Рассказы о биоэнергетике - Скулачев Петрович

Как же упорядочить ориентацию бактериородопсина в искусственной мембране? Первоначально мы не знали даже, с какого конца подступиться к проблеме. Но нам повезло: решение вскоре было найдено совершенно случайно.

Как-то наш молодой сотрудник А. Семенов ставил опыт с протеолипосомами, поглощавшими на свету проникающие анионы ФКБ-. Варьируя состав раствора с протеолипосомами, он добавил в смесь сульфат магния. Никаких изменений добавка не вызвала, и Семенов совсем было собрался прекратить эксперимент, но в этот момент в лабораторию зашел кто-то из его знакомых.

За приятной беседой сотрудник забыл о своем намерении сменить не оправдавшую его ожиданий пробу и вновь включил свет. К своему удивлению, он обнаружил, что теперь свет вызывает заметно больший эффект, чем десять минут назад. Семенов включил свет еще раз и, убедившись, что явление не исчезло, отправился на поиски шефа, чтобы похвалиться своим маленьким открытием. На эти поиски ушло еще четверть часа.

— Смотрите, как вырос фотоэффект, — сказал он и вновь включил свет.

Перо самописца резко метнулось к краю измерительной шкалы и, пока мы обалдело следили за поистине циклопическим фотоэффектом, застряло в краевой перфорации ленты и начало рвать бумагу в напрасных попытках продвинуться дальше. Я быстро освободил перо из плена, а Семенов переключил шкалу вольтметра с 10 на 100 милливольт.

На сей раз фотоэффект удалось записать. Это был огромный потенциал, который рос на глазах. Так продолжалось еще около часа, после чего лопнула черная мембрана, использовавшаяся в этом опыте для измерения концентрации анионов ФКБ-. Мы поставили новую мембрану и на всякий случай еще раз загрубили шкалу, полагая, что за время установки мембраны эффект еще более возрос.

Включили свет - перо вздрогнуло и отползло, словно нехотя, на два миллиметра в сторону. Повторное освещение дало тот же жалкий результат. Немедленно у прибора был созван консилиум лучших умов лаборатории, находившихся в пределах досягаемости. Пока судили да рядили, как объяснить только что наблюдавшийся и внезапно утраченный гигантский фотоэффект, прошло какое-то время, и Семенов для очистки совести еще разок осветил ячейку с протеолипосомами.

- Смотрите! Он вернулся! - услышали мы у себя за спиной торжествующий возглас.

И правда, эффект-богатырь возник вновь. Налицо было какое-то медленно развивающееся явление, исчезавшее всякий раз, когда мы заменяли одну измерительную мембрану другой. Стало быть, измерительная мембрана, а вовсе не протеолипосомы, подвергалась действию сульфата магния.

Чтобы убедиться в правоте этой, казалось бы, очевидной посылки (если не протеолипосомы, значит, измерительная мембрана, ведь больше ничего в нашей системе просто нет), мы добавили сульфат магния в омывающий искусственную мембрану раствор, не содержащий протеолипосом. Спустя час в тот же раствор внесли протеолипосомы и измерили фотоэффект. Если дело в мембране, то свет должен бы вызвать образование большой разности потенциалов.

Не тут-то было! Перед нами вновь был эффект-пигмей! Однако со временем он увеличился и через час-полтора достиг огромных размеров.

Что же это получается? В системе всего два компонента: протеолипосомы и искусственная мембрана, и оба они, отдельно взятые, устойчивы к действию сульфата магния. Тем не менее сульфат магния действует, да так мощно! А может быть, секрет его магического влияния надо искать в каком-то эффекте, требующем одновременного присутствия и протеолипосом и мембраны?

В дальнейшем оказалось, что сульфат магния можно заменить хлористым магнием, но не хлористым калием. Это указывало, что действующее начало — ион магния.

Известно, что двухвалентные катионы магния и кальция нейтрализуют отрицательные заряды на поверхности фосфолипидных мембран, образуя прочные комплексы с анионами фосфатных групп фосфолипида. Именно эти отрицательные заряды предотвращают слипание фосфолипидных пузырьков друг с другом. Быть может, в нашей системе магний вызывал слипание протеолипосом друг с другом?

Но для чего в таком случае искусственная мембрана? Нет, это не объяснение.

А вдруг протеолипосомы склеиваются с искусственной мембраной, ведь она тоже состоит из фосфолипидов? Тогда возникающий со временем высокий фотопотенциал мог бы в принципе иметь ту же природу, что в опытах Л. Драчева: бактериородопсин протеолипосом, приклеившихся к искусственной мембране, генерирует на свету разность потенциалов, которая регистрируется нашим вольтметром. В результате мембрана, предназначенная для регистрации количества анионов ФКБ-, измеряет вовсе не этот параметр, а непосредственно работу бактериородопсина как электрического генератора.

Проверить такое предположение не составило большого труда. Мы просто повторили опыт, но без анионов ФКБ-. Это был, так сказать, суп из топора: система для измерения проникающих анионов содержала все компоненты, необходимые, чтобы произвести такое измерение, за исключением самих анионов. И что же: со временем развился мощный фотоэффект. Его величина оказалась гораздо большей, чем в первых опытах Л. Драчева, когда мембрану образовывали из смеси бактериородопсина и фосфолипидов.

Последующее разбирательство показало, что в системе «протеолипосомы — искусственная мембрана» бактериородопсин всегда ориентирован таким образом, что он транспортирует протоны из омывающего раствора внутрь приклеенных к мембране протеолипосом. Так мы получили систему, где из двух противоположно включенных биологических фотобатарей осталась одна.

Используя новый метод, нам удалось добиться фотопотенциалов до 0,3 вольта, что превышает величину, необходимую для энергообеспечения синтеза АТФ.

Затем последовали годы работы по проверке других белков — генераторов протонного потенциала, совершенствованию метода встраивания белков в мембрану, стабилизации самой мембраны. Выдающиеся качества Л. Драчева как виртуозного физика-экспериментатора позволили разработать универсальный метод, позволяющий измерять перенос протонов внутри мембраны за время, равное одной десятимиллионной доле секунды.

Сегодня опыт Л. Драчева воспроизведен в десятках других лабораторий у нас в стране и за рубежом. Электрическая часть хемиосмотической гипотезы получила свое окончательное подтверждение.

Последняя капля

О своей догадке, что бактериородопсин может быть генератором протонного потенциала, мне рассказал У. Стокениус в феврале 1973 года в Нью-Йорке. Он разложил свои графики на столе, креслах и необъятной двуспальной кровати в номере отеля и спросил, что я, как митчельянец, обо всем этом думаю. Вскоре выяснилось, что он не меньший митчельянец, чем я, и что мы думаем с ним одинаково: открыт новый тип фотосинтеза, где вместо хлорофилла работает бактериородопсин.

Из Нью-Йорка я отправился в Итаку, к Э. Ракеру, и рассказал ему о данных Стокениуса. По реакции собеседника я понял, что все это он слышит впервые. Помнится, у меня даже были сомнения, имею ли я право рассказывать о бактериородопсине без разрешения Стокениуса, и я даже порывался позвонить ему в Сан-Франниско. Но Ракер отговорил меня, сказав, что сейчас в Калифорнии четыре часа утра и вряд ли Стокениус будет в восторге от звонка.

Последняя капля

А пять месяцев спустя Ракер уже докладывал на очередном международном биохимическом конгрессе о своей совместной работе со Стокениусом. Это был знаменитый «опыт с химерой».

Ракер и Стокениус взяли АТФ-синтетазу из митохондрий сердца быка, бактериородопсин из галофильных бактерий и фосфолипиды из соевых бобов и получили новый тип составленных из веществ всех трех царств живого мира: животного, бактериального и растительного. Протеолипосомы при освещении синтезировали АТФ.

Бычья АТФ-синтетаза катализировала фотофосфорилирование! Это был результат, чудовищный с точки зрения сторонника химической или конформационной схемы сопряжения.

Даже самым яростным противникам хемиосмотической теории было ясно, что бактериородопсин не может образовывать каких-либо химических соединений предшественников АТФ. Не могла идти речь и об обмене конформационной энергией между бактериородопсином и бычьей АТФ-синтетазой. Для этого потребовался бы тесный контакт двух названных белков, а было известно, что бактериородопсин занимает обширные участки (бляшки до 0,5 микрона в длину) в мембране бактерии, причем никаких других белков в этих бляшках не обнаруживается. Бактериородопсин делает свое дело без помощников.

«Оппозиция сдается!» писал мне в эти дни из Америки П. Хинкль.

Да, опыт Ракера и Стокениуса был воистину последней каплей, склонившей чашу весов в пользу хемиосмотической гипотезы.