Книга: Жизнь на грани

Помыкание электронами

Помыкание электронами

Как мы уже знаем, одно из основных действий фермента заключается в том, чтобы перемещать электроны внутри молекул субстратов. Так, например, коллагеназа перемещает электроны внутри молекулы пептида. Однако электроны могут менять местоположение не только внутри молекул. Их можно переносить из одной молекулы в другую.

Самый обычный тип реакции с переносом электронов в химии протекает в ходе окисления. Реакция окисления происходит, когда в атмосфере воздуха сгорают углеродные виды топлива, например уголь. Окисление заключается в переходе электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору. При горении куска угля высокоэнергетические электроны атомов углерода перемещаются и участвуют в формировании низкоэнергетических связей внутри атомов кислорода, способствуя образованию углекислого газа. Данная реакция сопровождается интенсивным выделением тепла от пламени. Мы используем тепловую энергию, выделяющуюся в результате горения, для обогрева домов, приготовления пищи, превращения воды в пар, который приводит в движение паровоз или раскручивает турбину для производства электричества. Тем не менее горение угля или двигатели внутреннего сгорания представляют собой весьма примитивные и неэффективные виды использования энергии электронов. Очень давно природа открыла намного более эффективный способ освоения этой энергии — через процесс дыхания.

Мы привыкли к представлениям о дыхании как о двухэтапном процессе: первый этап — вдох, то есть наполнение легких необходимым кислородом, и второй этап — выдох, то есть выделение углекислого газа как побочного продукта. Однако на самом деле дыхание представляет собой комбинацию из первого (подача кислорода) и последнего (выделение углекислого газа) этапов более сложного и упорядоченного молекулярного процесса, который протекает в каждой клетке нашего организма, а именно в сложных органеллах[39] под названием «митохондрии». Своим внешним видом митохондрии похожи скорее на бактериальные клетки, запрятанные внутрь наших животных клеток, поскольку они имеют собственные структурные единицы (мембраны) и даже собственную ДНК. Кстати, весьма вероятно, что митохондрии появились в результате захвата симбиотических бактерий предками современных животных и растительных клеток. Этот «захват» произошел сотни миллионов лет назад, и с тех пор захваченные клетками бактерии утратили способность существовать отдельно. Тем не менее вероятное происхождение митохондрий от независимых бактериальных клеток объясняет их способность совершать такой невероятно сложный процесс, как дыхание. К слову, если говорить о химической сложности процессов, дыхание занимает едва ли не второе место, уступая по сложности лишь фотосинтезу, о котором мы поговорим в следующей главе.

Чтобы понять, какую роль здесь играет квантовая механика, стоит упрощенно объяснить, что происходит в процессе дыхания. Однако даже в упрощенном виде дыхание представляет собой последовательность удивительных процессов, которые являют собой настоящее чудо, создаваемое биологическими наномеханизмами. Дыхание начинается со сгорания углеродного топлива — в данном случае питательных веществ, которые мы получаем с пищей. Так, углеводы распадаются в желудочно-кишечном тракте человека на моносахариды, в том числе глюкозу, которые попадают в кровь и доставляются ею к клеткам, нуждающимся в энергии. Кислород, необходимый для сжигания этого сахарного топлива, поставляется к тем же клеткам через кровь из легких. Как и при сгорании угля, электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов углерода в молекуле, перемещаются в молекулу восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). Однако вместо мгновенного сцепления с атомами кислорода электроны переносятся от одного фермента к другому по внутриклеточной дыхательной цепи белков, словно палочка, которую бегуны передают друг другу во время эстафетной гонки. В каждом звене этой цепи переноса электрон попадает в более низкое энергетическое состояние, при этом разница в энергии используется для того, чтобы привести в действие ферменты, которые выкачивают протоны из митохондрий. Протон, вытесненный из митохондрии, затем используется для приведения в действие еще одного фермента — АТФазы, образующего молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ играет важную роль для всех живых клеток, а именно роль источника энергии, которая быстро переносится по клетке. АТФ обеспечивает энергией такие важные для организма процессы, как движение и сокращение мышц.

По своим функциям ферменты, приводимые в действие электронами и выкачивающие протоны, напоминают гидроаккумулирующую электростанцию, которая создает запас энергии, закачивая воду на горный склон. Аккумулируемая энергия в любой момент может быть высвобождена — стоит только пустить воду вниз по склону, и она запустит турбину, которая начнет производить электрическую энергию. Подобным образом ферменты дыхательной цепи выкачивают протоны из митохондрий. Когда протоны выходят из митохондрий наружу, они приводят в действие своего рода внутриклеточную турбину — фермент АТФазу. Фермент начинает свою работу и обусловливает очередной молекулярный танец, в результате которого из молекулы фермента и фосфатной группы образуется АТФ.

Продолжая нашу аналогию процесса порабощения энергии с эстафетной гонкой, представим, что вместо палочки бегуны передают друг другу бутылку с водой (бутылка символизирует энергию электронов). Кроме того, каждый спортсмен (представляющий фермент) сначала отпивает глоток воды из бутылки и только затем передает ее следующему бегуну. Так продолжается до тех пор, пока оставшаяся в бутылке вода не выливается в стоящее на финише ведро (кислород). Захват энергии электрона мелкими порциями делает весь процесс более эффективным по сравнению с вливанием электронов напрямую в кислород — потери тепловой энергии практически не происходит.

Итак, основные этапы дыхательного процесса вовсе не привычные для нас вдох и выдох, а упорядоченная передача электронов в эстафетной гонке с участием ферментов, которая проходит внутри наших клеток. Каждое звено цепи, на котором осуществляется передача электрона от одного фермента другому, составляет в длину несколько десятых ангстрема. В это расстояние укладывается много атомов, поэтому предполагалось, что электроны не могут перескочить через такую пропасть. Загадка дыхательного процесса заключается в том, как ферментам удается так быстро и успешно перебрасывать электроны через подобные молекулярные пропасти.

Впервые этим вопросом задался еще в начале 1940-х годов американский биохимик венгерского происхождения Альберт Сент-Дьерди, ставший в 1937 году лауреатом Нобелевской премии по медицине за открытие витамина C. В 1941 году Сент-Дьерди выступил с публичной лекцией «Навстречу новой биохимии». В ней ученый высказал предположение о том, что легкость, с которой электроны передаются от одной биомолекулы к другой, напоминает движение электронов в полупроводниках, например внутри кремниевых кристаллов, используемых в электронике. Однако всего через несколько лет было обнаружено, что белки плохо проводят электричество, поэтому электроны передаются от фермента к ферменту вовсе не тем способом, о котором говорил Сент-Дьерди.

Значительные успехи в химии были достигнуты в 1950-е годы. Выдающейся фигурой того времени является канадский химик Рудольф Маркус, основоположник теории, которая впоследствии была названа его именем (теория Маркуса). Теория Маркуса предлагает объяснение скорости, с которой электроны движутся и переходят из одних атомов и молекул в другие. За вклад в теорию переноса электронов Маркус был удостоен Нобелевской премии по химии в 1992 году.

Тем не менее полвека назад ответ на вопрос о том, каким образом ферменты, в особенности ферменты дыхательной цепи, способны совершать передачу электронов с высокой скоростью через громадные по молекулярным меркам расстояния, оставался загадкой. Существовало предположение о том, что белки последовательно сменяли друг друга в цепи, работая по принципу заводных механизмов, которые подводили далекие друг от друга молекулы на близкое расстояние, таким образом позволяя электронам совершать прыжок из одной в другую. В дополнение к этому предположению высказывалась важная идея о том, что действие подобного механизма будет значительно замедляться при низких температурах, когда возникнет недостаток тепловой энергии, необходимой для запуска этого заводного механизма. Однако в 1966 году произошел первый мощнейший прорыв в истории квантовой биологии, заключавшийся в результатах экспериментов, которые провели в Пенсильванском университете два американских химика — Дон Де-волт и Бриттон Чанс. Ученые доказали, что, вопреки ожиданиям, скорость переноса электронов ферментами дыхательной цепи не снижается при низких температурах[40].

Дон Де-волт родился в 1915 году в штате Мичиган, однако во время Великой депрессии его семья переехала на Запад. Он учился в Калифорнийском технологическом институте, а также в Калифорнийском университете в Беркли и получил докторскую степень по химии в 1940 году. Де-волт был ярым борцом за права человека. Во время Второй мировой войны он провел некоторое время в заключении за уклонение от военной службы. В 1958 году он отказался от должности профессора химии в Калифорнийском университете и переехал в штат Джорджия, где принимал активное участие в борьбе за расовое равноправие. Он обладал силой убеждения, был всей душой предан идее прав человека. Кроме того, он был сторонником мирных протестов, поэтому оказывался беспомощным в случае нападений, которые случались во время демонстраций с участием чернокожих активистов. Во время одного из маршей протеста ему сломали челюсть, когда на группу белых и чернокожих протестующих напала толпа. Однако это его не остановило.

В 1963 году Де-волт получил должность в Пенсильванском университете и стал работать вместе с Бриттоном Чансом, который был всего на два года старше, однако уже прославился на весь мир как один из самых выдающихся ученых в своей отрасли. Чанс получил две докторские степени — по физической химии и по биологии, поэтому его «отрасль» была достаточно широка, а научные интересы — многообразны. Большую часть времени он посвящал изучению структуры и функций ферментов, однако у него оставалось время и на занятия спортом: в 1952 году он стал золотым призером Олимпийских игр в парусном спорте.

Чанса интересовал вопрос о том, каким образом свет способствует передаче электронов от дыхательного фермента цитохрома к кислороду. Совместно с Мицуо Нишимура Чанс обнаружил, что перенос электронов из цитохрома к кислороду осуществляется внутри бактерии Chromatium vinosum даже в том случае, если ее клетки охлаждаются до температуры жидкого азота, то есть до –190 °C[41]. Однако было неясно, претерпевал ли процесс передачи электронов какие-либо изменения со снижением температуры. Ответ на этот вопрос мог бы пролить свет на работу всего молекулярного механизма, участвующего в передаче электронов. Чанс понял, что необходимо придать большую скорость начальному этапу реакции короткой, но сильной вспышкой света. Вот где пригодился опыт Дона Де-волта, который несколько лет проработал научным консультантом в небольшой компании, занимавшейся разработкой лазера, способного производить подобные световые импульсы.

Де-волт и Чанс провели совместный эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал короткую вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. Ученые обнаружили, что при снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Это и ожидалось в случае, если процесс переноса электронов зависел только от количества тепловой энергии. Тем не менее, когда Де-волт и Чанс установили температуру реакции ниже 100 К, произошло нечто странное. Скорость процесса переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и продолжала оставаться неизменной, пока температура не упала до 35° выше абсолютного нуля (–238 °C). Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов, описанных выше. За ответом вновь следует отправиться в квантовый мир, а именно рассмотреть такое явление, как квантовое туннелирование, которое мы упоминали в главе 1.