В 1920-е и 1930-е гг. Кейлин и Варбург, расходившиеся во взглядах на многие детали процесса дыхания, вели оживленную переписку. По иронии судьбы найти подтверждение предложенной Кейлином концепции дыхательной цепи удалось не автору концепции, а Варбургу, который в 1930-х гг. открыл дополнительные небелковые компоненты (коферменты) этой цепи. В 1944 г. Варбургу присудили вторую Нобелевскую премию, однако, будучи евреем, он не получил ее из-за запрета Гитлера. (Тем не менее международная известность ученого, по-видимому, произвела впечатление даже на Гитлера, во всяком случае, Варбург избежал концлагеря или чего похуже.) Как ни печально, глубокое проникновение Кейлина в структуру и функции дыхательной цепи так и не было отмечено Нобелевской премией, что, несомненно, было упущением Нобелевского комитета.
Общая картина на тот момент складывалась такая. Глюкоза расщепляется на более мелкие фрагменты, которые используются в карусели взаимосвязанных реакций, известной под названием цикла Кребса[31]. В процессе этих реакций атомы углерода и кислорода отщепляются и выводятся в виде побочного продукта — углекислого газа. Атомы водорода связываются с коферментами Варбурга и поступают в дыхательную цепь. Там их разбирают на электроны и протоны, дорожки которых тут же расходятся. Что происходит с протонами, мы узнаем потом, а пока давайте проследим за электронами. Их передают по всей длине дыхательной цепи переносчики электронов. Каждый переносчик сначала восстанавливается (приобретает электроны), а потом окисляется (теряет электроны), передавая их следующему звену цепи. Это означает, что дыхательная цепь образует последовательность связанных окислительно-восстановительных реакций, то есть ведет себя как миниатюрный электрический провод. Электроны передаются по нему от переносчика к переносчику со скоростью примерно 1 электрон за 5–20 миллисекунд. Окислительно-восстановительные реакции являются экзергоническими, то есть при их протекании высвобождается энергия, которая может быть направлена на совершение работы. На заключительном этапе электроны переходят от цитохрома с к кислороду, где воссоединяются с протонами, образуя воду. Последняя реакция происходит в дыхательном ферменте Варбурга, который Кейлин переименовал в цитохромоксидазу, так как он использует кислород для окисления цитохрома с. Этот термин прижился и поныне в ходу.
Сегодня мы знаем, что дыхательная цепь организована в четыре гигантских молекулярных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии (рис. 5).
Рис. 5. Упрощенная схема дыхательной цепи, на которой показаны комплексы I, III и IV, а также АТФаза. Комплекс II не показан, так как электроны (e-) поступают в дыхательную цепь либо через комплекс I, либо через комплекс II, и передаются дальше от одного из этих комплексов к комплексу III переносчиком электронов убихиноном (другое название — кофермент Q; его продают в супермаркетах как пищевую добавку, хотя ее эффективность, позволю заметить, сомнительна). Волнистой линией показан путь электронов по цепи. Цитохром с переносит электроны от комплекса III к комплексу IV (цитохромоксидаза), где они реагируют с протонами и кислородом с образованием воды. Обратите внимание, что все эти комплексы интегрированы в мембрану по отдельности. Убихинон и цитохром с передают электроны от одного комплекса к другому, а вот роль промежуточного звена, соединяющего поток электронов с синтезом АТФ в АТФазе на более поздних этапах дыхательной цепи, оставалась загадкой, сводившей с ума целое поколение биохимиков
Каждый комплекс в миллионы раз больше атома углерода, но все же едва различим под электронным микроскопом. Каждый комплекс состоит из многочисленных белков, коферментов и цитохромов, включая те, что были открыты Кейлином и Варбургом. Интересно, что некоторые из этих белков кодируются митохондриальными генами, а другие — ядерными генами, так что комплексы представляют собой сочетание продуктов двух разных геномов. Во внутренней мембране одной митохондрии находятся десятки тысяч полных дыхательных цепей. По-видимому, эти цепи физически разобщены между собой; судя по всему, физически разобщены даже комплексы в пределах одной цепи.
АТФ — универсальная энергетическая валюта
Хотя предложенная Кейлином концепция дыхательной цепи оказалась верна по сути, один из главный вопросов — каким образом энергия сохраняется, вместо того, чтобы рассеяться на месте? — оставался без ответа.
Энергия высвобождается за счет транспортировки электронов по дыхательной цепи к кислороду, но впоследствии используется в других местах клетки, как правило, уже за пределами митохондрий. Должен был быть посредник, предположительно, какая-то молекула, которая сохраняла бы высвобожденную в процессе дыхания энергию, а затем передавала бы ее в другие компартменты клетки и сопрягала с какой-то работой. Этот посредник должен был быть достаточно универсальным, чтобы его можно было использовать для совершения разных типов выполняемой клеткой работы, а еще он должен был быть достаточно устойчив, чтобы оставаться неизменным до тех пор, пока он не понадобится (потому что даже перемещения по клетке занимают некоторое время). Иными словами, он должен был быть молекулярным эквивалентом единой валюты, мелкой монетой, которой можно было бы расплачиваться в обмен за услуги. Тогда дыхательная цепь — монетный двор, где чеканят эту монету. Только что она собой представляет?
Разгадка впервые забрезжила в исследованиях, посвященных брожению. Освященная временем важность брожения для виноделия и пивоварения создавала неверное представление, что этот процесс хорошо изучен, а на самом деле о нем было известно очень мало. Основы понимания его химической природы заложил опять-таки Лавуазье. Он взвесил все продукты брожения и заявил, что это всего лишь химическое расщепление сахара с образованием спирта и углекислого газа. Конечно, он был совершенно прав, нов некотором смысле упустил главное, так как рассматривал брожение как чисто химический процесс без изначально присущей ему функции. Лавуазье считал дрожжи просто осадком, который, так уж случилось, катализировал химическое расщепление сахара.
К XIX в. ученые, занимавшиеся изучением механизма брожения, разбились на два лагеря. Одни полагали, что брожение — биологический процесс, имеющий определенную функцию (это были в большинстве своем виталисты, верившие в особую жизненную силу, несводимую к «простой» химии). Другие считали брожение чисто химическим процессом (и это были в основном сами химики). Конец этой вековой распре положил принадлежавший к лагерю виталистов Луи Пастер. Он показал, что дрожжи состоят из живых клеток и что эти клетки осуществляют брожение в отсутствие кислорода. Широко известно высказывание Пастера «брожение — это жизнь без кислорода». Будучи виталистом, Пастер был убежден, что у брожения должна быть цель, то есть какая-то полезная для дрожжей функция, однако даже он признавался, что не имеет «ни малейшего представления» о том, что это за цель.
Всего лишь через два года после смерти Пастера (1895 г.) вера в то, что для брожения необходимы живые дрожжи, была развенчана Эдуардом Бухнером, будущим лауреатом Нобелевской премии по химии (1907 г.). В то время как Пастер использовал для своих исследований французские винные дрожжи, Бухнер использовал немецкие пивные дрожжи. Немецкие дрожжи явно оказались позабористее, так как Бухнеру, в отличие от Пастера, удалось растереть их в ступке с песком до получения кашеобразной массы, а затем при помощи гидравлического пресса выжать из этой массы сок. Когда к этому «отжатому дрожжевому соку» добавляли сахар, а затем смесь инкубировали, брожение начиналось через несколько минут. Спирт и углекислый газ образовывались при этом в той же пропорции, что и в случае живых дрожжей, хотя и в меньшем объеме. Бухнер предположил, что брожение осуществляют биологические катализаторы, которые он назвал энзимами[32] (от греческого en zyme — содержащийся в дрожжах). Он сделал вывод, что живые клетки — химические фабрики, на которых энзимы производят разнообразные продукты. Бухнер впервые показал, что эти химические фабрики можно воссоздать даже после гибели самих клеток, главное — подобрать подходящие условия. Это открытие возвестило конец эпохи витализма. Такой редукционистский подход к объяснению живых процессов стал доминирующей темой молекулярной биологии в XX в. С другой стороны, в свете открытия Бухнера живые клетки стали рассматривать как мешки с ферментами, а этот подход, как мы увидим, по сей день притупляет наше осознание важности биологических мембран.
Изучая дрожжевые соки Бухнера, сэр Артур Гарден в Англии, Ханс фон Эйлер в Германии и другие исследователи первых десятилетий XX в. постепенно сложили воедино последовательность шагов в процессе брожения. Всего им удалось выделить двенадцать стадий, и каждую катализировал свой собственный энзим. Эти этапы связаны друг с другом, как конвейер на фабрике: продукт одной реакции является начальной точкой для другой. За эту работу Гарден и фон Эйлер совместно получили Нобелевскую премию в 1929 г. Однако самое удивительное открытие было сделано в 1924 г., когда еще один нобелевский лауреат, Отто Мейергоф, показал, что практически такой же процесс происходит в мышечных клетках. Конечно, в мускулах конечным продуктом является молочная кислота, от которой возникают судороги, а не приятное алкогольное опьянение, но Мейергоф показал, что почти все двенадцать этапов конвейерного производства те же самые, что и при брожении. Это явилось удивительным примером фундаментального единства жизни, знаком того, что, как утверждал еще Дарвин, даже простые дрожжи родственны людям.
