«Чудо-ионы»

После опытов с протонофорами мы взялись за проверку следующего постулата хемиосмотической гипотезы, а именно ее, так сказать «электрической части».

Митохондрия или хлоропласт - сложная штука, целое натуральное хозяйство внутри клетки, Может быть, когда-то это была самостоятельная клетка микроба, вступившего на путь симбиоза с более крупным хозяином. В митохондриях и хлоропластах есть множество ферментов, в том числе неизученных. Может статься, что среди них скрывается и калиевая АТФаза. Поэтому далеко не безопасно мерить разность электрических потенциалов (Δψ), используя природные ионы типа калия, как это сделал Митчел. Лучше бы взять ион искусственный, синтетический, непохожий ни на кого из своих природных собратьев. Но будет ли чужеродный ион проникать через митохондриальную мембрану?

'Чюдо-ионы'

К сожалению, скорее всего нет. Чтобы удерживать образуемую дыханием Δψ, мембрана не должна пропускать ионы. Только очень узкий круг вполне определенных, «избранных» природных ионов имеет возможность пройти через мембрану митохондрий. Среди них ион кальция, который избирательно накапливается в митохондриях при участии особого переносчика, локализованного в митохондриальной мембране. Но ион кальция не годится по той же причине, что и калий (а вдруг в митохондриях есть кальциевая АТФаза, подобная, к примеру, той, которую обнаружили в некоторых других типах мембран).

Давайте подумаем, почему ионы не проходят через мембрану в отстутствие веществ-переносчиков или специальных ионных каналов?

Все природные мембраны сделаны из жиров и «жирных» белков, то есть полипептидных цепей с высоким содержанием гидрофобных аминокислот. Итак, мебрана жирная. Ионы же в водном растворе окружены связанными молекулами воды («водной шубой»), и их сродство к жиру крайне низко. Именно поэтому мебрана — барьер для ионов.

Как же природа преодолевает эту трудность, столкнувшись с необходимостью повысить ионную проницаемость мебран? Обратимся к валиномицину, простейшему и наиболее изученному природному переносчику ионов (ионофору). Как показали академик Ю. Овчинников и его коллеги, валиномицин связывает ион калия своими гидрофильными карбонильными группами. При этом гидрофобные остатки аминокислот и оксикислот, образующих валиномицин, оказываются обращенными наружу, а калий занимает центральную полость молекулы антибиотика. Теперь калий окружен не водной шубой, а гидрофобными остатками, имеющими большое сродство к жиру. Так ион калия получает пропуск на вход в митохондрию.

Но такой пропуск нам не годится. Валиномицин очень разборчив в отношении иона-партнера и не связывает даже близкий по свойствам к калию ион натрия, Что уж говорить о неприродных ионах!

А если взять какое-нибудь синтетическое соединение, в котором заряд экранирован гидрофобными заместителями? Не обойдется ли такой ион без пропуска?

Е. Либерман завел свой старенький автомобиль и отправился по московским химическим институтам в поисках «чудо-иона», который, он был твердо уверен, пылится где-нибудь на полке у людей, не способных даже выговорить без запинки слово «фосфорилирование».

Вскоре Либерман вернулся к себе в подвал на Ленинском проспекте, 33, где в недрах одного из академических институтов у него была лабораторная комната. Портфель отяжелел от склянок с невиданными для биохимика веществами. Теперь уже его сотруднице Л. Цофиной пришлось встретиться с трудностями в произношении: «фенилдикарбаундекаборан...» Это анион, имеющий форму усеченного шара, сделанного из атомов бора. Кроме того, там есть фенильный остаток и отрицательный заряд, «размазанный» по всей этой ни на что природное не похожей молекуле, названной для краткости ФКБ^-. А вот еще один анион: тетрафенилбор (ТФБ^-). Он устроен попроще: четыре фенильных остатка, а в центре бор. Его «электрический антипод» — катион тетрафенилфосфоний (ТФФ⁺). Он построен так же, как ТФБ^-, но вместо бора — фосфор, и в результате заряд «плюс».

— Почему вы взяли такое сложное для синтеза вещество, как ФКБ^-? — спросил меня как-то сотрудник американской фирмы по производству реактивов, только что наладивший за океаном выпуск ФКБ^- на продажу.

Я не стал его огорчать историей случайной находки ФКБ^- и сказал, что это самый лучший среди проникающих синтетических анионов.

Либерман, Цофина и их сотрудники обнаружили, что искусственные мембраны практически не создают препятствия для движения ФКБ^-. Несколько меньшей, но все же достаточно высокой проникающей способностью обладали также и кое-какие другие из реквизированных Либерманом ионов.

Но как поведут себя ионы-безбилетники в митохондриях? На этот вопрос вскоре смог дать ответ наш сотрудник А. Ясайтис. Оказалось, что они успешно заменяют калий и валиномицин в опытах «а lа Митчел и Мойл...».

Вскоре Либерман придумал простой метод измерения «чудо-ионов», и мы получили возможность непрерывно следить за концентрацией этих ионов в растворе.

Проникающие синтетические ионы вели себя в полном соответствии с предсказанием хемиосмотической гипотезы. При включении дыхания катионы послушно направлялись внутрь митохондрий, к минусу, а анионы наружу, к плюсу. Мы назвали это явление электрофорезом проникающих ионов (по аналогии с известным методом разделения заряженных веществ в электрическом поле). Но действительно ли дело в электрофорезе?

Что же, давайте еще раз проверим предсказательную силу «электрической» концепции.

Если обработать митохондрии ультразвуком, они распадутся на мелкие замкнутые пузырьки, окруженные как бы вывернутой наизнанку мембраной: в пузырьках грибовидные выросты АТФ-синтетазы смотрят наружу, в то время как в митохондриях они обращены внутрь. Изменение ориентации мембраны должно повлечь за собой и изменение направления электрического поля.

Опыт — и вновь удача! При дыхании или гидролизе АТФ наблюдалось поглощение анионов (а не катионов, как в опытах с митохондриями).

И в митохондриях, и в вывернутых пузырьках эффекты дыхания и АТФ полностью предотвращались разобщителями-протонофорами.

Когда я доложил результаты наших опытов на съезде европейских биохимиков в Мадриде в 1969 году, это вызвало яростную атаку со стороны Чанса. Он сразу понял, что работа с синтетическими ионами позволяет заполнить недостающее звено в цепи доказательства «электрической части» Митчеловой схемы. Чане четырежды выступал по поводу моего семиминутного сообщения, и мне пришлось мобилизовать все резервы, чтобы сдержать грозного противника.

Вернувшись из Испании, Чане тотчас воспроизвел опыты с синтетическими ионами. Для уточнения деталей был послан в Москву его «полномочный представитель» доктор А. Гозалбес. Осенью того же 1969 года в одном из биохимических журналов появилось сообщение Б. Чанса и соавтора, где эффект проникающих ионов был воспроизведен и истолкован в рамках схемы Митчела. Казалось, теперь уж наш капитан действительно спустил паруса.

Впоследствии проникающие синтетические ионы были неоднократно использованы в других лабораториях. Этим методом было выявлено образование разности электрических потенциалов на митохондриях из разных тканей, на бактериях и хлоропластах, то есть на всех основных типах мембранных структур, в которых образуется АТФ. Чтобы не перечислять каждый раз непривычные названия синтетических ионов, Д. Грин предложил всех их назвать «Скулачев-ионами», обозначая катионы Sk⁺, а анионы Sk^-. Это, конечно, глубоко несправедливо, ведь за «чудо-ионами» ездил на машине не я, а Либерман.