В клетке АДФ постоянно «накачивается» в хранилище потенциальной энергии, превращаясь в АТФ. Когда открывают шлюзы, АТФ используется для обеспечения разных энергетических потребностей клетки. Конечно, для создания высокой концентрации АТФ, как и для накачивания воды в водохранилище гидроаккумулирующей электростанции, требуется много энергии. Ее обеспечивают дыхание и брожение. Энергия, высвобождающаяся в ходе этих процессов, используется для создания очень высоких концентраций АТФ в клетке (гораздо более высоких, чем «нормальный» химический уровень).

Эти соображения помогают нам понять, как АТФ используется для совершения работы в клетке, но не объясняют, как же собственно АТФ образуется. Ответ, казалось, лежал в исследованиях брожения, которые проводил Эфраим Рэкер в 1940-е гг. Рэкер был одним из гигантов биоэнергетики. Он родился в Польше, вырос в Вене, а в конце 1930-х гг., как многие другие, бежал от нацистского преследования в Великобританию. В начале войны, после короткого пребывания в лагере для интернированных на острове Мэн, он переехал в США, где на несколько лет обосновался в Нью-Йорке. Расшифровка механизма синтеза АТФ при брожении была первым из многих его открытий на протяжении следующих пятидесяти лет. Рэкер открыл, что энергия, высвобождающаяся при брожении за счет расщепления сахаров на более мелкие фрагменты, используется для присоединения фосфатных групп против химического равновесия. Иными словами, при брожении образуются макроэргические промежуточные фосфатные соединения, которые, в свою очередь, отдают свои фосфатные группы для образования АТФ. Общий итог энергетически положительный. Так, текущая вода может вращать гидротурбину — течение воды сопряжено с вращением турбины. Образование АТФ тоже происходит за счет сопряженных химических реакций: энергия, высвобождающаяся в процессе брожения, приводит в действие сопряженную энергоемкую реакцию — образование АТФ. Наверное, думал Рэкер, а с ним и все остальные, объяснить образование АТФ в процессе дыхания можно за счет какой-то подобной модели химического сопряжения. Как они ошибались! Путеводная звезда обернулась блуждающим огоньком, и в погоне за ним прошло не одно десятилетие. С другой стороны, когда ответ был все-таки найден, он дал нам более глубокое понимание природы жизни и ее сложности, чем какое-либо другое открытие в молекулярной биологии, за исключением разве что двойной спирали ДНК.

Проблема упиралась в то, чтобы понять, что представляют собой эти макроэргические посредники. При дыхании АТФ синтезируется в гигантском ферментном комплексе, который называется АТФаза (АТФ-синтаза); ее тоже открыли Рэкер и его коллеги в Нью-Йорке. На внутренней митохондриальной мембране находятся до 30 тысяч АТФазных комплексов. Их даже можно разглядеть под электронным микроскопом — они торчат на мембране, как грибы (рис. 6).

Рис. 6. АТФазы — «элементарные частицы жизни», как называл их Эфраим Рэкер. Ими, как грибами, усыпана поверхность мембранных пузырьков

Когда в 1964 г. частицы удалось увидеть впервые, Рэкер назвал их «фундаментальными частицами биологии», и сегодня это определение, как мы увидим чуть позже, звучит как никогда актуально. АТФазные комплексы перемежаются на внутренней митохондриальной мембране с комплексами дыхательных цепей, но физически не связаны с ними. В этом и есть корень проблемы. Как эти отдельные комплексы взаимодействуют друг с другом через физический промежуток? Если еще конкретнее, как дыхательные цепи переносят энергию, высвобождающуюся в процессе переноса электронов, к АТФазе при образовании АТФ?

Насколько было известно, в дыхание вовлечен только один тип реакций — окислительно-восстановительные реакции, происходящие, когда электроны транспортируются по дыхательной цепи. Еще было известно, что молекулярные комплексы этой цепи окисляются, а потом восстанавливаются, но это все: больше они ни с какими молекулами не взаимодействуют. Все эти реакции физически отграничены от АТФазы. Ученые думали, что есть какой-то макроэргический посредник, как в случае брожения, который образуется с использованием энергии, высвобождающейся в процессе дыхания. Этот посредник затем физически перемещается к АТФазе. В конце концов, для химического взаимодействия нужен контакт; взаимодействие на расстоянии для химика равнозначно магии вуду. Предполагаемый макроэргический посредник должен был содержать связь, эквивалентную сахаро-фосфатной связи, которая образуется при брожении; при разрыве этой связи высвобождается энергия, необходимая для образования макроэргической связи АТФ. АТФаза, возможно, катализирует эту реакцию.

Как это часто бывает в науке, на пороге революции проблема казалась в общем и целом решенной. Оставалось только немного дополнить ответ, например, определить, какое же вещество является этим макроэргическим посредником, который стали называть просто тильдой (по крайней мере, в приличном обществе). Правда, этот посредник уже зарекомендовал себя загадочным и неуловимым — лучшие умы, самые блестящие экспериментаторы провели в его поисках добрых два десятка лет. На роль посредника было предложено не меньше двадцати кандидатов, и ни один не выдержал испытания. Тем не менее казалось, что выявление макроэргического посредника — вопрос времени. Его существование диктовалось самой химической природой клетки, которая, в конце концов, всего лишь мешок с ферментами, как хорошо затвердили себе ученики Эдуарда Бухнера. Ферменты творят химию, а главное в химии — связи между атомами в молекулах.

И все же оставалась одна загвоздка, не дававшая покоя ученым, занимавшимся химией дыхания: число образующихся молекул АТФ было непостоянно. Из одной молекулы глюкозы образуется от 28 до 38 молекул АТФ. АТФ образуется при транспортировке электронов по дыхательной цепи, а транспорт одной пары электронов генерирует от двух до трех молекул АТФ. Это некруглое число, а химия основывается на круглых числах, как знает всякий, кто бился над решением химического уравнения. Не бывает так, что половина одной молекулы реагирует с двумя третями другой. Так как же может для образования АТФ требоваться разное и нецелое число электронов?

На самом деле была еще одна загвоздка. Для дыхания необходима мембрана, а мембрана — это не просто мешок с дыхательными комплексами. Если мембрана повреждена, дыхание, как говорят, разобщается, как велосипед, с которого слетела цепь: можно жать на педали сколько угодно, колеса крутиться не будут. При разобщении дыхания окисление глюкозы через дыхательную цепь продолжается с прежней скоростью, но АТФ не образуется. Иными словами, ввод разобщается с выводом, и выделившаяся энергия рассеивается в виде тепла. Это любопытное явление может быть связано не только с механическим повреждением мембраны, но и с действием целого ряда очень разнородных веществ — разобщающих агентов, которые механически мембрану не повреждают. Все эти вещества (включая, как ни забавно, аспирин, а также, кхе-кхе, экстази) одинаково разобщают окисление глюкозы и образование АТФ, но, насколько можно было судить, не имеют никакого общего химического знаменателя. Разобщение оставалось необъясненным.