Рассказы о биоэнергетике - Владимир Скулачев

Вернувшись в Москву, я прежде всего решил повторить опыты Пэйнтер и Хантера, благо их система была до чрезвычайности простой. Первые попытки — и неудача. Может быть, не те реактивы? Возьмем другие и проведем реакцию еще раз...

Эта проверка стоила мне нескольких седых волос, а нашей аспирантке Т. Гудзь пары месяцев короткого аспирантского срока. Стремясь повторить чужой опыт, я не надеялся на лавры победителя (они все равно достались бы Хантеру в случае подтверждения его работы). Отрицательный результат также не продвигал нас вперед Он мог лишь приглушить голос сомнения (а вдруг тогда, пять лет назад, в Варшаве, я ступил на ложный путь и повел своих товарищей «дорогой никуда», которых так много в науке?). Так кто же прав: Ф. Хантер там, в Сент-Луисе, или мы здесь, в Москве?

Еще до опытов по проверке Пэйнтер и Хантера я написал в отчете о Люцернском симпозиуме для «Успехов современной биологии»: «Известный оптимизм в отношении результатов предполагаемой проверки внушает огромный опыт Хантера в области окислительного фосфорилирования... По широте фронта исследований них продуктивности группа в Сент-Луисе всегда уступала ведущим американским центрам, таким, как лаборатории Ленинджера, Чанса, Грина, Ракера. Однако работы Хантера, не слишком яркие по своему значению, неизменно отличались высоким запасом прочности: за двадцатилетний срок ни одна из них не была опровергнута или поставлена под сомнение. Вот почему публикация Хантера была воспринята без того скепсиса, с которым встречали в последнее время любые работы, претендующие на решение проблемы окислительного фосфорилирования»

...Спустя несколько месяцев до нас дошел слух, что все данные сенсационных статей двух американцев фальсифицированы. Вскоре стали известны подробности этого нового скандала в биоэнергетике. Пэйнтер, как за шесть лет до этого Уэбстер у Грина, использовала разброс данных по включению меченого фосфата в АТФ, чтобы убедить Хантера, руководителя ее аспирантской работы, в том, что в растворе происходит синтез АТФ. Вот вам и аккуратист Хантер! Что же, и на старуху бывает проруха!

Карфаген должен быть разрушен!

Уже после первого нашего совместного опыта с разобщителями в 1966 году Е. Либерман заявил, что хемиосмотическая гипотеза доказана. Мне полученный результат показался условием необходимым, но недостаточным. Чтобы решить спор, мы затеяли работу с синтетическими ионами. По ее завершении у меня исчезли последние сомнения. Действительно было установлено, что и дыхание и гидролиз АТФ могут образовывать разность электрических потенциалов (Δψ) и разность концентраций водородных ионов (ΔрН), то есть протонный потенциал:

Карфаген должен быть разрушен!

дыхание → протонный потенциал ← АТФ.

Приняв, что второй процесс обратим, мы получим:

дыхание → протонный потенциал → АТФ.

Другими словами, дыхание и фосфорилирование связаны через протонный потенциал,

Синтез АТФ за счет искусственно созданной ΔрН был обнаружен еще А. Ягендорфом. O том, что Δψ также может служить источником энергии для фосфорилирования, говорили опыты Б. Прессмана, поставленные в 1967 году. Митохондрии выдерживали с ионами калия и затем помещали в среду без калия. Для повышения калиевой проводимости мембран добавляли валиномицин. Выход ионов калия из митохондрий в бескалиевую среду создавал нехватку положительных зарядов внутри митохондрий. Если бескалиевая среда содержала АДФ и фосфат, то синтезировался АТФ.

Сопоставив эти данные с результатами опытов, описанных выше, я решил, что настало время объявить о доказательстве Митчелова принципа сопряжения.

Доклад на Европейском биохимическом съезде в Варне в 1971 году показался мне подходящим случаем, чтобы выступить с этим заявлением.

Бог мой, что тут началось! После более чем оживленной дискуссии, выплеснувшейся в кулуары конгресса, один из оппонентов заметил, что даже Митчел, отсутствовавший в Варне, вряд ли счел бы мое выступление своевременным. Действительно, спустя некоторое время я получил конверт со штемпелем «Бодмин» и посланием Митчела, где он писал, что считает меня слишком большим энтузиастом хемиосмотической теории.

Мы вновь увиделись с ним через год, на следующем съезде европейских биохимиков. Митчел председательствовал на моей лекции, и я не без волнения вновь показал уже несколько затертый заключительный слайд своего варненского доклада, сопроводив его латынью: «Ceterum censeo Carthaginem delendam esse!» («При всем том я думаю, что Карфаген должен быть разрушен!»)

Председатель уже не возражал. Видно, латынь пришлась по душе выпускнику колледжа Иисуса в Кембридже! Желтые глаза Митчела лучились, он, кажется, даже приоткрыл от удовольствия рот, показав язык нашим оппонентам в зале,

- Вы будете держать флаг, - сказал мне Митчел, уезжая в Англию накануне постсимпозиума по биоэнергетике, где предполагалось нелицеприятное обсуждение конкурирующих теорий. Он вообще (а после Варшавы в особенности) не любил открытых дискуссий.

— Мой компьютер работает медленно, — говорил он, постукивая пальцем по своему высокому лбу.

Бой на постсимпозиуме пришлось принять мне.

Что же возразили наши противники?

Их главный аргумент состоял в том, что митохондрия слишком сложна, чтобы имеющийся в наших руках материал был достаточен для вывода о сопрягающей роли протонного потенциала.

- Почему вы думаете, — спрашивали меня, - что протонный потенциал стоит между дыханием и АТФ, а не где-нибудь в стороне? Например:

дыхание → АТФ → протонный потенциал или

протонный потенциал → дыхание → ? → АТФ?

Напрасно я говорил о том, что хемиосмотической гипотезой предсказаны явления, мысль о существовании которых не могла даже прийти в голову, если придерживаться любой другой схемы. Оппоненты были неумолимы. Практически все маститые биоэнергетики, присутствовавшие в зале, не разделяли моей точки зрения.

После истории с Уэбстером и Грином, Пэйнтери Хантером они уже ничему не верили на слово. Каждый хотел на собственном опыте убедиться в правоте логического построения и отсутствии альтернативных объяснений.

Протеолипосомы

Итак, к 1972 году дискуссия между сторонниками хемиосмотической теории и ее противниками переместилась в новую плоскость. Если раньше ставилось под сомнение само существование протонного потенциала, то теперь речь шла лишь о том, как образуется этот потенциал и какова его роль в энергетике клетки.

Очередной вопрос, на который предстояло ответить, состоял в следующем: действительно ли есть два пути образования протонного потенциала: один, использующий энергию дыхания, и другой, использующий энергию АТФ, или существует лишь один такой путь (либо дыхание, либо АТФ).

Протеолипосомы

Чтобы решить эту проблему, необходимо было разделить ферменты, участвующие в дыхании и гидролизе АТФ, и показать, что каждый из них, взятый в отдельности, может образовать протонный потенциал. Следовало сперва разобрать мембрану митохондрий на части — разделить белки и липиды, потом очистить какой-либо один тип белков, например дыхательный фермент, и после этого посмотреть, может ли этот фермент образовать протонный потенциал.

— Позвольте, - возразите вы, — но ведь протонный потенциал — это трансмембранная потенциальная энергия протонов, а мембрану-то мы уже разрушили!

— Ну и что? Сначала разрушили, а теперь сделаем, да такую, что в ней будет только один тип белков - дыхательный фермент!

— А если природная мембрана, однажды разрушенная, вообще не может быть воссоздана? Если мембрана происходит от мембраны, как клетка от клетки?

— Волков бояться — в лес не ходить.

Э. Ракер волков не боялся (хотя бы потому, что, как говорят, в штате Нью-Йорк они давно вывелись). И вот в Корнелльском университете началась работало самосборке мембран. Многие месяцы подряд японский стажер Я. Кагава испытывал разные белки, фосфолипиды и способы разрушения мембран, пока наконец один из вариантов опыта не принес надежду на успех. Взяв фосфолипиды из сои и фермент АТФазу из митохондрий бычьего сердца, Кагава растворил их в воде с помощью одной из желчных кислот. Затем он осторожно удалил желчную кислоту и обнаружил, что в растворе получились пузырьки, способные расщеплять АТФ. Скорость распада АТФ повышалась динитрофенолом, что могло бы свидетельствовать о генерации протонного потенциала на мембранах пузырьков.

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.