Рассказы о биоэнергетике - Скулачев Петрович

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.