Рассказы о биоэнергетике - Владимир Скулачев

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.

В те дни мне довелось посетить Митчела в его Глинн Хаузе. Помню покрытые нежнейшей, только что взошедшей травой холмы, аллею вечнозеленых деревьев, ведущую к дому, и сам дом: освещенная жилая часть и затемненные лабораторные комнаты. В те январские дни 1974 года Англия пыталась бороться с энергетическим кризисом, сократив рабочую неделю. Митчел был этим страшно недоволен и грозился поставить на ближайшем холме ветряк, чтобы стать независимым от государственной энергетики.

Мне отвели большую комнату с нереально высоким потолком и огромными окнами, за которыми дремал сад. Был полный штиль.

Пытаясь уснуть, я обратил внимание на боль в ушах. Меня охватило какое-то беспокойство. Что-то было не так. Я не сразу сообразил, что все дело в тишине. В доме было абсолютно тихо. На милю вокруг ни жилья, ни шоссе, ни железной дороги. Я понял, что, пожалуй, впервые в жизни нахожусь в полной тишине. Пришло на ум, что Г. Лундегард, предтеча Митчела, тоже жил в уединенном доме, где размещалась его лаборатория... Уснуть мне удалось, лишь положив под голову ручные часы.

Глава 9. Признание

Принцип Митчела

В хронологии своих встреч с Митчелом я обнаружил правильную периодичность: познакомившись в 1966-м, мы затем виделись раз в два года, по четным годам. Лишь после 1974 года наступил четырехлетний перерыв, и автора хемиосмотической гипотезы я повстречал вновь только в 1978-м, на съезде в Дрездене, где ему вручали высшую награду Федерации европейских биохимических обществ — медаль Г. Кребса. Это был уже не первый знак официального признания. За два-три года Митчел стал членом Королевского общества Великобритании, получил золотую медаль международного научного фонда США, премию Филдберга, а также и другие премии в Бостоне, в Нью-Йорке.

Свою лекцию перед европейскими биохимиками в Дрездене он мог, казалось бы, выдержать в спокойных тонах, популярно изложив суть своей уже доказанной и всемирно знаменитой гипотезы. Так нет же, он вновь, как и прежде, перегрузил доклад чрезмерным обилием идей и фактов, чтобы в конце неистово обрушиться на М. Викстрема, А. Ленинджера и кое-кого из других биоэнергетиков, теперь уже занятых, по существу, разработкой деталей его теории.

Принцип Митчела

Речь шла о механизме образования и использования протонного потенциала в биологических мембранах. Согласившись с тем, что протонный потенциал есть фактор, сопрягающий дыхание и фосфорилирование, биоэнергетики занялись исследованием устройства ферментов, образующих протонный потенциал. Посыпались самые различные предложения: каждый имел наготове свой собственный «чертеж» белка - генератора электроэнергии. Вот тут-то фигура Митчела вновь оказалась в самом центре полемики.

Дело в том, что еще в 1966 году, в первой «Серой книге» он имел неосторожность дать конкретные схемы главных узлов постулированного им механизма превращения энергии. Впоследствии Ракер счел это за достоинство и даже вывел некое правило, звучащее примерно так: «Если вы выдвинули блестящую новую гипотезу, но не изложили ее в деталях, вас, вероятно, будут игнорировать. Если вы хотите привлечь внимание к своему детищу, без колебаний включите в изложение несколько пунктов, которые несущественны для главной темы, но зато могут быть атакованы оппонентами». Отсутствие резонанса от первой краткой публикации Митчела в 1961 году Ракер объясняет именно тем, что неясно было, как атаковать новую гипотезу.

Нет слов, подробнейшее изложение теории, данное в 1966 году, было куда уязвимей для критики. Каждый мог найти здесь себе подходящую мишень: и специалист по АТФазам, и тот, кто занимался дыхательными ферментами, мембранолог и исследователь фотосинтеза, микробиолог и биофизик-теоретик.

Многие из деталей схемы Митчела, по-видимому, не универсальны для всех генераторов протонного потенциала, а некоторые вообще неверны. Однако главное было схвачено абсолютно верно: использование энергетических ресурсов ведет к образованию протонного потенциала, который расходуется затем на синтез АТФ.

Вот почему Митчел имеет право сегодня сказать словами булгаковского Мастера: «О, как я угадал! Как я все угадал!»

В общей форме утверждение, которое я бы назвал «принципом Митчела», можно записать так:

энергетические ресурсы клетки → протонный потенциал → АТФ.

Это один из фундаментальных законов, определяющих жизнедеятельность организмов, поскольку он лежит в основе двух важнейших процессов энергообеспечения клетки — фотофосфорилирования и дыхательного фосфорилирования. Поэтому трудно переоценить вклад Митчела в развитие современной биохимии, и, когда в октябре 1978 года радио принесло весть о решении Нобелевского комитета по химии присудить ему премию, я не был удивлен.

П. Хинкль, выступая на семинаре в нашей лаборатории спустя несколько дней после этого события, сравнил его с присуждением такой же премии биохимикам - соотечественникам Митчела двадцать лет назад. По меткому выражению Хинкля, идея протонного потенциала имеет такое же значение для биоэнергетиков, как концепция двойной спирали ДНК для молекулярных биологов, изучающих наследственность.