Юрий Строфилов - Не про бег

Летом 1933 года Ханс Адольф Кребс получил уведомление о том, что его лицензия на преподавание больше недействительна. Через месяц он продолжил работу в Кембридже, с трудом забрав из Фрайбурга шестнадцать ящиков с оборудованием, купленным на деньги фонда Рокфеллера.

Кребс изучал дыхание клеток. Он брал суспензию из них и методично добавлял к ней разные молекулы, претендующие на роль промежуточных соединений, измеряя скорость их окисления. Пять лет аккуратной экспериментальной работы привели к расшифровке пути преобразования глюкозы в высокоэнергетические вещества. Знание названий промежуточных соединений ни на секунду не уменьшает результат на марафоне, но как красиво они звучат: щавелевоуксусная, лимонная, янтарная кислота, альфа-кетоглутарат, фумарат и даже малат, который моя программа-редактор упорно заменяет на «салат». Эти названия имеет смысл выучить хотя бы ради того, чтобы окончательно добить оппонента при обсуждении философских вопросов.

Кребс послал работу в самый престижный научный журнал Nature. На редактора эти названия не произвели впечатления, и ему до конца жизни было стыдно, что он отказался от размещения статьи. Кребс опубликовал материал в голландском журнале Enzymologia. А вот члены Нобелевского комитета были очарованы этими словами, назвали цикл лимонной кислоты одним из главных открытий биологии всех времен и в 1953 году дали Хансу Кребсу половину Нобелевской премии.

Теперь мы знаем, что молекула глюкозы разламывается пополам ферментами и два остатка попадают в восьмистадийный замкнутый цикл Кребса. Итог его работы – синтез АТФ и некоторого соединения с названием, которое без запинки не произносят даже биохимики. Зачем так сложно? Просто и в одну стадию было на заводе в Порт-Вентворте. На каждой из восьми стадий, кроме аккуратного высвобождения энергии, производятся вещества, участвующие в регуляции совершенно разных метаболических процессов. Большая энергия требует ответственности и контроля.

Итак, есть некий цикл, который генерирует немного АТФ. Но она не умеет накапливаться. Глюкоза – да, как и гликоген, и жирные кислоты, а АТФ – нет. Средняя продолжительность жизни этой молекулы меньше одной минуты. Сохранять в ней энергию не получится. А что делать? АТФ не хранится, а путь от глюкозы до нее слишком длинный, чтобы обеспечивать спонтанно возрастающие потребности клеток.

Раздумывая над этой проблемой, химики выявили еще несколько мелких нестыковок. Северо Очоа насчитал 38 молекул АТФ, образуемых из одной молекулы глюкозы, но точные эксперименты показали, что это число непостоянно. То 28, то 38, а кроме того, число может быть дробным. Кошмар любого химика: полмолекулы одного вещества дает три четверти молекулы другого. Экспериментаторы очень упорно перетирали клетки, добавляли различные ферменты, пытаясь в пробирке получить результат, похожий на результат деятельности живой клетки. Этот путь прошел Кребс, а до него Бухнер и другие первооткрыватели химии брожения. Но в этот раз весь биохимический мир безрезультатно искал молекулы и условия реакции. В середине XX века химики думали, что знают почти все, в их построениях остались лишь маленькие погрешности. Но прошло десятилетие без результата, и ученые готовы были снова поверить в «живительную силу».

На работу в Кембридж Питер Митчелл ездил на роллс-ройсе, его дядя был главой строительного монстра Wimpey. С защиты диссертации его выгнали со словами: «Так научные тексты не пишут». Изучал Митчелл транспорт молекул из клетки и в клетку. Оказалось, некоторые молекулы могут переноситься через мембрану против градиента концентрации. Это очень похоже на воздушный шарик, который накачивается сам, перенося атомы через резиновый слой внутрь. В 1961 году Питер Митчелл отправил в журнал Nature статью, объясняющую дыхание клетки переносом протонов через мембрану. На этот раз его работу опубликовали без возражений.

Научный мир разделился на две части. Одна сделала вид, что ничего не читала, а вторая приняла слова Митчелла за очередную экстравагантную выходку. Сам он только подливал масла в огонь, доводя оппонентов до белого каления манерой вести спор. Единственным результатом дискуссий стали проблемы со здоровьем. Питер Митчелл уехал в скалистый Корнуолл, на родину короля Артура, в места, где не было никого, кроме привидений и заброшенных замков. Он занялся восстановлением фамильной усадьбы, оборудовал там маленькую лабораторию, нанял одного сотрудника и продолжил исследования примитивными приборами.

На выходе цикла Кребса получается несколько молекул энергетически емкого вещества со странным названием никотинамидадениндинуклеотид. Никто, включая первооткрывателей – лауреатов Нобелевской премии, не может произнести это название с первого раза без ошибки. Попробуйте! Как-то в аптеке маленькая девочка попросила лекарство для мамы: «Я не помню названия, помню только действующее вещество – 1-фенил-2,3-диметил-4-метиламинопиразолон-5-N-метансульфонат натрия». Нуклеотид из цикла Кребса для простоты биохимики назвали НАДН.

Задача нуклеотида – отдать электрон в цепочку дыхательной цепи и перейти в восстановленное состояние. Электрон путешествует по цепочке от одного белка в мембране митохондрии к другому каждый раз с высвобождением энергии, пока не упрется в кислород, который его с нежностью примет. Другими словами, пища окисляется кислородом через цепочку передачи электронов с выделением энергии. Почти все это знали и до Митчелла.

Питер Митчелл ввел в этот процесс мембрану. У химиков не получалось, потому что все свои хитроумные эксперименты они проводили в растворах.

Митохондрия состоит из двух мембран: наружная отделяет ее от остальных элементов клетки, а внутренняя содержит белки – элементы дыхательной цепи.

Идея Митчелла состояла в том, что энергия, высвобождающаяся при прохождении электрона по дыхательной цепи, закачивает протон в пространство, ограниченное внутренней мембраной митохондрии. Он надул мембрану протонами, как воздушный шарик. На разных ее сторонах образовался электрический потенциал. Митохондрия превратилась в самую настоящую батарейку, точно такую же, как стоит в вашем телефоне. Теперь энергию можно хранить долго.

Как только возникает потребность в АТФ, в мембране открывается краник и поток протонов бежит к своим электронам, по пути синтезируя АТФ. Краник этот называется АТФ-синтаза. Это группа ферментов, очень похожая на лесной гриб, которая работает как электромотор: через ее ножку пробегают электроны, шляпка поворачивается на 120 градусов, сжимает исходные компоненты и в буквальном смысле лепит АТФ. И все это волшебство видно в электронный микроскоп.