Текст книги "Рассказы о биоэнергетике"

Автор книги: Владимир Скулачев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 14 страниц)

Будут ли вращаться кольца слизи на одном конце трихома, если световое пятно расположить на противоположном его конце? Оказалось, что такое освещение вызывает вращение колец не только под световым пятном, но также и в других участках трихома, включая удаленный от света конец.

Этот факт говорил против «гипотезы электровоза», свидетельствуя в пользу передачи энергии по всей длине трихома. Но в какой форме передается энергия? Может быть, это АТФ, глюкоза или какой-либо другой продукт фотосинтеза, образующийся в освещенной части трихома и диффундирующий в его затемненные участки?

Такое объяснение казалось нам маловероятным прежде всего потому, что движение трихома или вращение колец слизи начиналось уже через несколько секунд после включения света, освещавшего малую-часть трихома. Расчет показал, что диффузия глюкозы или АТФ из конца в конец трихома длиной в 1 миллиметр потребовала бы многих минут. Кроме того, движение от светового пятна можно было наблюдать на трихомах, обработанных специфическим ингибитором, выключившим протонную АТФ-синтетазу. В таких трихомах свет образовывал протонный потенциал, но не АТФ.

Прямой опыт, доказавший передачу электроэнергии вдоль трихомов, был поставлен Л. Чайлахяном, Т. Потаповой и Т. Глаголевой. Когда я попросил наших электрофизиологов попытаться измерить вольтметром распространение потенциала по трихомам, Л. Чайлахян предложил использовать для этой цели внеклеточные электроды. Такой деликатный метод давно уже применяется для изучения распространения нервного импульса. Он позволяет зарегистрировать электрическую передачу без введения электрода внутрь клетки, которое всегда создает опасность короткого замыкания в месте прокола мембраны электродом; эта опасность особенно велика для мембран, несущих протонный потенциал, вследствие их высокого электрического сопротивления.

Трихомы были аккуратно уложены в заполненную водой бороздку, прочерченную на бруске плексигласа. К трихомам подвели четыре электрода. Электроды 1 и 4 расположили у противоположных концов бороздки, электроды 2 и 3 – на расстоянии 1/3 и 2/3 пути от электрода 1 к электроду 4. Тонким лучом света высветили небольшую часть трихомов вблизи электрода 1 и измерили разность потенциалов между электродами 1—4, 2—4 и 3—4.

Предсказание нашей гипотезы состояло в том, что между электродами 1 и 4 возникнет разность потенциалов, причем ее направление будет соответствовать выходу положительных зарядов (Н+) из клетки во внешнюю среду в освещенной части трихомов, то есть в области электрода 1. Между остальными электродами тоже должна была возникнуть разность (ΔV) потенциалов, убывающая в следующем порядке: ΔV1-4 > ΔV2-4 > ΔV3-4. Во всех случаях разность потенциалов, достигнув максимума, должна была затем со временем снижаться, причем спад должен был, судя по опытам с движением, происходить в секундной шкале.

Как видите, предсказан был феномен, охарактеризованный достаточно четко, по крайней мере на качественном уровне. И что же? Световое пятно действительно вызвало генерацию разности потенциалов со всеми свойствами, перечисленными выше.

Затем мы задали работу нашей вычислительной машине. В нее были заложены основные параметры трихома, действующего подобно электрическому кабелю, после чего машине было предложено вычислить динамику изменения разности потенциалов ΔV1-4   ΔV2-4   ΔV3-4. К нашей радости, машина начертила кривые, очень похожие на те, что были получены в эксперименте.

Кабельная гипотеза была доказана. Мы обнаружили-таки долгожданный прецедент: электрическая мощность передавалась вдоль мембран на несколько миллиметров – расстояние, огромное по масштабам клетки.

Глава 4. К новым рубежам

Путь к открытию напоминает восхождение. Не потому ли среди ученых так популярен альпинизм? Здесь как никогда важна интуиция: куда идти, когда впереди глыба горы и нет обзора? Но вот, если удача сопутствовала вам, взят перевал, и перед вами внезапно возник далекий горизонт. Вы поражены открывшимся видом: слов нет, прекрасная панорама – и, кажется, забыт оставшийся позади подъем. Однако давайте все же обернемся, чтобы бросить взгляд на пройденный путь.

С чего началась современная биоэнергетика? С накопления множества разрозненных фактов – сведений о мембранах, инкрустированных окислительными и фосфорилирующими ферментами. Глыба этих фактов заслоняла смысл протекающих в мембранах превращений, пока в 1961 году не выступил П. Митчел, ученый, еще не внесший своей лепты в копилку фактов, но указавший путь к их осмыслению.

Принято говорить, что в наши дни научный прогресс невозможен без участия больших коллективов ученых. Канул в вечность образ чудака-мыслителя, творящего в уединении на свой страх и риск. Казалось бы, для биоэнергетики эта истина очевидна: здесь одна только подготовка к опыту занимает уйму времени, а сам опыт, как правило, требует сложнейшей аппаратуры.

К новым рубежам

Пример Митчела опровергает эту догму, вновь подтверждая, что главное в науке – это мысль.

Я думаю, не случайно новая гипотеза была подхвачена у нас в стране, где в фундаментальной науке нет столь жесткой, как на Западе, конкуренции и от нее не требуют сиюминутной прибыли. Сыграло роль и то, что весь ход наших работ на рубеже 50-х и 60-х годов привел к отрицанию общепринятой тогда химической концепции биоэнергетики. Это освободило нас от шор старых представлений и подготовило к восприятию новой теории.

Ожесточенная борьба мнений вокруг химической схемы и гипотезы протонного потенциала привела к резкому расширению исследований по мембранной биоэнергетике во многих странах. В результате ключевые положения новой гипотезы были подтверждены, а старая схема и компромиссные варианты оставлены.

С легкой руки Митчела в биоэнергетике стало популярно слово «предсказание». От новой концепции в биоэнергетике теперь требуют не только объяснения уже описанных фактов, но и предвидения новых, еще неизвестных черт и свойств объясняемого явления. Это задача всегда чрезвычайно сложная, в особенности если речь идет о такой многоликой системе, как живой организм.

Я замечал, что вопрос «Каковы предсказания вашей концепции?» иногда воспринимается ученым как некое чрезмерное требование, будто его просят явить чудо: – Я не пророк, чтобы предсказывать!

Здесь уместно вспомнить слова В. И. Ленина: «В чудеса теперь, слава богу, не верят. Чудесное пророчество есть сказка. Но научное пророчество есть факт».

И если от биоэнергетиков теперь требуют пророчеств, то здесь надо видеть лишь признание высокого уровня, достигнутого этой наукой. Наоборот, отказ от испытания науки на предсказательную силу выхолащивает ее содержание и способствует «выживанию» заведомо слабых идей.

Перевал, достигнутый биоэнергетиками в конце семидесятых годов, знаменует собой смену направления исследований: от выяснения принципа устройства молекулярных преобразователей энергии мы перешли к изучению точного механизма их действия.

А. Сцент-Дьердьи, давший биоэнергетике ее имя, как-то сказал: «Попросите химика выяснить, что такое динамо-машина, и первое, что он сделает, это растворит ее в серной кислоте. Биохимик, вероятно, разобрал бы ее на части и описал подробно каждый виток обмотки». К этому образному сравнению можно лишь добавить, что молекулярный биолог считал бы свою задачу выполненной только после того, как повторил работу биохимика в обратном порядке и собрал бы действующую динамо-машину из составных частей. А это невозможно без чертежа, без детальных знаний о механизме.

Но было бы ошибочным считать, что путь к познанию устройства белков-генераторов – единственная перспектива, открывшаяся нам с высоты теории протонного цикла. Мы увидели новые подходы к решению целого ряда классических проблем биологии, ждавших своего срока многие десятки лет. В этой книге я рассказал лишь о некоторых. Среди них роль калий-натриевого градиента, передача энергии по мембране как по электрическому кабелю, молекулярные основы зрения и т. д. На этих путях уже достигнуты первые успехи.

Нельзя не сказать о возможных последствиях открытий биоэнергетиков для практической деятельности человека, хотя в этом важнейшем деле нашей науке долгое время фатально не везло. Пастер, которого Ракер считает первым биоэнергетиком, прославился прежде всего, конечно, своим вкладом в медицину, а вовсе не выяснением того факта, что брожение вызывается микроорганизмами. Тем не менее последнее открытие было затем широко использовано в пивоварении. Фабрикант знаменитого голландского пива Хайнекен основал не так давно особый фонд, из которого раз в три года выделяется изрядная сумма на премирование лучшей работы в области биохимии. Этим он решил воздать должное незаслуженно отодвинутому на второй план открытию Пастера, а заодно прославить свою фирму.

В 1905 году А. Харден и У. Йонг обнаружили, что для брожения необходим фосфат, а в 1914 году один очень известный немецкий биохимик предложил добавлять фосфат в питьевую воду для солдат кайзеровской армии, «чтобы улучшить энергообеспечение их организмов на марше». Этот экскурс биоэнергетики в военную практику кончился громким конфузом: солдатские желудки пришли в такое расстройство, что марш-бросок пришлось остановить у ближайших придорожных кустов.

Лет через тридцать после этого случая поспешное применение новых биоэнергетических сведений повлекло за собой более трагические последствия, чем понос в пехотном батальоне. Когда выяснилось, что разобщитель динитрофенол нарушает ассимиляцию пищи, его попытались применить как средство от ожирения. Люди, получавшие динитрофенол, действительно похудели, но спустя некоторое время у них началось тяжелое нарушение зрения. Неудивительно, что толстяки, оказавшись перед дилеммой: остаться полными, но зрячими, или стать стройными, но слепыми, – отказались от рекомендаций врачей, увлекшихся биоэнергетикой.

Да, биоэнергетики в долгу перед медициной. Мы слишком долго сами блуждали впотьмах, чтобы взято на себя смелость указывать путь другим. Однако с каждым прорывом на новый уровень знания прояснялась картина того, что происходит в клетках человеческого организма.

Мы уже можем точно сказать, как действуют многие лекарства. Грамицидин, например, нарушает изолирующий барьер мембран. В этом действии он неразборчив; что бактерия, что клетка больного – все равно. Поэтому грамицидин можно применять как полоскание, но не внутрь. Другое дело левомицетин: он блокирует синтез белка в бактериях и в наших митохондриях, но не влияет на этот процесс в цитоплазме клетки человека.

Левомицетин не столь опасен, как грамицидин, и если все же дает побочные эффекты, то их причину надо искать прежде всего в нарушении энергетики митохондрий.

Или фенилин, антикоагулянт, предотвращающий тромбозы, – довольно сильный разобщитель-протонофор. При передозировке есть опасность превратить в тепло всю энергию дыхания.

Объяснить болезнь еще не значит ее вылечить. Но это путь к научному поиску правильного способа лечения.

Мы знаем, что амитал, барбамил и другие снотворные-барбитураты блокируют дыхание в митохондриях на уровне первого протонного генератора дыхательной цепи. Есть вещества, введение которых приводит к образованию нового пути переноса электронов в обход поврежденного участка цепи. Так действует, например, витамин К3. А такой субстрат дыхания, как янтарная кислота, подключается к дыхательной цепи после звена, атакованного амиталом. Как знать, может быть, Мерилин Монро осталась жива, не опоздай биоэнергетики на пару лет со своим открытием эффекта янтарной кислоты и витамина К3?

Иногда задают вопрос: «А что может дать биоэнергетика для решения проблем энергетического кризиса?» Здесь прежде всего приходит на ум использование белков – генераторов фототока в качестве солнечных батарей. Действительно, такие батареи, судя по нашим данным, могут быть экономичнее подобных устройств, используемых сегодня в технике.

Если говорить о бактериородопсине, самом простом и стабильном среди белков-генераторов, то его практическое применение ограничивается прежде всего тем, что этот компонент приходится включать в очень тонкие, а потому нестойкие липидные пленки, соизмеримые по толщине с природными мембранами (то есть 70 ангстрем, или 7 миллионных долей миллиметра). Перенести протон через более толстые пленки бактериородопсину не удается.

Хлорофилл-белковые комплексы сложнее бактериородопсина, зато есть шанс сорбировать их на электроде, с тем чтобы они переносили электроны с какого-либо вещества-донора на электрод.

Другой вариант – сорбировать на электродах окислительно-восстановительные ферменты и попытаться создать биологический топливный элемент.

В нашей лаборатории С. Варфоломеев и его коллеги взяли два таких фермента: один, окисляющий водород, и другой, восстанавливающий кислород. Сорбировав на одном электроде фермент-окислитель, а на другом фермент-восстановитель, они получили постоянный ток. При этом на первом электроде протекала реакция Н2 → 2Н+ + 2е, на втором – 1/2О2 + 2е + 2Н+ → Н2O. У такого топливного элемента оказался целый ряд бесспорных преимуществ и только один недостаток, но весьма досадный: ферменты, как всякие белки, имели малый срок жизни. Этот срок удалось резко продлить, когда в качестве сырья для получения ферментов вместо обычных бактерий взяли особый вид бактерий-термофилов.

За термофилами пришлось ехать на Камчатку. Там есть вулкан, из кратера которого вытекает нагретая до +130 градусов концентрированная серная кислота. У подножия горы поток кислоты впадает в речку с обычной водой. Чуть ниже места впадения, там, где температура «всего» +70 градусов, и был обнаружен особый вид бактерий, ферменты которых отличаются исключительной стабильностью. Достаточно сказать, например, что для активности фермента, окисляющего водород, температурный оптимум оказался +90 градусов.

Вернувшись в Москву с небольшим количеством удивительных бактерий, С. Варфоломеев наладил их культивирование и получил достаточное количество ферментов, чтобы поставить опыт по генерации тока. С этими ферментами стабильность биологического топливного элемента превзошла все ожидания: он мог работать месяцами.

Еще одна проблема биоэнергетики будущего – это биосинтез АТФ в промышленных масштабах. Хотим мы того или нет, но человечество идет к получению пищевых продуктов синтетическим путем. Чтобы решить эту задачу, потребуется синтез белков, жиров, углеводов и витаминов из простых соединений: углекислого газа, воды, аммиака – при участии соответствующих ферментов. Ферменты эти должны обеспечиваться энергией. АТФ – наиболее универсальная форма энергии, которую «узнают» такие ферменты. Вот почему фабрики синтетической пищи будут потреблять АТФ, как ГРЭС – уголь.

Массовые количества АТФ можно было бы производить за счет света в стабилизированных тем или другим способом протеолипосомах, содержащих бактериородопсин и протонную АТФ-синтетазу из термофильной бактерии. В сопряжении этих двух весьма устойчивых ферментов – преобразователей энергии видится сегодня тот наиболее перспективный принцип, который можно было бы положить в основу технологии производства АТФ.

Вскрытие механизма работы уже описанных биологических преобразователей энергии и практическое применение добытых знаний – вот ближайшая перспектива биоэнергетики.

А что, если попытаться заглянуть в более далекое будущее? Прогнозы в науке – неблагодарное дело. И тем не менее...

Давайте сначала обернемся назад и попробуем проследить, каким путем шли биоэнергетики все годы, составившие новейшую историю их науки. Быть может, продолжив этот путь в грядущее, нам удастся представить себе, что ждет нас впереди.

Безусловно, важнейшей вехой на пути биоэнергетики было открытие нового типа преобразования энергии в клетке – генерации протонного потенциала. Это открытие было подготовлено долгими и, казалось бы, бесплодными поисками, блужданиями в дебрях необяснимых фактов, которые привели в конце пятидесятых годов к пониманию того, что есть крупная нерешенная проблема – механизм окислительного фосфорилирования, не поддающийся объяснению в рамках привычных научных догм. В описании энергетики клетки пропущен какой-то важнейший аспект – вот ощущение того времени, что предшествовало рождению концепции протонного потенциала.

А как сегодня выглядит биоэнергетическая карта клетки? Есть ли на ней крупное «белое пятно», нерешенная проблема, по масштабам своим соизмеримая с загадкой окислительного фосфорилирования? Все ли типы биологических преобразователей энергии нам известны теперь, после открытия протонного потенциала?

Впечатление таково, что мы свели наконец концы с концами и на карте энергетических превращений не осталось достаточно обширных свободных мест. Но ведь такое же мнение складывалось в сороковые-пятидесятые годы, когда совершала свое триумфальное шествие концепция Липмана об АТФ как единственной конвертируемой форме энергии в живых системах.

Возникнет ли новый кризис идей в биоэнергетике? Если возникнет, я этому не удивлюсь. «Гораций! Много в мире есть такого, что вашей философии не снилось». Гамлет мог бы произнести эти слова и сегодня.

Недавно была обнаружена бактерия – спирилла, накапливающая в цитоплазме кристаллы окиси железа, частицы которого располагаются вдоль длинной оси клетки. Эти бактерии чувствуют магнитное поле. Они безошибочно ориентируются в пространстве относительно магнитных полюсов Земли, различая север и юг. Как намагничивают бактерии крупинки железа? Как реагируют они на магнитное поле? Какую роль играет эта их способность для жизнедеятельности? На все эти вопросы мы пока не можем ответить даже приблизительно. А ведь речь идет о магнетизме – давно изученном физиками явлении.

Что же сказать о гравитационном поле, если биологический аспект этой проблемы остается уделом «специалистов по телекинезу», которые вынуждены предполагать существование неизвестных физике «генераторов гравитации»!

Электрический ток был открыт Гальвани в опытах с лягушкой двести лет назад. Так биолог подарил физикам новый огромный раздел их науки. Как знать, не ждет ли физиков в будущем еще один такой подарок? Ведь история повторяется, в том числе и история науки...

Мы подошли к последней странице этой книги. Я пишу ее на вольном воздухе. В лицо упруго катит волны воздушный океан. Он раскачивает щиты оргстекла в деревянной раме – нехитрую оснастку моего «кабинета» на лоджии десятого этажа. Оснастка чуть колеблется и поскрипывает. Слева внизу милый сердцу лабораторный корпус. Впереди, на горизонте, у самой его черты, какое-то новое Беляево или Чертаново белеет грядой строек, а справа вдали Останкинская телебашня болит занозой в лиловом московском небе. Я очень горд этим своим открытием – писать на воле, в любую погоду, пока не замерзнут чернила...

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.

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

Источник:

Скулачев В.П. 'Рассказы о биоэнергетике' \2-е издание – Москва: Молодая гвардия, 1982 – с.191