Эволюция биоэнергетических механизмов. Чтобы об этом рассказывать, мне придется сделать введение и рассказать, как устроены эти биоэнергетические механизмы в современных организмах. И у современных организмов, у нас с вами — проще всего объяснять, — в клетках существуют так называемые органеллы — структуры, мешочки, которые называются митохондриями. Эти митохондрии у нас отвечают за биоэнергетику: участвуют в реакциях, где какие-то молекулы, поступающие с пищей, разлагаются, разрезаются, окисляются. Энергия, которая выделяется при этих реакциях, используется для того, чтобы синтезировать вещество, которое называется «аденозинтрифосфат». И это главная энергетическая валюта клетки. Куча разных ферментов умеют из этого вещества вынимать кусочек энергии и использовать для каких-то своих нужд.
Как происходит это сопряжение (такой научный термин — «сопряжение») окисления разных органических веществ и синтеза АТФ? Это очень интересная тема, она бурно решалась, обсуждалась в 60–70-е годы, и решение оказалось очень неожиданным. За это решение английский ученый Питер Митчелл получил Нобелевскую премию.
Заключается оно в том, что эту митохондрию можно для простоты представить как пузырь, мыльный пузырь с тонкими стенками, и в эти тонкие стенки вставлены разнообразные ферменты, которые участвуют в окислении этих веществ. Они окисляют эти вещества и используют энергию для того, чтобы через стенку, через себя, то есть через стенку этого пузыря, перенести протон. То есть перекачиваются протоны — положительно заряженные ионы водорода. И при этом эта стенка электрически заряжается, образуется электрический потенциал: «плюс» с одной стороны, «минус» с другой стороны. Также меняется концентрация протонов: с одной стороны становится больше, с другой — меньше.
Мы этот мыльный пузырь заряжаем как электрический конденсатор, плюс химическая какая-то компонента. И когда мы накачали достаточное количество протонов (за счет работы разных ферментов их много), у нас включается в игру еще один фермент, который называется АТФ-синтаза. Он тоже встроен в эту мембрану и имеет какую-то свою встроенную мембранную часть, и наружу торчит такой большой гриб. Это динамо на самом деле — вращающаяся штука, и наши протоны, накачанные внутрь, начинают выходить наружу. Если вы проткнете воздушный шарик, тоже все наружу пойдет. И начинает крутить эту динамо-машину, она крутится реально — это вращение было показано, и за это дали еще одну Нобелевскую премию в 1997 году. И, вращаясь, она синтезирует молекулы АТФ. То есть крутится и синтезирует. Как она это делает, я рассказывать не буду. Это сложно.
Поскольку у современных организмов это устроено таким образом, то людям было приятно думать, что так оно было всегда, и есть работы, где по этому поводу есть разнообразные гипотезы. Оказалось, что эту задачу можно решить: восстановить и реконструировать эволюцию этих систем преобразования энергии, используя классический подход, когда вы сравниваете современные организмы, ищете общее и дальше по этому общему реконструируете порядковый фон.
Надо добавить, что, помимо нас, животных, царей природы, существует много разных других микроорганизмов, и у каких-то из этих микроорганизмов все точно так же, как я рассказал, но вместо протонов иона водорода вся эта машинерия работает с ионами натрия. Она перекачивает ионы натрия. Есть помпа, которая качает натрий с одной стороны на другую. Речь идет только о бактериях и археях — о микроорганизмах, и поэтому у них все просто: натрий качается наружу. А снаружи через АТФ-синтазу, эту вращающуюся турбинку, натрий идет внутрь.
И мы где-то в 2007–2008 году провели структурное сравнение этих турбинок, которые синтезируют АТФ. Это самый важный фермент в этом случае, потому что ферментов, которые качают ионы натрия или протоны наружу, у каждого организма много разных: какие-то качают протоны, какие-то качают натрий, особенно у бактерий — там очень большое разнообразие. А машина, которая синтезирует АТФ, всего одна, и от нее зависит, какая энергетика у этого организма, с чего он живет: с разницы концентрации протонов или с разницы концентрации ионов натрия. Мы сравнили структуры этих ферментов, и оказалось, что ферменты, переносящие натрий у бактерий и архей, имеют одинаковое место связывания натрия.
Дальнейший анализ показал, что биоэнергетика, основанная на переносе натрия, более древняя.
Это был очень неожиданный результат, потому что считалось, что реакции с участием протона проще, но анализ показывает: натриевая — более древняя. Дальше мы попытались объяснить, почему это так. Скорее всего, это связано с тем, что раньше в процессе эволюции (это гипотеза академика Скулачева из Московского университета) легче было создать мембраны, клеточные оболочки, которые были способны держать эту разницу потенциалов натрия, чем создать такую же мембрану, которая была бы непроницаема для протонов.
Чтобы заставить эту турбинку крутиться, надо создать очень большой электрический потенциал. Именно потому, что эти мембраны очень тоненькие, электрическое поле, которое заставляет крутиться турбинку, где-то 300 000 вольт на сантиметр. Это совершенно дикая цифра, сравнимая с молнией. И биологические мембраны, в частности в вашем организме, все время держат этот электрический потенциал. Но они гораздо более текучи — в миллионы раз — для протонов, чем для ионов натрия. И поскольку мембраны клеток в процессе эволюции усовершенствовались, видимо, раньше были получены, возникли мембраны, способные удерживать этот потенциал натрия. Поэтому получается, что натриевая энергетика более древняя.
Дальнейший анализ разнообразных ферментов, участвующих в преобразованиях энергии, связанных с переносом натрия, показывает, что можно восстановить историю этой натриевой биоэнергетики назад. Потому что ферментов, которые откачивают натрий наружу из клетки, несколько, и как раз в последние годы продолжают открывать такие новые ферменты.
Видимо, это очень важная часть жизни очень многих бактерий — умение откачать ионы натрия из клетки, и это важно, потому что клеткам нужно поддерживать низкую концентрацию натрия внутри себя, так как во всех клетках больше калия, чем натрия. Это очень важное свойство, так как это условие работы систем синтеза белка. То есть системы синтеза белка, рибосомы — они не работают, если у вас оказывается больше натрия, чем калия. Поэтому натрий надо все время откачивать — так уж получилось.
Среди всех этих систем есть одна, которая работает в обратную сторону: она закачивает натрий внутрь и делает молекулы АТФ. И поскольку она по своей структуре турбина, она может вращаться в обе стороны. Поэтому, скорее всего, в самом начале, когда мембраны не были такими замечательными, не были способны держать большое электрическое поле, клетки просто располагали разнообразными системами откачки натрия, чтобы прожить в морской воде. Концентрация натрия примерно 3,5 миллиарда лет назад была порядка 1 моля — гораздо больше, чем сейчас. И в этой ситуации один из ферментов стал крутиться в обратную сторону, и мы получили современный биоэнергетический цикл: много ферментов качают натрий наружу, один качает натрий внутрь и делает АТФ. Удалось показать (или предположить, скажем так), что, скорее всего, эта мембранная биоэнергетика — как мы ее понимаем, как она работает в нашем организме — возникла из систем откачки натрия из клетки. И большая часть этих систем продолжает работать, и только потом, скорее всего, существенно позже, когда кислород появился в атмосфере, произошел переход к системам, которые перекачивают не ионы натрия, а протоны.
Что в этой области хотелось бы, чтобы происходило, что в этой области будет происходить? Что происходит реально? Реально происходит то, что, благодаря огромному прогрессу геномики, количество информации о живых организмах резко растет, и мы получаем информацию о таких организмах, которые, например, микробиологи не могут вырастить в чистой культуре. А мы все равно имеем их геномы, хотя их, этих бактерий, никто толком и не видел, но мы про них знаем. И я думаю, что исследование все новых и новых бактерий, особенно тех, которые живут в бескислородных условиях, даст нам и уже регулярно дает новые ферменты, которые участвуют вот в этих переносах натрия.
Натриевая биоэнергетика до самого недавнего времени рассматривалась как некая экзотика: организмы, которые живут при высокой температуре, которые живут без кислорода, используют натриевую энергетику, потому что они такие дурные. А из наших анализов следует, что это просто древняя энергетика, и организмы, которые сохранились в этих странных условиях, просто несут ее с собой, принесли из очень древних времен. И исследование таких организмов разворачивается, их все легче и легче изучать, поэтому там будут открываться новые ферменты, они открываются очень быстро. Это становится горячей областью, с одной стороны. И с другой стороны, полезно чисто по-человечески знать, что, например, половина энергии нашего организма уходит на то, что мы откачиваем из своих клеток натрий, потому что хотим, чтобы наши белки продолжали синтезироваться. Поэтому соленую воду не надо пить, поэтому надо есть фрукты с большим количеством калия. Это такой чисто житейский вывод из всей этой истории, которую тоже не вредно рассказать, потому что не всегда люди знают, что калий правда полезен, а натрий правда вреден.
