Текст книги "Рассказы о биоэнергетике"

Автор книги: Владимир Скулачев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 14 страниц)

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.

Чисто умозрительное построение

Если две реакции, образующие общий продукт, протекают в одной пробирке, то они в конце концов могут лишь замедлить друг друга. В то же время наша цель: объяснить почему дыхание активирует, увлекает за собой реакцию фосфорилирования аденозиндифосфата неорганической фосфорной кислотой. Итак, введя в поле нашего зрения воду, мы все еще не продвинулись к цели.

Вврочем, не совсем так. Появилась маленькая зацепка, ниточка, потянув за которую, можно попытаться распутать клубок.

Нам нужно, чтобы дыхание влияло на фосфорилирование, и эта цель достигнута: влияние уже есть. Беда в том, что оно направлено не в, ту сторону, куда хотелось бы: дыхание затрудняет реакцию фосфорилирования вместо того, чтобы облегчать ее. Но ведь мы не учли еще один непременный компонент системы – мембрану. Плохо, если вода, образующаяся при дыхании, и вода, образующаяся при синтезе АТФ, выделяются по одну и ту же сторону от мембраны, то есть в один и тот же отсек. Это равносильно протеканию двух реакций в одной пробирке. А что, если два процесса образуют воду по разные стороны от мембраны?

Тогда дыхание будет создавать избыток воды, образуя ее, например, слева от мембраны.

Допустим теперь, что синтез АТФ приводит к выделению воды справа от мембраны. Создается ситуация, когда синтез АТФ как бы компенсирует нехватку воды справа относительно возросшей (из-за дыхания) «концентрации воды» слева. Тем самым, в принципе говоря, тормозящее влияние дыхания на фосфорилирование должно смениться благоприятным эффектом: дыхание создает избыток продукта (воды) по одну сторону мембраны, а фосфорилирование уравнивает количества воды в двух отсеках, образуя воду по другую сторону мембраны. Таким образом, дыхание повышает вероятность реакции синтеза АТФ. Другими словами, дыхание сопрягается с фосфорилированием. Наконец-то!

Гипотеза всегда основывается на предположениях. Она может быть отвергнута, если хотя бы одно из предположений противоречит уже известным фактам. Нет ли таких противоречий в «водной»: гипотезе сопряжения?

К сожалению, есть. В предложенной схеме дыхание образует, а фосфорилирование нивелирует различие в количестве воды в двух отсеках, разделенных мембраной. Чтобы такая система работала, мембрана должна быть непроницаемой для воды. Если не выполнено это условие, избыток воды, образуемой слева от мембраны за счет дыхания, «утечет» на другую ее сторону, где воды меньше. В результате там количество воды повысится без всякого фосфорилирования, и энергия, выделившаяся при дыхании, будет безвозвратно потеряна.

Так вот, давно известно, что биологические мембраны проницаемы для воды. Они вообще не могут служить барьером для таких маленьких нейтральных молекул, как Н2О. Умозрительное построение «водной гипотезы» рушится!

Но может быть, из тех же блоков удастся создать что-нибудь более устойчивое?