Однажды, просматривая в библиотеке биофака новые журналы, я наткнулся на короткую статью в "Нэйчер под названием "Сопряжение окисления и фосфорилирования механизмом хемиосмотического типа". Автор П. Митчел - новое имя в биоэнергетике. И термин "хемиосмотический" тоже новый. Новое имя, новое слово у небывалый, смахивающий на фантазию подход к старой проблеме.

...Пройдут годы, и заметка в журнале "Нэйчер" за 1961 год станет самой цитируемой работой но биоэнергетике, а ее автор - лауреатом Нобелевской премии, присужденной вопреки традициям этих премий, не за открытие какого-то нового явления, а за догадку о его существовании.

Питер Денис Митчел родился 29 сентября 1920 года в Митчепе (графство Суррей, Англия). Сын лейтенанта британской армии был отдан родителями в Тонтонский королевский колледж. Затем он студент колледжа Иисуса в Кембриджском университете. В 1943 году выпускник университета, бакалавр искусств.

В том же году Митчел начинает работать над диссертацией под руководством профессора Д. Даниэлли. Еще в 30-е годы Даниэлли прославился как автор изящной концепции о молекулярном строении биологических мембран. После отъезда Даниэлли из Кембриджа Митчел переходит в группу по изучению ферментов, которую возглавлял известнейший энзимолог М. Диксон (энзимология - наука о ферментах).

Чтобы стать кандидатом наук (в Англии это называется "доктор философии"), Митчелу потребовалось семь лет. Вторую диссертацию - на звание доктора наук - он так и не защищал, шагнув в 1974 году сразу в члены Королевского общества.

Студентом Митчелу довелось слушать лекции Д. Флеминга. Это было время, когда из английских госпиталей выходили фронтовики, чью жизнь спас Флемингов пенициллин. И в общем-то неудивительно, что темой своей первой научной работы молодой биолог выбрал механизм действия пенициллина на бактерии.

Сначала было исследовано включение меченого фосфата в нуклеиновые кислоты. Пенициллин тормозил этот процесс. В столь сложной системе, как живая клетка, такой эффект мог объясняться либо прямым действием пенициллина на синтез нуклеиновых кислот, либо влиянием на какой-то отдаленный этап обмена веществ, либо на клеточную стенку и перенос фосфата из среды в клетку. Именно тогда Митчел впервые уловил притягательную силу тайны, окружавшей роль фосфата в энергетике живых существ.

Но пройдут годы, прежде чем он вплотную займется этой проблемой. Пять лет после защиты диссертации Митчел работает демонстратором на кафедре биохимии Кембриджского университета, а затем его приглашают старшим преподавателем на кафедру зоологии в Эдинбург. В течении следующих восьми лет, проведенных здесь, в Шотландии, он мало печатается, не спешит с продолжением опытов по действию пенициллина. Постепенно он приходит к убеждению, что история с пенициллином всего лишь частный случай, за которым стоят куда более сложные вопросы.

Митчел как-то издалека, медленно, исподволь приближается к основной проблеме биоэнергетики. Сначала мысль о том, нельзя ли отнести пенициллин к загадочным разобщителям, благо в эту группу попадают самые разные по строению вещества. Казалось бы, взять да поставить опыт вроде того, что описал Ф. Липман еще в 1948 году! Но далеко ли он продвинется вперед, если даже докажет, что пенициллин действительно разобщитель?

Одним разобщителем больше - невелико открытие! Не лучше ли поразмыслить над тем, что такое вообще разобщение дыхания и фосфорилирования? Ясно, что здесь дело в каком-то нарушении механизма, сопрягающего эти два процесса. А что это за сопрягающий механизм?

Митчел внимательно анализирует бытовавшие в то время взгляды на природу дыхательного фосфорилирования. Казалось бы, ему, биохимику, должна импонировать химическая схема сопряжения, объяснявшая энергетику дыхания наподобие уже известной энергетики брожения. Но как объяснить действие разобщителей?

Интуиция энзимолога (недаром Диксон - один из его учителей!) подсказала Митчелу, что динитрофенол и вся разномастная группа разобщителей не могут быть аналогами фосфата. Ферменты слишком разборчивы к объектам своей деятельности - субстратам, чтобы ошибаться так грубо.

Но что, если разобщители действуют не на фермент, а на его окружение?

Дыхательные ферменты отличаются от ферментов брожения тем, что они не плавают в клеточном соке, а прикреплены к мембранам. Так, может быть, именно мембрану и атакуют разобщители? Но зачем нужна мембрана ферментам вообще и дыхательным ферментам в частности? Вот вопрос, которым занялся Митчел, вспомнив беседы с другим своим наставником - Даниэлли, основателем учения о мембранах.

До Митчела биохимики, изучавшие мембранные ферменты, рассматривали мембрану как штатив, к которому эти ферменты крепятся. Считалось, что ферментативные процессы развертываются на поверхности, а не в "толще" мембраны. Такое мнение основывалось на факте, что субстраты ферментов - это, как правило, водорастворимые вещества. Казалось бы, они не должны проникать в сердцевину мембраны, сделанную из жира.

Однако для целой группы процессов транспорта веществ было с несомненностью установлено, что водорастворимые соединения проходят каким-то образом через жировой барьер мембраны внутрь клетки. Если, допустим, глюкоза, вообще нерастворимая в жирах, переносится через внешнюю мембрану клетки (а это факт!), почему бы не предположить, что она может быть атакована каким-то из мембранных ферментов прямо в мембране?

До Митчела химическими превращениями в мембранах практически не занимались. Изучение транспорта веществ через мембраны оставалось уделом физиологов-"транспортников". Биохимики рассматривали мембрану как помеху, от которой следует поскорее избавиться, чтобы перевести исследуемый фермент в раствор и там уже заняться им вплотную, используя весь арсенал энзимологии.

Столкнувшись с проблемами биоэнергетики, Митчел был поражен отсутствием каких бы то ни было контактов биохимиков с "транспортниками". Между ними лежала пропасть. И он занялся наведением мостов.

Итак, перед нами задача: сопрячь процесс дыхания с образованием АТФ, использовав каким-то образом свойства мембраны. Давайте рассмотрим еще раз реакцию синтеза АТФ:

АДРОН + НОР -> АДРОР + Н₂O

Молекула Н₂О при образовании АТФ, обозначенного здесь АДРОР (буквами Р показаны атомы фосфора), может получиться из остатка гидроксила (ОН^-), отщепляемого от неорганической фосфорной кислоты (обозначенной НОР), и иона водорода, или протона (Н⁺), взятого от аденозиндифосфата (АДРОН).

Вода - продукт не только синтеза АТФ, но и дыхания, которое, как мы уже знаем, формально описывается реакцией взрыва гремучего газа:

2Н₂ + O₂ -> 2Н₂О

с той разницей, что в процессе участвует не молекулярный водород, а органические вещества - субстраты дыхания, поставляющие атомы водорода для образования воды.

Если две реакции, образующие общий продукт, протекают в одной пробирке, то они в конце концов могут лишь замедлить друг друга. В то же время наша цель: объяснить, почему дыхание активирует, увлекает за собой реакцию фосфорилирования аденозиндифосфата неорганической фосфорной кислотой. Итак, введя в поле нашего зрения воду, мы все еще не продвинулись к цели.

Впрочем, не совсем так. Появилась маленькая зацепка, ниточка, потянув за которую, можно попытаться распутать клубок.

Нам нужно, чтобы дыхание влияло на фосфорилирование, и эта цель достигнута: влияние уже есть. Беда в том, что оно направлено не в ту сторону, куда хотелось бы: дыхание затрудняет реакцию фосфорилирования вместо того, чтобы облегчать ее. Но ведь мы не учли еще один непременный компонент системы - мембрану. Плохо, если вода, образующаяся при дыхании, и вода, образующаяся при синтезе АТФ, выделяются по одну и ту же сторону от мембраны, то есть в один и тот же отсек. Эго равносильно протеканию двух реакций в одной пробирке. А что, если два процесса образуют воду по разные стороны от мембраны?

Тогда дыхание будет создавать избыток воды, образуя ее, например, слева от мембраны.

Допустим теперь, что синтез АТФ приводит к выделению воды справа от мембраны. Создается ситуация, когда синтез АТФ как бы компенсирует нехватку воды справа относительно возросшей (из-за дыхания) "концентрации воды" слева. Тем самым, в принципе говоря, тормозящее влияние дыхания на фосфорилирование должно смениться благоприятным эффектом: дыхание создает избыток продукта (воды) по одну сторону мембраны, а фосфорилирование уравнивает количества воды в двух отсеках, образуя воду по другую сторону мембраны. Таким образом, дыхание повышает вероятность реакции синтеза АТФ. Другими словами, дыхание сопрягается с фосфорилированием. Наконец-то!

Гипотеза всегда основывается на предположениях. Она может быть отвергнута, если хотя бы одно из предположений противоречит уже известным фактам.

Нет ли таких противоречий в "водной" гипотезе сопряжения?

К сожалению, есть. В предложенной схеме дыхание образует, а фосфорилирование нивелирует различие в количестве воды в двух отсеках, разделенных мембраной. Чтобы такая система работала, мембрана должна быть непроницаемой для воды. Если не выполнено это условие, избыток воды, образуемой слева от мембраны за счет дыхания, "утечет" на другую ее сторону, где воды меньше. В результате там количество воды повысится без всякого фосфорилирования, и энергия, выделившаяся при дыхании, будет безвозвратно потеряна.

Так вот, давно известно, что биологические мембраны проницаемы для воды. Они вообще не могут служить барьером для таких маленьких нейтральных молекул, как Н20. Умозрительное построение "водной гипотезы" рушится!

Но может быть, из тех же блоков удастся создать что-нибудь более устойчивое?

На чем же мы споткнулись? На том, что мембраны - негодный барьер для воды, продукта дыхания и фосфорилирования. Но из чего получается вода, например, при фосфорилировании? Из иона водорода (Н⁺), отнятого от АДФ, и гидроксила (ОН^-), отнятого от фосфата. Так ведь Н⁺ и ОН^- - заряженные частицы, ионы, а для ионов мембраны, как правило, практически непроницаемы!

Итак, нам нужно, чтобы при синтезе АТФ получались не вода, а ионы Н⁺ и ОН^-, да еще по разные стороны мембраны.

Если бы теперь дыхание тоже образовывало не воду, а Н⁺ и ОН^-, то можно было бы так расположить ферменты в мембране, чтобы при дыхании ион Н⁺ выделялся слева от мембраны, а при фосфорилировании - справа от нее. Тогда окажется, что дыхание образует слева от мембраны кислоту, справа - щелочь, а процесс форфорилирования просто-напросто нейтрализует кислоту и щелочь.

Таким образом, реакция нейтрализации кислоты и щелочи, образованных дыханием, станет движущей силой процесса синтеза АТФ.

Чтобы завершить строительство "интеллектуального собора", остается лишь догадаться, как именно дыхание образует кислоту и щелочь.

Известно, что окисление субстратов дыхания кислородом катализируется дыхательными ферментами. Они бывают двух типов. Одни присоединяют атомы водорода, другие присоединяют электроны. Если окислить донор водорода (АН₂) ферментом - акцептором электронов (С), то одним из продуктов реакции окажутся ионы Н⁺:

АН₂ + 2С -> А + 2Се - + 2Н⁺.

Если теперь восстановить кислород посредством Се^-, то произойдет потребление ионов Н⁺:

2Се - + О + 2Н⁺ -> 2С + Н₂O.

Вот мы и свели концы с концами!

Такова хемиосмотическая гипотеза Митчела. Она схематично изображена на рисунке.

Окисление субстрата АН₂ (реакция 1) ферментом - акцептором электронов, который не указан, чтобы не усложнять схему, происходит на левой поверхности мембраны. В результате электроны присоединяются к ферменту, а протоны уходят в воду.

Затем электроны переносятся ферментом на правую сторону мембраны и там восстанавливают молекулярный кислород или какой-нибудь другой акцептор водорода (в общей форме обозначен буквой В). Вещество В, присоединив электроны, связывает ионы Н⁺ справа от мембраны, превращаясь в ВН₂.

Синтез АТФ (реакция 2) происходит таким образом, что два иона Н⁺ отщепляются от АДФ и фосфата справа от мембраны, компенсируя потерю двух Н⁺ при восстановлении вещества В. Один из кислородных атомов фосфата переносится на другую сторону мембраны и, присоединив два иона Н⁺ из левого отсека, образует Н₂O. Остаток фосфорила присоединяется к АДФ, давая АТФ.

По схеме Митчела, показанной на рисунке, роль дыхания в синтезе АТФ ограничивается созданием избытка Н⁺ на одной стороне мембраны по сравнению с другой ее стороной. Дыхание как бы сгущает, концентрирует ионы Н⁺ в одном из двух отсеков системы, разделенных мембраной. Это означает, что оно совершает осмотическую работу. Затем осмотическая энергия, накопленная в виде разности концентраций ионов Н⁺ между левым и правым отсеками, расходуется на химическую работу, то есть на синтез АТФ.

Вот почему Митчел назвал свою схему "хемиосмотической гипотезой". Она выгодно отличается от старой, "химической" схемы, приведенной на странице 36, по крайней мере в одном своем аспекте. Митчел обошелся без неуловимых промежуточных продуктов вроде АН₂ • фермент, А • фермент и А • фосфат. Ему вообще не нужны были какие-либо специальные продукты, общие для реакций дыхания и фосфорилирования. По Митчелу, связующим звеном двух процессов служат водородные ионы.

Итак, хемиосмотическая гипотеза освободилась от одного из недостатков старых схем. В то же время она объяснила два ранее непонятных момента: необходимость мембран и механизм действия веществ-разобщителей.

Совершенно очевидно, что устройство, придуманное Митчелом, нуждается в двух пространствах, разделенных мембраной, непроницаемой для ионов Н⁺ и ОН^- Любое нарушение изолирующих свойств мембраны, например повышение ее проницаемости для Н⁺, то есть протонной проводимости, должно подавлять процесс синтеза АТФ. Что касается дыхания, то при повышении проводимости оно ускорится, так как перенос водорода и электронов, уже не приводящий к накоплению энергии, "покатится под гору", превращая всю энергию дыхания в тепло.

Так ведь это же и есть разобщение дыхания и фосфорилирования: тот самый феномен, над объяснением которого бились авторы "химических" гипотез, заставляя динитрофенол уподобиться фосфату в реакции с ферментом!

Митчел обратил внимание на то, что все разобщители - растворимые в жирах слабые кислоты, имеющие в своем составе обратимо связывающийся протон. Так возникло предположение, что разобщители служат переносчиками протонов через мембрану. Они связывают Н⁺ на той ее стороне, где дыхание создает избыток ионов водорода, затем диффундируют, неся лишний протон, через мембрану, и освобождают Н⁺ в противоположном отсеке, где водородные ионы в дефиците.

Пожалуй, только два факта (оба негативного свойства!) были положены Митчелом в основу его гипотезы в далеком уже 1961 году. Это невозможность найти химические продукты, которые были бы общими для дыхания и фосфорилирования, и необъяснимость роли мембран и действия разобщителей в рамках традиционных представлений, почерпнутых из аналогии с брожением.

Однако было бы ошибочным полагать, что хемиосмотическая гипотеза возникла совсем уж на пустом месте. Еще в 1945 году швед Г. Лундегард писал о возможности образования кислоты и щелочи мембранными окислительными ферментами. Лундегард был первым, кто "уложил" дыхательный фермент поперек мембраны, увидев в этом механизм концентрирования ионов. В 40-е годы эту гипотетическую концепцию подхватили И. Конвей и Т. Брейди, стремившиеся таким способом объяснить механизм образования кислоты в желудке. В начале 50-х годов ту же мысль обсуждали в Англии Р. Деви, А. Огстон и Г. Кребс (тот самый Кребс, имя которого увековечено на карте обмена веществ в связи с циклом карбоновых кислот). В 1960 году известный биохимик Р. Робертсон, избранный впоследствии президентом Академии наук Австралии, писал о разделении зарядов как о первичной стадии получения энергии, необходимой для синтеза АТФ.

Однако все эти предположения существовали сами по себе, разрозненно, их авторы не пытались создать единую схему, признанную объяснить механизм превращения энергии в митохондриях. Выдвинув гипотезу о разделении Н⁺ и ОН^- при синтезе АТФ, Митчел заполнил недостающее звено, замкнул "протонный цикл" и создал непротиворечивую концепцию, позволяющую понять природу сопряжения между дыханием и фосфорилированием.

В 1961 году схема Митчела в краткой форме была тотчас напечатана журналом "Нейчер" (трудности с публикациями возникнут позже!).

Новую концепцию восприняли первоначально как еще одно умозрительное предположение в длинном ряду биоэнергетических гипотез. В начале 60-х годов была большая мода на эти гипотезы. Поскольку речь шла о главных системах энергообеспечения живых клеток, ясно было, что победителя ждет хороший приз, и каждый уважающий себя биоэнергетик спешил выдвинуть собственную схему энергетического сопряжения. Гипотезы возникли и, не выдержав испытания опытом, гибли, чтобы уступить место новым предположениям.

Некоторые из них казались столь фантастичными, что не удостаивались проверки: никто не спешил вкусить сомнительного вида плод, и он, перезрев, падал и исчезал в "быстром и мутном потоке информации". Это случалось прежде всего тогда, когда сам автор гипотезы не делал попытки проверить предсказательную силу своих постулатов.

Поначалу казалось, что такая судьба уготована и хемиосмотической теории. Шли годы, а Митчел все молчал. Прошел даже слух, что он вовсе удалился от дел.

Митчел действительно не ставил опыты по проверке своей концепции. Вскоре после первой публикации гипотезы он тяжело заболел и решил оставить работу в университете, с начальством которого у него всегда были нелады. Он покинул Эдинбург и на деньги, только что полученные по наследству, купил ферму на самом юге Англии, в медвежьем (по английским понятиям) углу, в нескольких милях от маленького городка Бодмин, графство Корнуэлл. Эти места известны нам по Конан Дойлу ("Собака Баскервиллей"): Бодмин расположен чуть к югу от тех мрачных болот, где произошли захватывающие события с участием Шерлока Холмса. Научных учреждений в этих краях нет, зато сохранились легенды о пиратах, избравших окрестности Бодмина местом своего последнего прибежища на английских островах.

Прежний владелец фермы, получив причитавшуюся ему сумму, поспешил удалиться, оставив Митчелу стадо коров, которых доктор философии вынужден был доить собственноручно, чтобы предотвратить их страдания.

На территории фермы находились развалины старинного дома, принадлежавшего во времена наполеоновских войн британскому адмиралу. Как показали раскопки, под адмиральским домом были погребены еще более древние развалины каменного строения, где жило когда-то семейство некоего Глинна, начавшего платить подати королю чуть ли не тысячу лет тому назад.

Митчел решил восстановить дом адмирала, а заодно и дом Глинна, заключенный в его недрах. Были приглашены архитектор и бригадир строителей, с которыми Митчел немедленно рассорился. Других в Бодмине достать было непросто, и хозяин решил сам взяться за постройку. Он нанял двух каменщиков.

- Чудесные простые люди, - рассказывал мне Митчел, - жаль только, что один из них совершенно неожиданно оказался беглым каторжником, осужденным за убийство!

Когда полиция заинтересовалась одним из новых его коллег, Митчелу пришлось сколачивать другую артель. Эта задача была не без труда решена, и на склоне холма у живописной речки Фой стали помаленьку вырисовываться очертания двухэтажного дома с дорическими колоннами вдоль фасада.

Здоровье Митчела пошло на поправку. Причиной тому была смена занятий, образа жизни и климата, а также, по-видимому, аскорбиновая кислота, которую он принимал в огррмных количествах, следуя рецепту Л. Полинга (довольно редкий случай, когда один нобелевский лауреат по химии излечил другого, будущего нобелевского лауреата по химии).

Обосновавшись на новом месте и выздоровев, Митчел завел двух ослов - животных, которые, как он однажды мне признался, вызывают у него наибольшую симпатию. Других ослов в графстве Корнуэлл не было. По утрам Митчел запрягал одного из них в коляску и вез своих многочисленных детей в школу ("Чтобы школа, - как говорил он, - не вызывала у детей слишком уж большой неприязни"). Затем отправлялся на ферму (в его руках она оказалась выгодным предприятием) или разъезжал по окрестностям в поисках развалившихся замков. Их восстановление стало новой страстью Митчела. Вплоть до недавнего времени один день в неделю он посвящал архитектурному надзору за возрождением какого-либо утраченного шедевра старинной архитектуры в Корнуэлле.

Рассказы о биоэнергетике Часть I ИСТОРИЯ НОВОЙ НАУКИ Глава 1. ЧЕМ ЗАНИМАЮТСЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ? Рождение биоэнергетики Глава 2. ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН? Как клетка получает и использует энергию АТФ - разменная валюта клетки Где и как образуется АТФ? Глава 3. ОТ МИРМИКОЛОГИИ К БИОЭНЕРГЕТИКЕ Муравьиный язык Митохондрии производят АТФ в пробирке Глава 4. ДВА ПУТИ Факт или артефакт? Стриженые голуби Бурый жир Глава 5. КРЕПКИЙ ОРЕШЕК Жертва "закона Паркинсона" Ложная аналогия Парадокс веществ-разобщителей Глава 6. МИТЧЕЛ И ЕГО ДОГАДКА Начало пути Чисто умозрительное построение Хемиосмотическая гипотеза Корни гипотезы Одна из многих гипотез? Глинн Хауз. Ослы и дети Глава 7. ПОРАЖЕНИЯ И ПОБЕДЫ "Глинковские лаборатории" Первые опыты Митчела и Мойл "Варшавская битва". Поражение Серебряный звук трубы Первая "Серая книга" Митчела

Протонофоры Красные флажки на карте Конформационная гипотеза Ягендорф, Витт, Булычев и другие "Чудо-ионы" История повторяется Карфаген должен быть разрушен! Протеолипосомы Глава 8. БЕЛКИ - ГЕНЕРАТОРЫ ТОКА Драчев и бактериородопсин Суп из топора Последняя капля Глава 9. ПРИЗНАНИЕ Принцип Митчела Нобелевский лауреат Ароморфозы в науке и "комплекс Герострата" Йоги и биоэнергетика Часть II БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ Глава 1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Протонная АТФ-синтетаза Цитохромоксидаза Хлорофильные генераторы Фотосинтез без хлорофилла Родопсин и зрение Глава 2. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, ИЗОБРЕТЕННЫЙ БАКТЕРИЕЙ Флагелла, крюк и диски Протонный потенциал движет бактерией Вращение хлоропластов Глава 3. ДВОЙНАЯ БУХГАЛТЕРИЯ ЖИВОЙ КЛЕТКИ Зачем клетка обменивает натрий на калий? Электрический кабель цианобактерий Глава 4. К НОВЫМ РУБЕЖАМ