Все дело в том, что израсходованный АТФ непрерывно восстанавливается. Каждая отдельная молекула «заряжается» в течение дня около тысячи раз! В противном случае мы погибли бы в течение нескольких секунд, словно от цианистого калия.
Но кто заряжает батарейки? Основную ответственность за это несут особые структуры клеток, в которых молекулы пищи под воздействием кислорода превращаются в конечном итоге в воду и углекислый газ. То же самое происходило бы, если бы мы сжигали их в печи. Ученые изучают эти структуры уже более ста лет. Тем же самым будем заниматься и мы до конца главы. Речь идет о клеточных «электростанциях» – митохондриях.
Митохондрии представляют собой небольшие и обычно продолговатые образования, которые встречаются во всех клетках эукариотов. В зависимости от вида клетки и организма их может насчитываться от одной до нескольких тысяч штук в клетке. По размерам и форме они напоминают бактерии. Впервые их описал в 1890 году анатом Рихард Альтман из Лейпцига. Он высказал предположение, что митохондрии должны каким-то образом участвовать в снабжении клеток энергией. Это предположение с годами находило все больше подтверждений, но долгое время оставалось загадкой, причем такой, за разгадку которой светила Нобелевская премия. Большинство ученых исходили из того, что существуют энзимы, участвующие в разложении молекул пищи и непосредственно производящие АТФ. Между ними разгорелась беспрецедентная гонка за обнаружение этих энзимов и объяснение способа их действия. Но нашелся человек, у которого на этот счет была другая идея. Британский химик Питер Митчелл посмотрел на своих коллег, соперничающих друг с другом, наморщил лоб и повернул совершенно в ином направлении.
Научная карьера Митчелла началась не слишком удачно. На вступительных экзаменах в Кембриджский университет он получил такие ужасные оценки, что за Питера вынужден был замолвить словечко бывший директор его школы. В противном случае его просто не приняли бы. Митчелл был нелюдимым человеком и в свободное время обычно совершал долгие прогулки, музицировал и философствовал. Близких друзей у него почти не было. Первый выпускной экзамен он сдал с горем пополам, второй немного лучше. Он начинал множество проектов, но лишь немногие были доведены до конца, да и то только благодаря его ассистентке Дженнифер Мойл. Первая докторская диссертация Митчелла была забракована, и ему понадобилось три года, чтобы написать новую. В 1951 году он наконец получил ученую степень, а спустя несколько лет переехал вместе с Дженнифер Мойл в Эдинбургский университет и занялся проблемой АТФ. Этой теме он остался верен до самого конца.
Митчелл придерживался мнения, что энергия, получаемая из продуктов питания, может использоваться для того, чтобы переносить заряженные частицы (в данном случае положительно заряженные протоны) с одной стороны мембраны митохондрии на другую. В ходе данного процесса нарушается баланс массы и электрических потенциалов, который стремится к восстановлению. Именно это явление клетка использует для получения энергии (то есть зарядки аккумуляторов АТФ). Данную концепцию Митчелл назвал хемиосмотической гипотезой.
Когда он в 1960 году представил свою идею на научном конгрессе, это стало настоящим событием, поскольку в то время разделение заряженных частиц на биологической мембране считалось абсолютно невозможным, а тут вдруг явился какой-то тип, который пытается доказывать обратное. Реакция была примерно такой же, как если бы он заявил, что ему удалось распилить магнит пополам и засунуть положительный полюс в один карман, а отрицательный – в другой. Сэр
Ханс Кребс, один из самых выдающихся ученых, занимавшихся в то время клеточным обменом веществ, назвал идею Митчелла возвратом к древним представлениям о «жизненной силе». Он вообще считал, что для начала Митчелл должен как-то разумно обосновать свои дикие утверждения. И это было совершенно верно, поскольку Митчелл считал доказательства скучным и бесполезным делом и не уделял им внимания: ему и так все было ясно. Короче говоря, если Митчелл хотел убедить мир в своей правоте, ему предстояло пройти тернистый путь, так как многие оппоненты не без ехидства заявляли, что перенос протонов существует только в его воображении.
Митчеллу все больше не нравилась обстановка в университете. Он говорил, что иерархическая структура противоречит его натуре. В 1963 году обострение язвы желудка заставило Митчелла полностью отойти от академической жизни. Он перебрался в живописный Корнуэлл в Южной Англии и занялся фермерством в слегка запущенном поместье Глинн-Хаус (этот сюжет наверняка вдохновил бы Розамунду Пилчер на написание очередного слезливого романа). По утрам и вечерам Митчелл собственноручно доил восемь коров, а для науки взял тайм-аут.
Но его подвергнутая осмеянию гипотеза, в которую Митчелл продолжал твердо верить, не давала ему покоя. Почувствовав себя лучше, он через год решил опять взяться за работу. Правда, Митчеллу не хотелось возвращаться в университетские жернова, и он принял решение вести дальнейшие исследования самостоятельно. С помощью Дженнифер Мойл, которая тем временем также успела защитить диссертацию, он переоборудовал свое поместье в небольшое научное заведение и назвал его Исследовательским институтом Глинн. Финансирование осуществлялось за счет собственных средств при поддержке брата. В 1965 году Митчелл и Мойл с помощью технического помощника и секретаря начали шаг за шагом подкреплять свою гипотезу. Вся работа строилась «посемейному» и совсем не напоминала университетские условия. Митчелл чувствовал себя в своей тарелке, несмотря на то что его маленький институт постоянно находился на грани разорения. Даже все свои публикации он лично печатал на собственном печатном станке. Мойл и Митчелл совместно планировали эксперименты, и, пока Мойл осуществляла их на практике, Митчелл занимался дальнейшим планированием, отшлифовывал свою теорию и общался с другими учеными. Это было оптимальное разделение труда. Поскольку в лаборатории от Митчелла было мало толку, он единолично выступал в роли департамента по связям с общественностью. По этому поводу он говорил: «Наука – это не гольф, в который можно играть в одиночку, а, скорее, теннис. Вы посылаете мяч на половину противника и ждете ответных действий». Митчелл регулярно приглашал к себе исследователей, в том числе и тех, кто резче всех критиковал его, чтобы совместно поработать с ними пару дней, кое-что почерпнуть от них и, естественно, попытаться убедить их в своих идеях.
Постепенно ученые начали всерьез воспринимать хемиосмотическую гипотезу и занялись ее изучением. Шаг за шагом к ним приходило понимание того, что в идее Митчелла что-то есть. В митохондриях в процессе разложения молекул питательных веществ действительно происходила накачка протонов в пространство между мембранами, в ходе которой, как и предполагал Митчелл, возникал дисбаланс. Все это напоминало гидроэлектростанцию: из расположенного выше водохранилища вода стекает вниз по узкой трубе и приводит в движение турбину, вырабатывающую электроэнергию. Только в данном случае протоны пытаются опять проникнуть внутрь митохондрии и при этом протискиваются мимо особого белка в составе мембраны – АТФ-синтазы. Они воздействуют на часть данного фермента, которая действительно похожа на маленькую турбину, приводимую в движение потоком частиц. Вторая часть фермента использует это движение для производства АТФ. Просто удивительно, как схожие проблемы зачастую приводят к схожим решениям, даже если у них совершенно разный масштаб!
