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.
К концу 1920-х гг. стало ясно, что клетки используют брожение для производства энергии. Брожение выступает в роли резервного (а в некоторых клетках — единственного) источника питания, который включается, когда главный генератор — кислородное дыхание — выходит из строя. Таким образом, брожение и дыхание стали рассматривать как параллельные процессы, обеспечивающие клетки энергией, только один работает в отсутствие кислорода, а другой — когда кислород есть. Но более глобальный вопрос оставался открытым: как эти отдельные шаги связаны с консервацией энергии для использования в других частях клетки в другое время? Производит ли брожение, как и дыхание, какую-то «энергетическую» валюту?
Ответ был найден в 1929 г., когда Карл Ломанн в Гейдельберге открыл АТФ. Ломанн показал, что брожение связано с синтезом АТФ (аденозин трифосфата), который может запасаться в клетке для использования в течение нескольких часов. АТФ состоит из аденозина, связанного с тремя фосфатными группами, которые присоединены к нему одна за другой в виде довольно хлипкого «хвостика». При отщеплении терминальной фосфатной группы высвобождается большое количество энергии, которая может использоваться для совершения работы — на самом деле должна использоваться для совершения большей части биологической работы. В 1930-х гг. русский биохимик Владимир Энгельгардт показал, что АТФ необходим для сокращения мышц: лишенные АТФ мышцы становятся ригидными, как, например, в случае rigor mortis — трупного окоченения. При расщеплении АТФ в мышечных волокнах высвобождается энергия, необходимая для сокращения и последующего расслабления; при этом образуются аденозин-дифосфат (АДФ) и фосфат (Ф):
АТФ —> АДФ + Ф + энергия
Поскольку запас АТФ в клетке ограничен, она должна постоянно образовываться из АДФ и фосфата, а для этого, естественно, нужно поступление энергии, как можно убедиться, прочитав приведенное выше уравнение справа налево. В этом и заключается функция брожения: предоставить энергию, необходимую для регенерации АТФ. При сбраживании одной молекулы глюкозы регенерируют две молекулы АТФ.
Энгельгардт тут же приготовился к решению следующей проблемы. АТФ нужен для сокращения мышц, но образуется только при брожении, когда уровень кислорода низок. Если мышцы должны сокращаться в присутствии кислорода, то, наверное, необходимый АТФ производится за счет какого-то другого процесса; это, считал Энгельгардт, должно быть, и есть функция кислородного дыхания. Другими словами, кислородное дыхание служит в том числе и для производства АТФ. Энгельгардт попытался доказать это утверждение. В то время исследователи сталкивались со сложностью чисто технического характера: мышечные волокна трудно измельчить так, чтобы их можно было использовать для изучения дыхания, они повреждаются и начинают «подтекать». Энгельгардт сделал необычный ход — использовал в качестве экспериментальной модели эритроциты птиц, с которыми проще иметь дело. Так он показал, что при дыхании действительно возникает АТФ, причем в гораздо большем количестве, чем при брожении. Вскоре после этого испанец Северо Очоа определил, что при дыхании из одной молекулы глюкозы могут возникать целых 38 молекул АТФ (в 1959 г. он получил за это открытие Нобелевскую премию). Это означает, что при кислородном дыхании образуется в 19 раз больше АТФ на одну молекулу глюкозы, чем при брожении. Общий объем образующейся АТФ поражает воображение. В организме среднестатистического человека АТФ образуется со скоростью 9 х 1020 молекул в секунду, то есть за день в организме «прокручивается» — образуется и используется примерно 65 кг АТФ!
Мало кто так сразу взял и поверил в универсальную значимость АТФ, однако работы Фрица Липмана и Германа Калькара в Копенгагене в 1930-е гг. подтвердили ее. В 1941 г. Лимпан и Калькар (к тому времени уже работавшие в США) провозгласили АТФ «универсальной энергетической валютой» жизни. Это звучало очень смело; в те времена подобные высказывания вполне могли навлечь на себя праведное негодование научной общественности и стоить авторам карьеры. Тем не менее АТФ действительно служит универсальной энергетической валютой, хотя, учитывая всю пышность и многообразие жизни, в это трудно поверить. Он содержится во всех изученных типах клеток, будь то клетки растений, животных, грибов или бактерий. В 1940-е гг. было известно, что АТФ — продукт и брожения, и дыхания, а к 1950 — в этот список был добавлен фотосинтез, так как при нем тоже образуется АТФ, только за счет улавливания энергии солнечных лучей. Итак, три великие энергетические магистрали — дыхание, брожение и фотосинтез — ведут к образованию АТФ, что еще раз свидетельствует о фундаментальном единстве жизни.
АТФ содержит так называемую «макроэргическую» связь, при разрыве которой высвобождается значительное количество энергии. Такую связь в химии обозначают не обычной черточкой, а знаком «тильда» (~). Энергия, высвобождающаяся при разрыве этой связи, может быть использована для совершения разных типов работы в клетке. Пока все просто, но это, к сожалению, кажущаяся простота, потому что ничего такого уж необычного в химических связях АТФ нет. Необычно другое — равновесие между АТФ и АДФ. Если бы реакция была предоставлена самой себе, в клетке было бы гораздо меньше АТФ (по сравнению с АДФ). Если смешать АТФ и АДФ в пробирке и оставить на несколько дней, то почти вся смесь превратится в АДФ и фосфат. В клетке происходит обратное: АДФ и фосфат почти полностью конвертируются в АТФ. Это немного похоже на накачку воды: чтобы накачать воду в гору, нужно много энергии, но если заполнить водой большой резервуар, то в вашем распоряжении окажется много потенциальной энергии, которую впоследствии можно будет использовать, просто открыв кран. На этом основана работа гидроаккумулирующих электростанций. Ночью, когда потребность в энергии невелика, вода накачивается в расположенный на возвышенности водоем. В часы пиковых нагрузок воду выпускают, и она поступает на турбины электрогенераторов. В Англии, например, резкий всплеск потребности в электроэнергии наблюдается сразу после окончания популярных мыльных опер, когда миллионы людей одновременно отправляются на кухню, чтобы поставить чайник. Чтобы удовлетворить эту потребность, открывают шлюзы горных водохранилищ Уэльса. Ночью туда снова накачивают воду, и электроэнергетическая сеть страны готова к следующему массовому чаепитию.
В клетке АДФ постоянно «накачивается» в хранилище потенциальной энергии, превращаясь в АТФ. Когда открывают шлюзы, АТФ используется для обеспечения разных энергетических потребностей клетки. Конечно, для создания высокой концентрации АТФ, как и для накачивания воды в водохранилище гидроаккумулирующей электростанции, требуется много энергии. Ее обеспечивают дыхание и брожение. Энергия, высвобождающаяся в ходе этих процессов, используется для создания очень высоких концентраций АТФ в клетке (гораздо более высоких, чем «нормальный» химический уровень).
Эти соображения помогают нам понять, как АТФ используется для совершения работы в клетке, но не объясняют, как же собственно АТФ образуется. Ответ, казалось, лежал в исследованиях брожения, которые проводил Эфраим Рэкер в 1940-е гг. Рэкер был одним из гигантов биоэнергетики. Он родился в Польше, вырос в Вене, а в конце 1930-х гг., как многие другие, бежал от нацистского преследования в Великобританию. В начале войны, после короткого пребывания в лагере для интернированных на острове Мэн, он переехал в США, где на несколько лет обосновался в Нью-Йорке. Расшифровка механизма синтеза АТФ при брожении была первым из многих его открытий на протяжении следующих пятидесяти лет. Рэкер открыл, что энергия, высвобождающаяся при брожении за счет расщепления сахаров на более мелкие фрагменты, используется для присоединения фосфатных групп против химического равновесия. Иными словами, при брожении образуются макроэргические промежуточные фосфатные соединения, которые, в свою очередь, отдают свои фосфатные группы для образования АТФ. Общий итог энергетически положительный. Так, текущая вода может вращать гидротурбину — течение воды сопряжено с вращением турбины. Образование АТФ тоже происходит за счет сопряженных химических реакций: энергия, высвобождающаяся в процессе брожения, приводит в действие сопряженную энергоемкую реакцию — образование АТФ. Наверное, думал Рэкер, а с ним и все остальные, объяснить образование АТФ в процессе дыхания можно за счет какой-то подобной модели химического сопряжения. Как они ошибались! Путеводная звезда обернулась блуждающим огоньком, и в погоне за ним прошло не одно десятилетие. С другой стороны, когда ответ был все-таки найден, он дал нам более глубокое понимание природы жизни и ее сложности, чем какое-либо другое открытие в молекулярной биологии, за исключением разве что двойной спирали ДНК.
