Рассказы о биоэнергетике - Скулачев Петрович

Ягендорф, Витт, Булычев и другие

Корнелльский университет в Итаке (штат Нью-Йорк), как мне объяснили по приезде в этот симпатичный городок на севере США, специализируется в подготовке ветеринаров и управляющих отелями. Не знаю уж, кому из них более интересен фотосинтез: ветеринарам, чьи подопечные нагуливают вес, поедая продукты фотосинтеза, или управляющим отелями, которым приходится следить, помимо прочего, за пальмами в гостиничных холлах.

Так или иначе в Корнелльском университете работал А. Ягендорф, специалист по фотофосфорилированию, то есть синтезу АТФ за счет энергии света в хлоропластах. До этого он провел некоторое время в лаборатории Митчела и, вернувшись в Итаку, решил проверить предсказательную силу новой гипотезы. Ягендорф поместил хлоропласты сначала в кислую, а потом в щелочную среду, измеряя при этом количество АТФ. Все манипуляции производились в темноте. Оказалось, что такая процедура ведет к образованию АТФ, как если бы мы на минутку выключили свет.

Система фотофосфорилирования работает без света. Удивительно?

А почему бы и нет, если, по Митчелу, свет нужен для синтеза АТФ только затем, чтобы разделить Н+ и ОН- и образовать разность электрических потенциалов между внутренним пространством хлоропласта и окружающим раствором. Перенеся хлоропласты из кислой среды в щелочную, мы, так сказать, своими руками создаем необходимую разность концентраций водородных ионов, которая будет поддерживать какое-то время синтез АТФ без всякого света.

Городу Итаке красный флажок!

Университет в Западном Берлине. Лаборатория профессора X. Витта. Исследуется электрохромный эффект Штарка: способность некоторых красителей менять свой спектр при помещении в сильное электрическое поле. Оказывается, пленки, приготовленные из смеси пигментов, содержащихся в хлоропластах, демонстрируют этот эффект. Интересно, конечно, но какое он имеет отношение к делу?

Самое прямое. Освещение хлоропластов вызывает спектральный сдвиг, подобный эффекту Штарка. Так, может быть, свет создает электрическое поле на хлоро-пластной мембране, где как раз и находятся исследованные Виттом пигменты? Тщательный анализ свидетельствует в пользу этого предположения.

Еще один флажок на карте...

А. Булычев, В. Андрианов, Г. Курелла и Ф. Литвин, сотрудники биофака МГУ, ставят опыты на растениях с очень крупными хлоропластами. В один из хлоропластов удается ввести микроэлектрод. Выясняется, что освещение вызывает образование разности потенциалов между хлоропластом и цитоплазмой клетки, куда введен другой электрод.

Рука Митчела тянется к красному флажку. Напрасно. Над Москвой красный флажок уже есть.

Но не думайте, что в Москве все шло так уж гладко. Когда я впервые рассказывал о хемиосмотической гипотезе на одной из всесоюзных конференций, то председательствующий быстро погасил мой пыл. Гипотеза, как было сказано, напомнила ему 20-е годы, когда все химические события в организме объясняли изменением баланса «кислых и щелочных едкостей». Шутка имела большой успех у аудитории.

На Международном ботаническом конгрессе, проходившем в нашей стране, физик Д. Чернавский выступил с заявлением о совершенной невозможности существования хемиосмотического механизма из сугубо теоретических соображений. Он говорил по-русски, а переводчика не было, так что один мой знакомый англичанин из всего выступления Чернавского понял только одно слово «Митчел», повторявшееся множество раз.

— Как все же у вас поддерживают Митчела! — сказал мне потом англичанин.

«Чудо-ионы»

После опытов с протонофорами мы взялись за проверку следующего постулата хемиосмотической гипотезы, а именно ее, так сказать «электрической части».

Митохондрия или хлоропласт - сложная штука, целое натуральное хозяйство внутри клетки, Может быть, когда-то это была самостоятельная клетка микроба, вступившего на путь симбиоза с более крупным хозяином. В митохондриях и хлоропластах есть множество ферментов, в том числе неизученных. Может статься, что среди них скрывается и калиевая АТФаза. Поэтому далеко не безопасно мерить разность электрических потенциалов (Δψ), используя природные ионы типа калия, как это сделал Митчел. Лучше бы взять ион искусственный, синтетический, непохожий ни на кого из своих природных собратьев. Но будет ли чужеродный ион проникать через митохондриальную мембрану?

'Чюдо-ионы'

К сожалению, скорее всего нет. Чтобы удерживать образуемую дыханием Δψ, мембрана не должна пропускать ионы. Только очень узкий круг вполне определенных, «избранных» природных ионов имеет возможность пройти через мембрану митохондрий. Среди них ион кальция, который избирательно накапливается в митохондриях при участии особого переносчика, локализованного в митохондриальной мембране. Но ион кальция не годится по той же причине, что и калий (а вдруг в митохондриях есть кальциевая АТФаза, подобная, к примеру, той, которую обнаружили в некоторых других типах мембран).

Давайте подумаем, почему ионы не проходят через мембрану в отстутствие веществ-переносчиков или специальных ионных каналов?

Все природные мембраны сделаны из жиров и «жирных» белков, то есть полипептидных цепей с высоким содержанием гидрофобных аминокислот. Итак, мебрана жирная. Ионы же в водном растворе окружены связанными молекулами воды («водной шубой»), и их сродство к жиру крайне низко. Именно поэтому мебрана — барьер для ионов.

Как же природа преодолевает эту трудность, столкнувшись с необходимостью повысить ионную проницаемость мебран? Обратимся к валиномицину, простейшему и наиболее изученному природному переносчику ионов (ионофору). Как показали академик Ю. Овчинников и его коллеги, валиномицин связывает ион калия своими гидрофильными карбонильными группами. При этом гидрофобные остатки аминокислот и оксикислот, образующих валиномицин, оказываются обращенными наружу, а калий занимает центральную полость молекулы антибиотика. Теперь калий окружен не водной шубой, а гидрофобными остатками, имеющими большое сродство к жиру. Так ион калия получает пропуск на вход в митохондрию.

Но такой пропуск нам не годится. Валиномицин очень разборчив в отношении иона-партнера и не связывает даже близкий по свойствам к калию ион натрия, Что уж говорить о неприродных ионах!

А если взять какое-нибудь синтетическое соединение, в котором заряд экранирован гидрофобными заместителями? Не обойдется ли такой ион без пропуска?

Е. Либерман завел свой старенький автомобиль и отправился по московским химическим институтам в поисках «чудо-иона», который, он был твердо уверен, пылится где-нибудь на полке у людей, не способных даже выговорить без запинки слово «фосфорилирование».

Вскоре Либерман вернулся к себе в подвал на Ленинском проспекте, 33, где в недрах одного из академических институтов у него была лабораторная комната. Портфель отяжелел от склянок с невиданными для биохимика веществами. Теперь уже его сотруднице Л. Цофиной пришлось встретиться с трудностями в произношении: «фенилдикарбаундекаборан...» Это анион, имеющий форму усеченного шара, сделанного из атомов бора. Кроме того, там есть фенильный остаток и отрицательный заряд, «размазанный» по всей этой ни на что природное не похожей молекуле, названной для краткости ФКБ-. А вот еще один анион: тетрафенилбор (ТФБ-). Он устроен попроще: четыре фенильных остатка, а в центре бор. Его «электрический антипод» — катион тетрафенилфосфоний (ТФФ+). Он построен так же, как ТФБ-, но вместо бора — фосфор, и в результате заряд «плюс».

— Почему вы взяли такое сложное для синтеза вещество, как ФКБ-? — спросил меня как-то сотрудник американской фирмы по производству реактивов, только что наладивший за океаном выпуск ФКБ- на продажу.

Я не стал его огорчать историей случайной находки ФКБ- и сказал, что это самый лучший среди проникающих синтетических анионов.

Либерман, Цофина и их сотрудники обнаружили, что искусственные мембраны практически не создают препятствия для движения ФКБ-. Несколько меньшей, но все же достаточно высокой проникающей способностью обладали также и кое-какие другие из реквизированных Либерманом ионов.

Но как поведут себя ионы-безбилетники в митохондриях? На этот вопрос вскоре смог дать ответ наш сотрудник А. Ясайтис. Оказалось, что они успешно заменяют калий и валиномицин в опытах «а lа Митчел и Мойл...».

Вскоре Либерман придумал простой метод измерения «чудо-ионов», и мы получили возможность непрерывно следить за концентрацией этих ионов в растворе.

Проникающие синтетические ионы вели себя в полном соответствии с предсказанием хемиосмотической гипотезы. При включении дыхания катионы послушно направлялись внутрь митохондрий, к минусу, а анионы наружу, к плюсу. Мы назвали это явление электрофорезом проникающих ионов (по аналогии с известным методом разделения заряженных веществ в электрическом поле). Но действительно ли дело в электрофорезе?