Теперь представим, что в один из «отсеков» добавили кислоту. Кислота — это любая молекула, которая в водном растворе распадается с выделением иона водорода H+, то есть, иначе говоря, протона (см. главу 1). В результате по одну сторону мембраны станет намного больше ионов H+, чем по другую (см. рис. 11.2А). Клеточная мембрана практически непроницаема для ионов H+, если только в ней нет специальных каналов для них. Итак, по разные стороны мембраны возникнет устойчивая разность концентраций ионов H+.
Между тем известно, что при отсутствии препятствий концентрация любого вещества в любом объеме всегда стремится выравняться. Этот процесс выравнивания называется диффузией. Диффузия всегда идет самопроизвольно: любое вещество как бы само собой стремится занять весь отведенный ему объем. Это относится и к газу, который перемешали с другим газом, и к сахару, растворенному в чашке чая, и к кислоте, которая попала в воду.
Но в нашем случае на пути диффузии стоит преграда. По одну сторону мембраны концентрация ионов H+ намного выше, чем по другую, и при этом пройти сквозь мембрану они не могут. Точнее, они бы еще как прошли, если бы их пропустили! И в результате существующая разность концентраций протонов обращается в запас потенциальной энергии, которую, в свою очередь, вполне можно превратить в работу.
Сделать это очень просто. Нужно создать в мембране каналы, через которые протоны смогут свободно проходить. Тогда они тут же сами собой потекут с той стороны мембраны, где их больше, на ту, где их меньше. И вот энергию этого движения протонов вполне можно будет использовать для работы — для любой работы, в том числе и для синтеза АТФ. Для этого понадобится «всего лишь» ухитриться совместить протонный канал с молекулярным аналогом старинной водяной мельницы, которая будет крутиться под напором протонов, переводя их энергию в какую-нибудь другую, более полезную форму. Сама мембрана в этом случае играет роль плотины, с которой водяная мельница связана. А разность концентраций протонов аналогична разности уровня воды выше и ниже этой плотины.
Внимание: мы только что познакомились с принципом работы реально существующего и очень важного белка, который называется протонная АТФ-синтаза (см. рис. 11.3). Это огромный белок со сложнейшей четвертичной структурой, то есть собранный из целого набора отдельных субъединиц. Строго говоря, это даже целый комплекс белков, работающих как единое целое. Этакая «супермолекула». Единым белком ее называют только ради простоты. На электронной микрофотографии протонная АТФ-синтаза выглядит как грибовидная структура, вставленная в мембрану. Активный центр, синтезирующий АТФ, находится в «шляпке гриба» (она всегда обращена на ту сторону мембраны, где протонов меньше). А в «ножке гриба» проходит протонный канал, пропускающий протоны с одной стороны мембраны на другую.
Как и многие другие белки, молекула АТФ-синтазы представляет собой полноценную механическую машину, вполне сравнимую по сложности с настоящей мельницей или, скажем, с каким-нибудь револьвером (если отвлечься от тонких деталей субатомного уровня). Активных центров, которые синтезируют АТФ, в типичной протонной АТФ-синтазе на самом деле три. Все они расположены в «шляпке». Под действием протонов, текущих сквозь находящийся в «ножке» канал, «шляпка» вращается, как барабан трехзарядного револьвера, и в ней происходят конформационные изменения активных центров, превращающие АДФ в АТФ. Причем «спусковым крючком», запускающим это вращение, служит протонирование карбоксильной группы в боковой цепи определенного остатка аминокислоты аспартата — тем самым отрицательный заряд этой аминокислоты меняется на нулевой (см. главу 3). На всякий случай вспомним, что протонирование — это переход карбоксильной группы из формы −COO− в форму −COOH, происходящий, если в окружающем растворе много протонов (H+). Уж где-где, а в открытом протонном канале, по которому протоны сами текут, это условие выполняется.
Протонная АТФ-синтаза — великолепный образец того, что биофизики называют молекулярными машинами. Фактически молекула протонной АТФ-синтазы представляет собой самый настоящий электродвигатель с роторным механизмом[94]. Это один из высших примеров сложности, которой могут достигать белковые молекулы. В 1997 году два биохимика, англичанин Джон Уокер и американец Пол Бойер, получили за открытие роторного механизма АТФ-синтазы Нобелевскую премию по химии. Одна известная обзорная статья на эту тему прямо так и называется: «АТФ-синтаза — чудесный роторный двигатель клетки»[95].
А теперь следует сказать вот что. Есть огромное количество живых организмов, у которых основным источником АТФ является именно работа протонных АТФ-синтаз (по крайней мере, с большим отрывом от любых других поставляющих энергию процессов). В частности, именно протонные АТФ-синтазы создают большую часть тех нескольких десятков килограммов АТФ, которые ежесуточно синтезируются в организме человека (см. главу 7). Это уже достаточная причина, чтобы присмотреться к роли протонных АТФ-синтаз повнимательнее.
Великая протонная альтернатива
Все началось в 1929 году, когда немецкий биохимик Карл Ломан открыл АТФ[96]. Сначала ему удалось выделить из тканевых экстрактов некое доселе неизвестное бесцветное вещество, содержащее азот и фосфор и явно принимающее участие в энергетическом обмене. Потом Ломан показал, что гидролиз этого вещества (то есть его распад с участием воды) дает две части фосфорной кислоты, одну часть аденина и одну часть рибозо-5-фосфата. Мысленно собрав все эти части вместе, как элементы конструктора, Ломан в итоге совершенно правильно установил структуру исходной молекулы, которая и оказалась аденозинтрифосфатом.
После этого стали очень быстро накапливаться разнообразные данные, показывающие, что АТФ служит в живых организмах универсальным резервуаром химической энергии. Стало ясно, что он активно участвует и в дыхании, и в мышечном сокращении, и во многих других жизненно важных процессах. Вывод, что АТФ является всеобщей «энергетической валютой», был сделан биохимиками уже к началу 1940-х годов. Именно тогда Фриц Липман (кстати, работавший некоторое время в одной лаборатории с Карлом Ломаном) предложил уже знакомое нам понятие макроэргической связи, подразумевая, конечно, в первую очередь связи между фосфатами в АТФ.
Следующий важный вопрос возник при изучении дыхания, то есть производимого живыми организмами окисления глюкозы до углекислого газа и воды. В результате дыхания синтезируется очень много АТФ — это было ясно. Проблема была в том, что ученым никак не удавалось найти химическую реакцию, непосредственно «привязывающую» окончательный распад глюкозы к синтезу АТФ из АДФ и фосфата. В конце концов им пришлось предположить, что между этими этапами дыхания есть какой-то добавочный макроэргический посредник: энергия, высвобожденная в результате распада глюкозы, сначала передается на этот посредник, а потом уже с него на АТФ. Но и молекулу-посредник найти тоже никак не удавалось. Как раз наоборот, чем тщательнее биохимики исследовали процесс дыхания, тем
