Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

дробилка. Мощные удары неслышимых звуковых волн разрушают митохондрии, нарушая их стабильность, освобождая ферменты. Но, чтобы изъять из образовавшейся смеси цитохромоксидазу, надо использовать особое вещество, называемое детергентом, своего рода мыло для ферментов. Как обычное мыло окружает частички грязи и снимает их с наших рук, так и молекулы детергента обволакивают частички митохондрий, содержащие ферменты, и отделяют их от всего остального. Таким образом, цитохромоксидаза поймана. Она в окружении молекул детергента.

К этой смеси добавляют фосфолипиды — материал для искусственных мембран.

Операция продолжается. Чтобы избавиться от сыгравшего свою роль детергента, смесь процеживают сквозь целлофановый мешочек. Мелкие молекулы проскакивают, крупные, то есть смесь фермента и фосфолипида, остаются и слипаются, образуя своеобразные пузырьки. Затем эти пузырьки с помощью ионов металла натрия «приклеивают» к плоской искусственной мембране.

Так с одной ее стороны появляются новые ферменты, нашедшие пристанище в пузырьках.

Кроме того (на слайдах этой операции нет, так как ее освоили лишь недавно), биохимики сооружают теперь плоские искусственные мембраны, куда встроены в хаотическом беспорядке частицы бактериородопсина. Процесс чрезвычайно трудоемкий, и нужны поистине «золотые руки», чтобы его освоить. Такие мембраны часто лопаются, так как ферменты упорно не желают располагаться внутри искусственно созданного «помещения». Поэтому потрудиться пришлось немало. Но упорство всегда себя оправдывает, если сопряжено с четким научным обоснованием всех технологических приемов. Правда, тогда оно называется экспериментальной школой!

Существуют в истории науки классические образцы физических опытов, элегантная простота и наглядность которых чудесным образом рассеивала все сомнения, полностью проявляя физический смысл происходящего. Подобные эксперименты были решающими для становления новых отраслей науки. Они становились исходными рубежами, точкой отсчета времени, с которого новая отрасль начинала свое самостоятельное и всеми признанное существование.

Это, несомненно, магнитная стрелка датского ученого Эрстеда — первый сигнал о рождении электромагнетизма и хитроумный прибор замечательного русского физика П. Н. Лебедева, однозначно определивший существование светового давления.

Таковы для современной биохимии изящные измерения, что идут в лаборатории биоэнергетики МГУ.

Первые опыты уже стали достоянием истории. Мембраны с подклеенными пузырьками свое дело сделали. Сейчас настала очередь мембран плоских, нашпигованных цитохромоксидазой.

Идет контрольный эксперимент.

В центре измерительной установки, в сердце ее, ферменты сердца быка. Стеклянный сосуд разделен тончайшей искусственной мембраной на два отсека. В каждом — раствор электролита, в каждом — электрод, соединенный с клеммой милливольтметра.

Задача электродов — дать сигнал о том, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления превратилась в электрическую.

Но пока все спокойно. Ферменты ждут своего часа. Мембрана плоская, и они расположились с двух сторон ее. Условия существования одинаковые. Миниатюрные электрические батареи, разбросанные то там, то тут, вкрапленные в мембрану, разобщены. Стрелка прибора мирно покоится на нуле.

Из равновесия схему выводит «пища», поступающая на одну из сторон мембраны. Ферменты, расположенные там, жадно поглощают предложенный им витамин С — аскорбиновую кислоту. И начинают вырабатывать электрическую энергию. Теперь-то это стало очевидным, так как стрелка чуткого прибора тотчас же фиксирует начало энергетического процесса. Щедрая рука с помощью пипетки добавляет витамин С, пища поглощается ферментами, растет запас электричества, который хорошо сохраняет естественный конденсатор природы — мембрана. И движется вправо стрелка вольтметра.

И тут на сцене появляется другая пипетка. Первая несла ферменту пищу, несла жизнь. Вторая содержит смертельный яд — раствор небезызвестного цианистого калия. Экспериментаторы действуют, подобно злодею из мелодрамы. Цианистый калий подавляет ферменты, препятствует их работе. И молекулы цитохром-оксидазы, до этой поры исправно вырабатывавшие электричество, прекращают свое занятие, хотя «пищи» у них хоть отбавляй. Ферменты уже не воспринимают аскорбиновую кислоту, они мертвы. И застывает стрелка вольтметра!

Тем временем с помощью очередной капли витамина включаются в работу ферменты противоположной стороны мембраны и, в свою очередь, замирают, подавленные ядом.

Простота и наглядность этого удивительно неприхотливого эксперимента с его тончайшей биохимической подготовкой буквально поразила ученых всего мира.

Кроме цитохромоксидазы и бактериородопсина, преобразующего световую энергию, ученые обнаружили еще два фермента, играющие в живых клетках роль топливных элементов. Это — бактериохлорофилл, «пищей» которого являются световые лучи, и так называемая Н+АТФ-аза, способная превращать в электричество химическую энергию субстрата, которым являются молекулы АТФ, что, кстати говоря, доказывает обратимость системы!

Основные контуры теории определились, таким образом, полностью. Живая клетка располагает двумя формами унифицированной энергии— химической (АТФ) и физической (мембранный электрический потенциал). В разных участках мембран митохондрий располагаются своеобразные топливные элементы — электрические генераторы, преобразующие энергию окисления «пищи» в электрическую. Все эти источники тока включены параллельно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из них, тотчас же становится достоянием всей мембраны. Клетка может использовать ее, как ей заблагорассудится. Может совершить химическую работу, изготовив молекулы АТФ. Может поработать механически, затянув внутрь мембраны различные вещества.

Наконец, клетка способна обогреваться, превращая полученную энергию в тепло.

Когда речь заходит о преимуществах электрической энергии, всегда вспоминают, что она легко трансформируется в другие виды энергии. Выходит, природа давно об этом «догадалась»!

Предполагаемое стало, таким образом, очевидностью.

И снова в бой

Ученый мир обычно осторожно относится к различного рода сенсациям.

Но эксперименты Скулачева и Либермана были настолько убедительными, что вызвали необычайно быстрое и дружное восхищение.

Всего лишь через два года после первых публикаций, в 1975 году, В. П. Скулачев, Е. А. Либерман и их сотрудники кандидат биологических наук Л. М. Цофина и доктор биологических наук А. А. Ясайтис стали лауреатами Государственной премии СССР за «экспериментальное доказательство новой функции белков, как молекулярных генераторов электрического тока». Общее мнение советских ученых выразил председатель Комитета по Ленинским и Государственным премиям СССР академик М. В. Келдыш. Он сказал: «...эта функция мембранных белков присуща энергогенерирующему аппарату живых существ и составляет основу молекулярных механизмов их энергетического обмена. Результаты исследования имеют большое практическое значение».

Многочисленные иностранные ученые шлют свои поздравления, засыпают лабораторию письмами, где просят рассказать подробнее о работе, объяснить поточнее методики, с помощью которых московские биохимики добились таких великолепных достижений.

Но они уже далеко отошли от первоначальных опытов. Стремительно изменяется и техника экспериментов, и круг изучаемых веществ, и содержание исследовательской работы.

«Черная мембрана» — вот дальний прицел лаборатории Скулачева. Там собираются изготовить искусственную мембрану толщиной всего лишь в две молекулы, как у естественных, природных. Это расстояние меньше, чем длина волны света.

Потому и зовется мембрана «черной» — ведь увидеть ее нельзя.