митохондриях протекают окислительные реакции, должен потребляться кислород и давление в сосудике будет падать. И действительно, манометр регистрирует падение давления. Митохондрии «дышат»!

Что же, полдела сделано. Остается посмотреть, не уменьшилось ли количество фосфата; ведь он один из субстратов реакции фосфорилирования, и его количество должно убывать, если дыхание сопряжено с синтезом АТФ. Вынимаю сосудик из бани, набираю в пипетку трихлоруксусную кислоту...

Вдруг вспоминаются лето, школьные каникулы. Я ловлю прыткого черного жука, перебегающего прогретую солнцем утоптанную дорожку. Опять жужелка — ничего интересного, только на руках остается резкий, необычный запах... Теперь я уже знаю, что это запах трихлоруксусной кислоты. Она денатурирует белки-ферменты, и жужелица использует ее как «химическое оружие» против своих врагов. А я сейчас убью этим оружием митохондрии, чтобы мгновенно остановить все протекающие в них ферментативные процессы.

Еще час работы, и проведена цветная реакция на неорганический фосфат. Он действительно убывал в сосудике с митохондриями. Биологические трансформаторы энергии действовали!

Глава 4. Два пути

Факт или артефакт?

Профессор С. Северин, узнав, что вслед за Шарфшвертом я освоил заокеанскую методику, попросил применить ее к другому объекту: вместо печени крысы надо было взять грудную мышцу голубя. План моего руководителя состоял в том, чтобы воспроизвести на мышечных митохондриях окислительный синтез АТФ, уже описанный для печени, и посмотреть, не будет ли регулироваться этот процесс карнозином и ансерином — двумя специфичными для мышц веществами с неясной биологической функцией, открытыми его учителем В. Гулевичем в начале века.

Факт или артефакт?

Я выделил митохондрии из голубиных мышц и, поколдовав с растворами для сосудиков Варбурга, вскоре получил синтез АТФ, сопряженный с окислением одной из карбоновых кислот— пировиноградной. Тогда я взял аскорбиновую кислоту, которая в опытах на печеночных митохондриях тоже окислялась сопряженно с образованием АТФ. К моему удивлению, окисление этого второго вещества протекало без синтеза АТФ.

Я повторил опыт с митохондриями печени в условиях, идентичных тем, что были подобраны для мышц, и вновь получил убыль фосфата как с пировиноградной, так и с аскорбиновой кислотами. Новый опыт с мышцей, и опять тот же странный результат: с одной кислотой дыхание и фосфорилирование, а с другой — такое же (по скорости) дыхание, но никакой убыли фосфата.

Проще всего мое наблюдение было бы отнести в разряд артефактов, то есть всех тех многочисленных явлений, которые отсутствуют в живой природе и создаются искусственно в условиях биологического эксперимента. Как говорится, снявши голову, по волосам не плачут. Убили животное, искромсали, размозжили его ткани, так стоит ли удивляться, что один из механизмов жизнедеятельности работает теперь в каком-то неполноценном режиме, когда при сжигании пищи в митохондриях энергия еще освобождается, но уже не используется для производства АТФ.

Мне шел тогда двадцать второй год. Опыт с двумя кислотами, по-разному окислявшимися в митохондриях голубиных мышц, был первым моим новым наблюдением: ведь раньше таких экспериментов никто не ставил. В этом нетрудно было убедиться, так как работы по энергетике митохондрий в то время проводились всего в нескольких лабораториях и собрать литературу по исследуемому вопросу не составляло большого труда, И что же, мое первое наблюдение — артефакт?

С этим унизительным, как мне казалось, выводом я никак не мог примириться. Не торопил меня подписаться под таким заключением и профессор Северин. Он снисходительно наблюдал мой энтузиазм, сопутствовавший началу работы, а потом разочарование нелепым результатом.

— Корень ученья горек, а плод, Володя, поверьте мне, кислый! — сказал руководитель однажды, когда я вновь пришел к нему с очередным вариантом опыта, принесшим все тот же неутешительный итог.

Вскоре я прекратил опыты и засел за литературу, чтобы посмотреть, не видел ли кто-нибудь нечто столь же странное пусть не в моей системе, а в аналогичной. Ведь если даже мой результат и смахивал на артефакт, то артефакт этот был какой-то необычный, не поддающийся простому объяснению.

Допустим, что митохондрии как-то «сломались» при их выделении из мышц, но почему эта поломка сказалась только на судьбе одного из двух окисляемых веществ? Ведь окисляются они через общий путь, так называемую дыхательную цепь ферментов, и именно в дыхательной цепи происходит таинство превращения энергии дыхания в энергию АТФ.

Я допоздна засиживался в библиотеке, конспектируя статьи по митохондриям, и в конце концов обнаружил одно наблюдение, сделанное А. Ленинджером в опыте с митохондриями печени, когда два вещества, причем вовсе не те, что выбрал я, тоже окислялись в двух различных режимах: одно с фосфорилированием, а другое без.

Ну что же, теперь я не одинок! Пусть знаменитый Ленинджер оставил без внимания обнаруженный им парадокс — для него ведь это далеко не первая тайна, которую посчастливилось подсмотреть у природы. А я еще подожду выбрасывать свое наблюдение в мусорную корзину для артефактов.

Итак, два вещества окисляются одним и тем же путем, но с разным результатом. Бред!

А что, если биохимики, изучая митохондрии, недосчитались еще одного окислительного пути? Если дыхательных цепей не одна, а две? Или цепь одна, но работать она может в двух режимах, из которых только один сопряжен с синтезом АТФ?

Так возникла мысль, которую я впоследствии назвал гипотезой о двух путях окисления.

Если бы в те дни мне сказали, что идея такого рода уже высказана год назад, и не кем-нибудь, а все тем же Ленинджером, я бы, конечно, очень огорчился. Но, к счастью, редкий источник — Гарвеевская лекция, где Ленинджер говорил о двух путях, дошел до Москвы с большим опозданием, когда работа по проверке гипотезы уже шла полным ходом. Я говорю «к счастью», потому что сознание первооткрывателя было движущей силой тогдашней моей работы. Лишь с годами возник бескорыстный интерес к тому, как же все-таки объясняются все эти чудеса, и пришло понимание того, что главное — быть на верной дороге, пусть даже указанной другими.

Стриженные голуби

Будь я физиком или химиком, я заинтересовался бы прежде всего, как устроены два пути окисления. Но я биолог, и потому моей первой заботой было удостовериться, что два пути реально существуют и действуют в организме. Меня не отпускал прежний страх: а вдруг артефакт? Как же решить эту проблему?

Призовем на помощь логику. Два пути, два режима. Один дает накопление энергии (образуется АТФ), другой ведет к рассеянию энергии (образуется тепло). Простейшая мысль — первый путь полезен, второй бесполезен, если не вреден: ведь это растрата топлива.

Стриженные голуби

Но не будем спешить с выводами, иначе мы рискуем попасть в положение профана, утверждающего, что автомобиль сломан, на том основании, что при отключенном сцеплении двигатель работает вхолостую.

Итак, один режим — выделение энергии и ее использование, другой — выделение без использования, то есть вся энергия идет в тепло. Но справедливо ли то, что полезность дыхания мы видим только в его способности поставлять АТФ? Ведь бывает же и противоположная ситуация, пусть необычная, но все же реальная, когда не АТФ, а тепло оказывается необходимым в первую очередь. Именно так обстоит дело с теплокровными животными при резком понижении температуры.

Давайте поставим животное на грань замерзания и посмотрим, не переключит ли оно свое дыхание на холостой ход? Если даже в таких крайних условиях ничего подобного не случится, то животное не умеет отключать дыхание от фосфорилирования, а два пути окисления — артефакт.

...Однажды к моему другу зоологу С. Маслову зашел Д. Афанасьев, аспирант кафедры высшей нервной деятельности. Он собирался заниматься гипотермией у птиц и искал подходящую модель.

— Чепуха, понимаешь ли, какая-то получается, — жаловался Дима. - Держу стриженого голубя в холодильнике при минус 20 градусах с вентилятором. Через 15 минут измеряю его температуру: на пять-шесть градусов снижена. Вот, думаю, и модель гипотермии! Так нет же, на другой день охлаждаю того же голубя еще раз, а он там битый час сидит — и хоть бы что, никакой гипотермии нет и в помине!

Чепуха. А может быть, это вовсе не Димина модель, а наша? Ведь если уж кому нужны кратчайшие пути теплопродукции, так это как раз такому животному, которое лишено систем так называемой физической терморегуляции (у птиц — оперения). Оно может поддерживать постоянство своей температуры при охлаждении исключительно за счет увеличения выработки тепла в тканях.

Мне не приходилось видеть ничего более жалкого, чем голубь без перьев. Дрожащий иссиня-красный комочек, стыдливо переминающийся с ноги на ногу и посматривающий с укоризной на своих мучителей. Нет, такой не вынесет двадцатиградусного мороза с ветром!

Спустя полчаса после начала опыта мы вынули из холодильника полумертвую птицу с температурой тела около 30 градусов вместо нормальной для голубя 41,5. Измерили дыхание и синтез АТФ в мышечных митохондриях. Оба показателя были близки к норме. Дыхание по-прежнему сопровождалось синтезом АТФ. Да, видно, не умеет голубь разобщать дыхание и фосфорилирование...

А может быть, умеет, да не успевает за те полчаса, которые длится наш жестокий опыт? Продлить его невозможно, несчастное животное просто умрет. Единственный выход— повторить охлаждение, дав голубю какое-то время на передышку.

На следующий день поведение голубя разительно отличалось от той трагической картины, что мы видели накануне. Снизив температуру на два-три градуса, голубь умудрился каким-то образом остановить дальнейшее остывание тела. Через три часа после начала охлаждения, заглянув в очередной раз в холодильник, мы обнаружили, что голубь ведет себя вполне бодро и как-то даже агрессивно посматривает на нас из своего ледяного плена. Ну а как там его митохондрии?

Есть разобщение! Дыхание отключилось от синтеза АТФ. Энергия больше не накапливалась, а тотчас превращалась в тепло.

Потом такой же опыт был проделан на мышах, и вновь при повторном охлаждении наблюдалось разобщение дыхания и фосфорилирования. Охлаждаясь впервые, мыши, как и голуби, не успевали (в наших суровых условиях опыта) отключить синтез АТФ и гибли, если охлаждение не прекращалось. С. Маслову удалось продлить им жизнь инъекцией искусственного разобщителя динитрофенола, вещества, о котором было известно, что оно нарушает сопряжение дыхания и фосфорилирования при добавлении к митохондриям.

Совсем недавно, спустя двадцать лет после этих опытов, нашу работу повторили молодые биоэнергетики, норвежец Г. Грав и американец с Аляски А. Блике, использовав мышечные митохондрии совсем другого животного — детенышей северных морских котиков. Оказалось, что в естественных условиях, плавая в холодных, около шести градусов, водах Берингова моря, котики имеют высокую скорость дыхания, которое не зависит от того, синтезируется АТФ или нет. Сопряжение дыхания с фосфорилированием можно было упрочить, выдерживая котиков на воздухе при плюс 20 градусах.

Любопытно, что Г. Грав и А. Блике впали, по-видимому, в ту же ошибку, как когда-то и я с Гарвеевской лекцией А. Ленинджера. Они вели свою работу, не зная о наших опытах двадцатилетней давности, и свою публикацию в журнале «Сайенс» представили как открытие новой, термогенной функции нефосфорилирующего дыхания в мышцах. Что же», их заблуждение (если оно было невольным) наверняка помогло преодолеть необычайные трудности работы с митохондриями на острове Св. Павла, где им пришлось ставить эти опыты.

Опыты на котиках подтвердили, что в естественных условиях действует механизм, который был обнаружен нами в лабораторном эксперименте и назван термо-регуляторным разобщением дыхания и фосфорилирования.

Бурый жир

Теплопродукция — дополнительная функция мышечной ткани. Мышца выполняет роль грелки, так сказать, по совместительству с механической работой. Но есть ткань, которая, как оказалось, специализирована на образовании тепла. Это бурый жир.

В верхней части спины теплокровных зоологи давно уже обнаружили островки жировой ткани необычного для жира коричневого цвета. Они облегают крупные кровеносные сосуды, идущие к головному мозгу. Особенно много этой ткани у новорожденных. С возрастом ее количество уменьшается, и только у впадающих в зимнюю спячку животных бурый жир сохраняется в значительном количестве на протяжении всей жизни.

Бурый жир

Так вот, выяснилось, что коричневый цвет необычной жировой ткани обусловлен митохондриями, которыми буквально забиты ее клетки. Физиологи давно уже подозревали участие бурого жира в терморегуляции. Когда же стало ясно, что он богат митохондриями, а митохондрии такой ткани, как мышца, способны при охлаждении переводить свое дыхание на холостой ход, возникла мысль посмотреть, как там у бурого жира с энергетикой. Работы велись в основном в трех лабораториях: Р. Смитом в США, О. Линдбергом в Швеции и 3. Драхотой в Чехословакии. И вот что обнаружилось.

Митохондрии бурого жира содержат почти в 10 раз меньше синтезирующего АТФ фермента по сравнению с митохондриями других тканей. В то же время количество ферментов дыхания находится на обычном уровне. Тем самым система, ответственная за освобождение энергии, оказывается в огромном избытке по сравнению с системой запасания энергии. Уже сам по себе этот факт свидетельствует, что не синтез АТФ, а образование тепла - главная функция митохондрий бурого жира. Такое предположение было подтверждено прямыми опытами, когда исследовали животных, подвергнутых охлаждению. В митохондриях бурого жира наблюдалось сильное разобщение дыхания и фоефорилиро вания.

В этой связи стала понятной своеобразная локализация бурого жира в организме: он согревает кровь, притекающую к мозгу. Благодаря открытию эффекта разобщения в митохондриях бурого жира удалось заполнить недостающее звено в цепи событий, совершающихся при пробуждении животного от спячки.

...Задолго до холодов хомяк оборудует себе зимнюю квартиру. Это глубокая нора, в которую ведет узкий вход. С наступлением морозов хомяк заделывает вход соломой, чтобы нору не продувало студеными ветрами. Теперь можно и соснуть до весны. Хомяк уютно устраивается в гнезде из сена, что припасено в дальнем конце норы, и засыпает. Но сон этот необычный. Постепенно тело хомяка остывает, все жизненные процессы замирают, вернее, замедляются, и не как-нибудь, а в такой степени, чтобы поддерживать температуру на минимальном уровне, чуть-чуть выше нуля.

Давайте проведем теперь такой опыт. Разворошим соломенную заглушку у входа в нору. Если в степи мороз, то холод быстро проникнет внутрь норы. И что же хомяк? Замерзнет? Ведь просыпаться ему еще рано, до весны далеко!

Не беспокойтесь, ничего страшного не произойдет. Хомяк вскоре пробудится от холода, как просыпаемся и мы с вами, если мороз заползет в спальный мешок. Проснется, заделает как следует вход и заляжет снова досматривать многосерийный сон про жаркое лето...

— Все это, конечно, забавно, но при чем тут биоэнергетика? — спросите вы.

А дело было так.

Снижение температуры в норе немедленно зарегистрировали холодовые рецепторы кожи, которые бодрствуют даже при зимней спячке, когда все прочие органы чувств отключены. Нервы доставили сигнал бедствия по точному адресу — в мозг, в терморегуляторный центр гипоталамуса. Оттуда, из центра, понеслись ответные сигналы — приказы органам и тканям. Но как их выполнить, ведь температура органов слишком низка, чтобы ответить активными действиями на пришедший приказ?

Есть ткань, способная к самосогреванию, — это бурый жир. В ответ на сигнал из гипоталамуса нервные окончания в буром жире начали выделять гормон, норадреналин. Он был заготовлен впрок в специальных пузырьках, которыми нафаршированы нервные окончания. Вся нехитрая задача на этом этапе, чтобы пузырьки полопались. Ломать - не строить, и вот уже содержимое пузырьков выплеснулось в узкую щель между мембраной нервного окончания и клеткой бурого жира,

На поверхности клетки 6ypprq жира особые белки (рецепторы) связали норадреналин. Белки эти, пронизывающие насквозь внешнюю мембрану клетки, активировали внутри клетки фермент аденилатциклазу, та сделала из АТФ циклический АМФ — особое вещество — регулятор ферментов, а этот последний присоединился к ферменту протеинкиназе. Протеинкиназа фосфорилировала следующий фермент — липазу. В результате липаза перешла в активное состояние и расщепила жир на глицерин и жирные кислоты.

Жирные кислоты — наиболее калорийное топливо для митохондрий и одновременно активатор для особого белка, переключающего дыхание на холостой ход. Активировалось холостое дыхание митохондрий, повысилась температура ткани.

С повышением температуры быстрее заработали дыхательные ферменты, значит, увеличилось образование тепла. Налицо автокатализ. За топливом (жирными кислотами) дело не стало. Ведь в клетках бурого жира, кроме митохондрий, есть еще и жировые кайли (на то он и жир!).

Разогрелся бурый жир, повысилась температура крови в сосудах, окруженных бурым жиром, теплая кровь поступила в мозг, а затем и в другие органы. Температура тела поднялась, зверек проснулся!

Вы спросите, зачем такая сложная, многоступенчатая система сигналов? Так ведь это же каскад усиления! Одна молекула гормона активирует одну молекулу аденилатциклазы, которая производит уже не одну, а множество молекул циклического АМФ. Каждая молекула циклического АМФ может активировать одну молекулу протеинкиназы, которая, в свою очередь, фосфорилирует множество липаз, и т. д. А на выходе повышение температуры, которое активирует все без исключениязвенья каскада. Ответ такой системы на воздействие нарастает лавинообразно. Ну как тут хомяку не проснуться?

Образование тепла бурым жиром лишь частный случай из удивительной области регуляции биохимических процессов. О каждом из таких механизмов можно написать отдельную книгу. Однако наш главный интерес лежит сейчас в иной плоскости. Рассказ о хомяке и буром жире я здесь привел главным образом для того, чтобы показать существование специального биологического устройства, переводящего дыхание на холостой ход.

Итак, дыхание может быть отключено от фосфорилирования. Этого можно достичь искусственно, добавив динитрофенол или какое-либо другое вещество-разобщитель. Подобный эффект возникает и естественным путем в живом организме при воздействии холода. Таков феномен терморегуляторного разобщения окисления и фосфорилирования, открытый сначала в мышцах, а затем в ткани бурого жира.

Стало быть, окисление без фосфорилирования не артефакт, а реально существующий биохимический процесс. Именно этим свойством: способностью разобщать механизм освобождения энергии от механизма ее последующего накопления дыхание отличается от гликолиз — процесса, который наряду с дыханием призван обеспечивать клетку необходимой энергией.

В предыдущей главе мы уже говорили, что синтез АТФ, сопряженный с дыханием, первоначально пытались уподобить описанной ранее реакции образования АТФ при гликолизе. Это был в общем-то естественный этап познания, когда неизвестное явление стремятся свести к комбинации уже известных фактов. Однако гликолиз — процесс, неразрывно связанный с фосфорилированием. Поэтому никакие аналогии с гликолизом не в состоянии помочь нам разобраться в механизме термо-регуляторного разобщения дыхания и фосфорилирования.

Так как же должно быть устроено сопряжение двух процессов, чтобы была возможность их разобщения? Я вновь и вновь задавал себе этот вопрос и не находил разумного ответа.

Глава 5. Крепкий орешек

Жертва «закона Паркинсона»

В 1961 году на Всемирном биохимическом конгрессе в Москве выступал с пленарной лекцией американец Д. Грин. Я слушал доклад со всевозрастающим волнением. Казалось, еще шаг, и группа Грина в Мэдисоне решит проблему превращения энергии при дыхании и фотосинтезе.

— Эту работу мы закончим к следующему конгрессу, — пообещал докладчик.

Можно ли сомневаться в его успехе?

Профессор Грин — блестящий специалист по окислительным ферментам. Ферментные комплексы, названные его именем, — излюбленный объект биоэнергетиков. Грин возглавляет институт энзимологии в университете штата Висконсин, славящийся своим сказочно дорогим оборудованием и неправдоподобными масштабами работы. Там рядами стоят десятки ультрацентрифуг, там за один день перерабатывают сотни килограммов бычьих сердец, за которыми будто бы посылают на чикагские бойни специальный самолет!

Прошло три года. Вновь конгресс биохимиков. Председательствующий Э. Слейтер дает Дж. Уэбстеру слово для внеочередного сообщения чрезвычайной важности. Уэбстер — правая рука Грина. Должно быть, Грин выполнил свое обещание? Так и есть: Уэбстер сообщает об успехе решающего эксперимента.

Это торжество Грина и, казалось бы, хороший повод для других биоэнергетиков сменить тему. Но стоит ли спешить, особенно если вы, подобно Э. Ракеру из Корнелльского университета, что в Итаке, посвятили биоэнергетике не один год жизни?

Ракер решает повторить опыты Уэбстера и сразу же, в самом начале работы, обнаруживает несоответствие: один из белков в Итаке движется на электрофореграмме не так, как в Мэдисоне. Ракер звонит Грину, чтобы поделиться своими сомнениями. Тот и слушать не хочет: какие там еще несоответствия?

— Мой Уэбстер прав, и точка!

Ракер задет за живое: своим глазам он верит больше, чем всей армии гриновских сотрудников.

И вот Ракер в Мэдисоне. Грин продолжает упорствовать. Ракер просит показать ему электрофореграмму. Грин посылает за Уэбстером. Тот появляется и, узнав о причине вызова к шефу, уходит в соседнее здание за протоколами опытов... Уходит и не возвращается. Более того, профессор Уэбстер исчезает! Его не могут разыскать ни в лаборатории, ни дома, ни у коллег по институту.

Грин в замешательстве. В конце концов и без помощи Уэбстера он находит протоколы и шаг за шагом проверяет результаты опытов. И тут всплывает чудовищный факт: в решающем измерении радиоактивности, когда определялось включение меченого фосфата в органическую фракцию, налицо явный разброс данных. При этом в опытных пробах (где ожидали включение фосфата) дальнейший расчет ведется по максимальным величинам, а в контроле (где такого включения быть не должно) по минимальным. Разность тех и других величин записывается в итог опыта и преподносится как его окончательный результат.

...Спустя месяц Уэбстер объявится в другом конце США, в Майами, и напишет Грину невразумительное письмо в свое оправдание, а еще через несколько недель Грин сделает сообщение на съезде американских биохимиков и разошлет его текст своим вчерашним конкурентам — биоэнергетикам. Название доклада «О вкладе Джорджа Уэбстера в изучение дыхательного фосфорилирования». Это чистосердечное признание в невольном обмане, на который толкнул его сотрудник-фальсификатор.

Но раскаяние не спасет профессора Грина. С тех пор ни один серьезный журнал не примет его статьи, и Грин будет публиковаться только в трудах Национальной академии наук (США), где он как академик защищен от критики рецензентов.

Казалось бы, жестокий и наглядный урок! Однако, как это ни удивительно, история Грина и Уэбстера повторяется спустя несколько лет. На сей раз другой почтенный биоэнергетик становится жертвой недобросовестности своей аспирантки, пытавшейся провести все тот же «роковой» эксперимент с включением фосфата.

Не подумайте, что биоэнергетика богаче проходимцами, чем любая другая наука. Чтобы убедиться в этом, достаточно прочесть, например, статью А. Лука «Плутовство в науке и облик ученого» в Вестнике АН СССР за 1980 год (№ 1). Приведу только один случай, описанный автором.

«В непрекращающемся жарком споре о том, наследуется ли талант, сторонники гипотезы наследственной одаренности обильно ссылались на работу по этим проблемам английского психолога С. Барта. Противник этой гипотезы американец Л. Камин, усомнившись в некоторых данных Барта, отправился за океан для изучения протоколов и архивных материалов. Однако никаких материалов он не обнаружил. Более того, оказалось, что Барт сфабриковал свои данные и подтасовал цифры, которые впоследствии перекочевывали из одной статьи в другую. Несколько позже обнаружилось, что два автора, которые одобрительно цитировали работу Барта в своих статьях на страницах редактируемого Бартом журнала и которых он, в свою очередь, цитировал в подтверждение собственных взглядов, на самом деле были плодом его воображения».

Выдумать не только факты, но еще и коллег, подтвердивших несуществующие наблюдения! Да, это, по-видимому, вершина научного плутовства!

Что же касается Грина, то он, быть может, дал жертвой «закона Паркинсона», который гласит: «Успех в научной работе порождает такое увеличение ее финансирования, что дальнейшее продолжение работы становится невозможным». Честь выступать с пленарным докладом на всемирном биохимическом конгрессе Грин заслужил работами, выполненными им самим и небольшой группой тщательно отобранных молодых сотрудников-энтузиастов. Шеренги ультрацентрифуг, самолет для бычьих сердец, армия случайных людей, чтобы; обслуживать громоздкую технику, — все это пришло позже как следствие уже достигнутых, успехов. Видимо, в какой-то момент Грин не совладал со свалившимся на него богатством,

Однако вряд ли его трагедию можно объяснить одним только «законом Паркинсона». Ведь в 1965 году, когда произошли описанные здесь события, Грин был уже давно сложившимся ученым с большим опытом руководства научным коллективом. И тем не менее он попался на удочку проходимца, которому, кстати говоря, выплачивали огромную зарплату, одну из самых высоких в институте.

Причину случившегося нам нужно искать в той ситуации, которая сложилась к этому времени в биоэнергетике.

В развитии каждой науки когда-то наступает звездный час, приближение которого лихорадит даже самые холодные и расчетливые умы. Так произошло с биоэнергетикой в 60-е годы.

В те времена звездный час переживали молекулярные биологи. Уже открыли двойную спираль ДНК. Шумно отпраздновали победу над тайной генетического кода. Расшифровали пространственную структуру первых ферментов. А вот биоэнергетики, не уступавшие «нуклеинщикам» и энзимологам в своих честолюбивых мечтах, все еще не могли ответить на вопрос, каким таким образом живая клетка обеспечивает себя необходимой энергией.

Такая ситуация казалась тем более странной, что давно уже были налицо все предпосылки решения этой проблемы. Стало ясно, какими энергетическими ресурсами пользуются те или иные живые существа. Были найдены и получены в чистом виде ферменты, усваивающие эти ресурсы. Не составило большого труда определить, в каких частях клетки происходят энергетические превращения. Однако сам принцип, на котором базируется действие основных биологических преобразователей энергии, остался неясным, как и прежде.

Ложная аналогия

Как мы уже знаем из предыдущих глав, живая клетка превращает энергетические ресурсы, например пищу, в такие вещества, которые могут быть окислены определенным ферментом. При окислении вещество (назовем его АН2) теряет электроны и протоны, которые присоединяются к другому, восстанавливаемому веществу (В). Выделяющаяся при окислительной реакции энергия используется для синтеза АТФ путем соединения неорганического фосфата с АДФ:

АН2 + В + АДФ + Н3РО4 → А + ВН2 + АТФ + Н2О

Невероятно, чтобы такая химическая реакция происходила в одну стадию — это потребовало бы одновременного взаимодействия всех четырех веществ, написанных в левой части уравнения. Поэтому приходится предположить, что процесс протекает с участием фермента в несколько этапов. Например:

АН2 + фермент → АН2 • фермент.

АН2 • фермент + В → А - фермент + ВН2

А - фермент + Н3РО4 → А - фосфат + фермент + Н2О

А • фосфат + АДФ → А + АТФ.

Именно так образуется АТФ при брожении или гликолизе, «подсобных» механизмах энергообеспечения, включающихся в условиях нехватки основных энергетических ресурсов: у растений - света, у животных и бактерий — кислорода или окисляемых кислородом веществ.

Ложная аналогия

В общем-то неудивительно, что механизм образования АТФ при дыхании и фотосинтезе вначале стремились объяснить по аналогии с уже изученными к тому времени брожением и гликолизом. Казалось, замени бродильный фермент на дыхательный или фотосинтетический, и та же система реакций будет образовывать АТФ за счет световых квантов или питательных веществ, сжигаемых кислородом.

Эта точка зрения, названная «химической схемой», стала общепринятой концепцией биоэнергетики в 50—60-е годы. В ее основу были положены хорошо известные факты, свидетельствовавшие о ключевой роли окислительных ферментов в дыхательном и фотосинтетическом синтезе АТФ. Но что это за роль?

Казалось бы, ясно: катализ окислительных реакций и их сопряжение с синтезом АТФ. Поэтому во многих лабораториях предпринимались отчаянные усилия заставить ферменты дыхания и фотосинтеза реагировать с АДФ и фосфатом, как того требовала схема.

Биоэнергетики шли дорогой, уже пройденной при изучении брожения. Сперва разрушали клетку, потом из множества внутриклеточных ферментов выделяли тот, который катализировал нужную окислительную реакцию. И наконец, к раствору очищенного фермента добавляли восстановитель, окислитель, АДФ и фосфат и смотрели, не получится ли АТФ.

Так вот, АТФ не получался!

Напрасно искусные экспериментаторы составляли всевозможные смеси белков, субстратов и солей, варьируя до бесконечности условия проведения реакции. С легкостью удавалось воспроизвести в пробирке окислительный процесс, но освобождающаяся энергия превращалась в тепло, вместо того чтобы использоваться для синтеза АТФ. Сообщения о синтезе АТФ в растворе дыхательных ферментов всегда оказывались в конце концов случайной ошибкой или преднамеренной фальсификацией, как это было, например, с Уэбстером.

В то же время более сложные системы, сохранявшие черты надмолекулярной организации биологических объектов: кусочки тканей, клетки, митохондрии и хлоропласты — или даже образующиеся при их разрушении ультразвуком мельчайшие пузырьки, окруженные мембраной, - все они в определенных условиях образовывали АТФ. Но стоило изменить условия, и даже на этих сложных объектах дыхание утрачивало связь с синтезом АТФ.

Уже первые исследователи дыхательного синтеза АТФ обратили внимание на ту необычайную легкость, с которой фосфорилирование ускользает, а дыхание переключается на «холостой ход». Сопряжение дыхания с фосфорилированием обнаружил Владимир Александрович Энгельгардт в 1930 году. А спустя несколько лет другой Владимир Александрович, Белицер, описал условия, когда дыхание отключалось от фосфорилированил и протекало без образования АТФ, несмотря на высокую скорость окислительной реакции. Так было открыто явление, названное разобщением дыхания и фосфорилирования. Именно этот факт оказался камнем преткновения для химической схемы биоэнергетики.

Парадокс веществ-разобщителей

Тот факт, что окисление может быть отключено от фосфорилирования, впервые описан при изучении брожения. Если сбраживать сахар в среде, где фосфат (Н3РО4) заменен на арсенат (H3AsO4), то брожение идет с большей скоростью, но без образования АТФ. Подобным образом действует арсенат и на дыхание: в присутствии арсената система дыхания перестает запасать энергию в форме АТФ. Именно арсенат был первым разобщителем дыхания и фосфорилирования в опытах В. Белицера. Казалось бы, это наблюдение лишь подчеркнуло еще раз сходство механизмов дыхания и брожения, чего и требовала химическая схема.

Осложнения начались с 1948 года, когда Ф. Липман неожиданно обнаружил, что дыхание разобщается и таким веществом, как динитрофенол, причем его требуется гораздо меньше, чем арсената. В отличие от арсената динитрофенол совсем непохож на фосфат. Фермент может принять арсенат за фосфат, но чтобы он перепутал фосфат- с динитрофенолом?.. Кстати, динитрофенол не действовал на брожение, и это могло бы зародить сомнения в сходстве механизмов дыхательной и бродильной энергетики.

Несколько лет эффект Липмана считали одним из курьезов, которыми не так уж бедна биохимия. Однако затем последовали наблюдения, показавшие, что разобщить дыхание и синтез АТФ можно не только динитрофенолом, но и салициловой кислотой, дикумаролом, перфторпинаколом, производными бензимидазола и фенилгидразона.

...Теперь, рассказывая студентам историю о разобщителях, я пишу формулы этих веществ на доске в конце первого часа лекции и предлагаю подумать о том, что же роднит разобщители между собой и почему все они одинаково: действу ют на дыхание?

Наиболее смышленым хватает пятнадцати минут перерыва, чтобы найти правильный ответ: все разобщители способны переносить протоны через мембрану. Науке для этого потребовалось больше пятнадцати лет. От частного в общем-то вопроса о действии веществ разобщителей биоэнергетики пришли к одному из крупнейших открытий современной биологии.

Глава 6. Митчел и его догадка

Начало пути

Однажды, просматривая в библиотеке биофака новые журналы, я наткнулся на короткую статью в «Нэйчер» под названием «Сопряжение окисления и фосфорилирования механизмом хемиосмотического типа». Автор П. Митчел — новое имя в биоэнергетике. И термин «хемиосмотический» тоже новый. Новое имя, новое слово и небывалый, смахивающий на фантазию подход кетарой проблеме.

...Пройдут годы, и заметка в журнале «Нэйчер» за 1961 год станет самой цитируемой работой по биоэнергетике, а ее автор — лауреатом Нобелевской премии, присужденной вопреки традициям этих премий, не за открытие какого-то нового явления, а за догадку о его существовании.

Питер Денис Митчел родился 29 сентября 1920 года в Митчепе (графство Суррей, Англия). Сын лейтенанта британской армии был отдан родителями в Тонтонский королевский колледж. Затем он студент колледжа Иисуса в Кембриджском университете. В 1943 году выпускник университета, бакалавр искусств.

В том же году Митчел начинает работать над диссертацией под руководством профессора Д. Даниэлли. Еще в 30-е годы Даниэлли прославился как автор изящной концепции о молекулярном строении биологических мембран. После отъезда Даниэлли из Кембриджа Митчел переходит в группу по изучению ферментов, которую возглавлял известнейший энзимолог М. Диксон (энзимология — наука о ферментах).

Чтобы стать кандидатом наук (в Англии это называется «доктор философии»), Митчелу потребовалось семь лет. Вторую диссертацию — на звание доктора наук — он так и не защищал, шагнув в 1974 году сразу в члены Королевского общества.

Студентом Митчелу довелось слушать лекции Д. Флеминга. Это было время, когда из английских госпиталей выходили фронтовики, чью жизнь спас Флемингов пенициллин. И в общем-то неудивительно, что темой своей первой научной работы молодой биолог выбрал механизм действия пенициллина на бактерии.

Сначала было исследовано включение меченого фосфата в нуклеиновые кислоты. Пенициллин тормозил этот процесс. В столь сложной системе, как живая клетка, такой эффект мог объясняться либо прямым действием пенициллина на синтез нуклеиновых кислот, либо влиянием на какой-то отдаленный этап обмена веществ, либо на клеточную стенку и перенос фосфата из среды в клетку. Именно тогда Митчел впервые уловил притягательную силу тайны, окружавшей роль фосфата в энергетике живых существ.

Но пройдут годы, прежде чем он вплотную займется этой проблемой. Пять лет после защиты диссертации Митчел работает демонстратором на кафедре биохимии Кембриджского университета, а затем его приглашают старшим преподавателем на кафедру зоологии в Эдинбург. В течении следующих восьми лет, проведенных здесь, в Шотландии, он мало печатается, не спешит с продолжением опытов по действию пенициллина. Постепенно он приходит к убеждению, что история с пенициллином всего лишь частный случай, за которым стоят куда более сложные вопросы.

Митчел как-то издалека, медленно, исподволь приближается к основной проблеме биоэнергетики. Сначала мысль о том, нельзя ли отнести пенициллин к загадочным разобщителям, благо в эту группу попадают самые разные по строению вещества. Казалось бы, взять да поставить опыт вроде того, что описал Ф. Липман еще в 1948 году! Но далеко ли Он продвинется вперед, если даже докажет, что пенициллин действительно разобщитель?

Одним разобщителем больше - невелико открытие! Не лучше ли поразмыслить над тем, что такое вообще разобщение дыхания и фосфорилирования? Ясно, что здесь дело в каком-то нарушении механизма, сопрягающего эти два процесса. А что это за сопрягающий механизм?

Митчел внимательно анализирует бытовавшие в то время; взгляды на природу дыхательного фосфорилирования. Казалось бы, ему, биохимику, должна импонировать химическая; схема сопряжения, объяснявшая энергетику дыхания наподобие уже известной энергетики брожения. Но как объяснить действие разобщителей?

Интуиция энзимолога (недаром Диксон — один из его учителей!) подсказала Митчелу, что динитрофенол и вся разномастная группа разобщителей не могут быть аналогами фосфата. Ферменты слишком разборчивы к объектам своей деятельности — субстратам, чтобы ошибаться так грубо.

Но что, если разобщители действуют не на фермент, а на его окружение?

Дыхательные ферменты отличаются от ферментов брожения тем, что они не плавают в клеточном соке, а прикреплены к мембранам. Так, может быть, именно мембрану и атакуют разобщители? Но зачем нужна мембрана ферментам вообще и дыхательным ферментам в частности? Вот вопрос, которым занялся Митчел, вспомнив беседы с другим своим наставником -Даниэлли, основателем учения о мембранах.

До Митчела биохимики, изучавшие мембранные ферменты, рассматривали мембрану как штатив, к которому эти ферменты крепятся. Считалось, что ферментативные процессы развертываются на поверхности, а не в «толще» мембраны. Такое мнение основывалось на факте, что субстраты ферментов — это, как правило, водорастворимые вещества. Казалось бы, они не должны проникать в сердцевину мембраны, сделанную из жира.

Однако для целой группы процессов транспорта веществ было с несомненностью установлено, что водорастворимые соединения проходят каким-то образом через жировой барьер мембраны внутрь клетки. Если, допустим, глюкоза, вообще нерастворимая в жирах, переносится через внешнюю мембрану клетки (а это факт!), почему бы не предположить, что она может быть атакована каким-то из мембранных ферментов прямо в мембране?

До Митчела химическими превращениями в мембранах практически не занимались. Изучение транспорта веществ через мембраны оставалось уделом физиологов-«транспортников». Биохимики рассматривали мембрану как помеху, от которой следует поскорее избавиться, чтобы перевести исследуемый фермент в раствор и там уже заняться им вплотную, используя весь арсенал энзимологии.

Столкнувшись с проблемами биоэнергетики, Митчел был поражен отсутствием каких бы то ни было контактов биохимиков с «транспортниками». Между ними лежала пропасть. И он занялся наведением мостов.

Чисто умозрительное построение

Итак, перед нами задача: сопрячь процесс дыхания с образованием АТФ, использовав каким-то образом свойства мембраны. Давайте рассмотрим еще раз реакцию синтеза АТФ:

АДРОН + НОР → АДPOP + Н2О

Молекула Н2О при образовании АТФ, обозначенного здесь АДРОР (буквами Р показаны атомы фосфора), может получиться из остатка гидроксила (ОН-), отщепляемого от неорганической фосфорной кислоты (обозначенной НОР), и иона водорода, или протона (Н+), взятого от аденозиндифосфата (АДРОН).

Вода — продукт не только синтеза АТФ, но и дыхания, которое, как мы уже знаем, формально описывается реакцией взрыва гремучего газа:

2Н2 + О2 → 2Н2О

с той разницей, что в процессе участвует не молекулярный водород, а органические вещества — субстраты дыхания, поставляющие атомы водорода для образования воды.