Рассказы о биоэнергетике - Владимир Скулачев

Незадолго до опытов Кагавы в лабораторию Ракера возвратился из годичной стажировки П. Хинкль, посланный Ракером к Митчелу на выручку. Хинкль не только освоил новую теорию, но и провел в Глинн Хаузе ряд изящных опытов с митохондриями, исследуя один из дыхательных ферментов, цитохромоксидазу. Вернувшись в Итаку, Хинкль заразил Ракера своим митчельянством так, что тот стал первым из признанных корифеев биоэнергетики, кто поддержал Митчела.

Если АТФаза и АТФ-синтетаза, рассуждали Ракер и Хинкль, — это один и тот же фермент, а роль дыхания состоит только в том, чтобы образовать протонный потенциал, необходимый для фосфорилирования, тогда стоит лишь включить в АТФазные пузырьки Кагавы еще и дыхательный фермент, как они, эти пузырьки, начнут образовывать АТФ за счет дыхания.

Ракер засучил рукава белоснежного халата и взялся встраивать цитохромоксидазу в АТФазные пузырьки Кагавы.

Вскоре в американском биохимическом журнале появилось сенсационное сообщение, подписанное Э. Ракером и его лаборанткой А. Кандраш, о самосборке системы дыхательного фосфорилирования. Пузырьки, содержащие АТФазу и цитохромоксидазу, образовывали АТФ при окислении аскорбиновой кислоты. Синтез АТФ полностью прекращался добавлением разобщителей-протонофоров.

Услышав об открытии Ракера, я попросил А. Ясайтиса наладить получение таких же пузырьков здесь, в Москве. Сказано — сделано! И вот уже передо мной три пробирки: водной пузырьки с АТФазой, в другой — с цитохромоксидазой, а в третьей — с двумя этими ферментами вместе. Попробовали проникающие ионы. Как и следовало ожидать, в белково-липидных пузырьках происходил электрофорез синтетических ионов.

Источниками энергии для транспорта наших ионов могли служить: в АТФазных пузырьках — гидролиз АТФ, в цитохромоксидазных — дыхание, а в смешанных — оба эти процесса. Восстановителем цитохромоксидазы служил водорастворимый белок цитохром с.

Удалось приготовить цитохромоксидазные пузырьки двух типов: одни с цитохромом с внутри и другие с цитохромом с снаружи. В первом случае внутренность пузырьков должна заряжаться положительно, во втором — отрицательно. Чтобы проверить, правильно ли это предположение, были взяты два очень близких по структуре, но разных по заряду иона — ТФБ- и ТФФ+. Оказалось, что при дыхании пузырьки с цитохромом с внутри поглощают ТФБ-, а пузырьки с цитохромом с снаружи поглощают ТФФ+.

Так сбылось еще одно предсказание гипотезы, а в целом был сделан новый шаг вперед. Теперь я уже мог ответить моим критикам: протонный потенциал есть общий продукт двух разных ферментативных систем — дыхательной и АТФазной.

Вообще мне чрезвычайно понравились эти самые фосфолипидные пузырьки, инкрустированные очищенным белком, — простейшая модель, где еще сохранялась интересовавшая нас функция, то есть преобразование химической энергии в электрическую. Я назвал такие пузырьки протеолипосомами, и это имя, кажется, прижилось.

Занятно следить за новыми словами, которые ты придумал, чтобы выпустить в большой мир. Вводить новые слова приходится не ради забавы, а по необходимости, чтобы как-то назвать невиданный раньше предмет, явление или свойство.

Бывает, что слова отражают характер их создателей, которые иногда, не задумываясь о последствиях, пускают в обиход научных статей поспешные творения лабораторного жаргона. Мне кажется, что термин «дигидрокодегидрогеназа» придумал человек либо очень скучный, либо не очень внимательный к своей речи. Но он был первооткрывателем, и термин этот, хоть и неблагозвучный, продержался в биохимической литературе десятки лет, пока не была расшифрована химическая структура так неудачно названного вещества. Потом это слово бесследно исчезло из языка, уступив место буквенному сокращению его структурной формулы.

Иной раз язык активно противится новому слову, выталкивает его, не принимая неудачника в свое лоно. Академик М. Колосов рассказывал мне, что термин «алкоголиз», то есть лизис (расщепление) какого-либо вещества алкоголем, употребленный в посмертном издании трудов академика М. Шемякина, корректоры упорно исправляли на «алкоголизм», и, хотя на всех стадиях корректуры злосчастное «м» безжалостно вымарывалось, в самый последний момент в типографии все же восстановили эту букву, уверенные, что она случайно потерялась на предыдущей стадии полиграфического процесса.

Особенно трудны, а иногда и просто опасны неологизмы, связанные с переводом вновь возникшего термина на иностранный язык. Так, в своем труде о Марсе Дж. Скипарелли написал по-итальянски canali, имея в виду борозды. Затем это слово было механически перенесено в английский и другие языки, что определенно способствовало созданию бума вокруг несуществующих марсианских каналов.

Решив опубликовать по-английски работу о протеолипосомах, я долго не мог придумать, как назвать операцию включения белка в липидный слой мембраны. В конце концов остановился на глаголе inlay («инкрустировать»). Когда же потребовалось соответствующее причастие («инкрустированный»), я написал «inlayed», забыв, что inlay - глагол неправильный, как и lay, от которого он происходит, и его причастная форма должна писаться «inlaid».

Свою ошибку я обнаружил лишь после того, как статья вышла в свет. Старейшее в мире издательство «Элзевир», что в Голландии, не заметило моей оплошности, и не существующее в английском языке слово «inlayed» смотрело теперь на меня с набранного крупным шрифтом заглавия статьи.

Я долго сокрушался по поводу своей безграмотности. Представьте же себе мое изумление, когда спустя несколько лет после этого случая я вдруг обнаружил свое «inlayed» в статье известного мексиканского биохимика. Повторяя наши опыты и производя ту же операцию включения белка в мембрану, он употребил причастие «inlayed». Потом я встретил такое же написание у своего коллеги из Индии, затем у немца, а недавно в статье группы американских авторов. Видимо, «inlayed» стало термином.

Глава 8. Белки-генераторы тока

Драчев и бактериородопсин

Л. Драчев никогда специально не изучал ни биологии, ни химии. Даже в школе. В связи с военным временем и нехваткой учителей вместо этих предметов преподавали математику.

Окончив физфак МГУ, он занялся ионосферой, а потом лазерами. Нас познакомил Либерман. Он же сагитировал Драчева включиться в биоэлектрическую эпопею. С легкой руки ректора МГУ Р. Хохлова Драчев стал сотрудником нашей лаборатории.

Услышав истории о проникающих ионах, протеолипосомах и прочих премудростях биоэнергетики, Драчев флегматично заметил, что электричество, если его действительно генерируют мембранные белки, хорошо бы мерить вольтметром и амперметром.

Мы сами знали, что хорошо бы, и потому не сочли мнение Драчева за снобизм чужака-физика. Проникающие ионы, электрохромизм в опытах Витта или открытые позже флуоресцентные красители, реагирующие на Δψ, — это все же косвенные методы. А в столь сложной системе, как биологическая, одно прямое измерение стоит сотен косвенных. Например, такое чуждое для живой клетки вещество, как ТФБ-, совершенно неожиданно оказалось восстановителем для одного из ферментов в хлоропластах. А ведь ТФБ- считали биологически инертным соединением! Так что мы сразу согласились с Драчевым.

Однако как прямо измерить производство электричества белками? Вводить микроэлектрод в митохондрию? Но она слишком сложна.

Мое воображение уже было отравлено гениальной простотой протеолипосом. Микроэлектрод в протеолипосому? Так ведь она всего 0,1 микрона в диаметре!

Нет, это не путь. А если включить белок — генератор тока в черную искусственную мембрану? Тогда бы мы измерили разность потенциалов и ток обычными электродами, помещенными в растворы по обе стороны от перегородки, отверстие в которой закрыто мембраной. Но как включить белок в черную мембрану?

Белки, генераторы электричества, как и другие мембранные белки, в воде нерастворимы. Попробуем добавить их к раствору фосфолипидов в декане, который применяют обычно для образования черной мембраны. А какой взять белок?

Конечно, тот, что может использовать энергию света! Добавлять растворы окисляемых веществ или АТФ в таком опыте неудобно: черная мембрана вообще непрочна. Это, по существу, оболочка мыльного пузыря. Да еще белковые включения, которые, вероятно, прочности мембране не прибавят! Капля любого раствора может ее разрушить. Свет, безусловно, удобнее.

Итак, должен быть какой-то из белков, участвующий в усвоении энергии света, то есть в фотосинтезе.

Как раз в это время У. Стокениус и Д. Остерхельтв США описали новый тип светочувствительных белков бактериородопсин. Как выяснилось, у солелюбивых бактерий есть фиолетового цвета белок, содержащий, подобно зрительному пурпуру глаза — родопсину, — производное витамина А — ретиналь. Было получено косвенное указание на то, что бактериородопсин может переносить через мембрану водородные ионы за счет энергии света, заменяя содержащие хлорофилл белки обычных организмов-фотосинтетиков.