Как энергия естественного градиента протонов могла осуществлять синтез АТФ? Это сопряжено с “цианидной проблемой”. Представьте себе протоклетку внутри поры источника, которая получает энергию за счет протонного градиента. Одна сторона клетки постоянно омывается океанской водой, другая – потоками щелочных гидротермальных жидкостей (рис. 17). Четыре миллиарда лет назад океаны, вероятно, были слабокислыми (pH = 5–7), а гидротермальные жидкости – такими же, как сейчас (pH = 9–11). Получается, перепады pH были довольно резкими, в 3–5 единиц. Иначе говоря, разница концентраций протонов внутри и снаружи источника могла различаться в 1–100 тыс. раз[58]. Представим, что концентрация протонов внутри клетки совпадает с таковой для гидротермальных жидкостей. Это значит, что концентрация протонов внутри и снаружи клетки различается и протоны будут стремиться внутрь по градиенту концентрации. Впрочем, за несколько секунд поток иссякает и не возникнет снова, пока протоны не будут удалены из клетки. Этому есть две причины. Во-первых, концентрация по обе стороны мембраны быстро уравнивается. Во-вторых, важную роль играет электрический заряд. Протоны (H+) заряжены положительно, но в морской воде их заряд компенсируется отрицательно заряженными атомами, например ионами хлора (Cl–). Проблема в том, что протоны проходят через мембрану гораздо быстрее, чем ионы хлора, и приток отрицательно заряженных частиц не компенсирует приток положительно заряженных. Таким образом, внутренняя сторона мембраны относительно внешней среды становится заряженной положительно, и это препятствует дальнейшему притоку H+. Итак, без насоса, который позволил бы выкачивать протоны из клетки наружу, естественные протонные градиенты бесполезны. Они быстро приходят в равновесие, а равновесие эквивалентно смерти.

Рис. 17. Клетка, живущая за счет природного протонного градиента.

В центре изображена клетка с проницаемой для протонов мембраной. Клетка втиснута в расщелину в неорганическом барьере, который внутри микропористого источника разделяет две фазы жидкостей. Верхняя фаза – это слабокислая океанская вода с pH = 5–7 (в рамках этой модели ее pH принят за 7), которая просачивается внутрь глубокой поры. В нижнюю фазу входят щелочные гидротермальные жидкости, которые просачиваются из одной поры в другую через соединительные каналы (их pH примерно 10). Ламинарное течение предполагает отсутствие турбулентных завихрений и смешивания, характерных для жидкостей, протекающих сквозь небольшие ограниченные пространства. Протоны (H+) могут проходить прямо сквозь липидную мембрану или через встроенные в нее белки (на рисунке обозначены треугольной фигурой) по градиенту концентрации протонов, меняющемуся от кислой воды океана до щелочных гидротермальных потоков. Гидроксид-ионы (OH–) текут в противоположном направлении, из гидротермальных жидкостей в океанскую воду, но исключительно через мембрану. Интенсивность потока протонов зависит от проницаемости мембраны для H+, нейтрализации OH–(с образованием H2O), количества мембранных белков, размера клетки и заряда на мембране, накопленного в результате перемещения ионов из одной фазы в другую.

Но есть исключение. Если мембрана почти непроницаема для протонов, они не смогут попасть внутрь. Протоны входят в клетку, но не могут выйти. Но если мембрана в высокой степени проницаема, тогда другое дело. Протоны и в этом случае попадают внутрь клетки, но теперь они могут покидать ее, хоть и пассивно, через проницаемую мембрану на другой стороне клетки. В результате проницаемая мембрана представляет собой менее значительное препятствие для потока. Более того, гидроксид-ионы (OH–) из гидротермальных жидкостей проходят через мембрану примерно с той же скоростью, что и протоны[59]. Встречаясь друг с другом, H+ и OH– реагируют с образованием воды (H2O), при этом положительный заряд протонов ликвидируется. При помощи классических электрохимических уравнений можно рассчитать скорости входа и выхода протонов из гипотетической клетки (ее компьютерной модели) как функции от мембранной проницаемости. Именно это и сделал Виктор Сохо, химик, интересующийся масштабными биологическими проблемами и работающий над диссертацией вместе со мной и Эндрю Помянковски. Зная соотношение равновесных концентраций протонов, мы можем рассчитать свободную энергию (ΔG), доступную лишь за счет протонного градиента. Доступная движущая сила зависит от проницаемости мембраны для протонов. Если мембрана слишком проницаема, протоны устремляются внутрь, а затем быстро исчезают, нейтрализованные стремительным потоком ионов OH–. Но мы обнаружили, что и при очень высокой проницаемости мембраны протоны проходят через мембранные белки (например через АТФ-синтазу) быстрее, чем между липидами самой мембраны. Это означает, что за счет потока протонов может происходить синтез АТФ или восстановление углерода энергопреобразующей гидрогеназой. Рассмотрев разницу концентраций и заряд, а также особенности работы АТФ-синтазы и других белков, мы показали, что лишь клетки с высокопроницаемыми мембранами могут использовать протонные градиенты для углеродного и энергетического метаболизма[60]. Примечательно, что такие клетки теоретически могут получить столько же энергии за счет протонного градиента в три единицы pH, сколько современные клетки получают в ходе дыхания.