„Машините на живота“
Бутане
на електрони насам-натам
Както открихме, една от ключовите дейности на ензимите е да местят електрони из молекулите на субстрата, както например когато колагеназата бута и дърпа електрони в молекулата с пептидната връзка. Но освен да бъдат бутани насам-натам из молекулите, електроните могат да бъдат прехвърляни и от една молекула към друга.
Един много разпространен тип химична реакция с прехвърляне на електрони протича при процеса, наречен окисление, или оксидация. Това се случва, когато изгаряме горива на въглеродна основа, например въглища, във въздушна среда. Същността на окислението се състои в движение на електрони от донорната към акцепторната молекула. В случая с изгарянето на бучка въглища високоенергийни електрони от въглеродните атоми се придвижват, за да образуват нискоенергийни връзки с кислородните атоми, като произвеждат въглероден двуокис. Излишната енергия се освобождава под формата на топлина от горящите въглища. Ние улавяме тази топлинна енергия, за да отопляваме домовете си, да готвим храната си и да превръщаме водата в парата, която движи машина или захранва турбина, за да произвежда електричество. Но изгарянето на въглища и двигателите с вътрешно горене са сравнително груби и неефективни способи за оползотворяване на енергията на електроните. Природата отдавна е открила далеч по-ефективни средства за улавянето на тази енергия посредством процеса на дишането.
Свикнали сме да мислим за дишането като процеса на вдишване и издишване – поемаме в дробовете си кислорода, от който имаме нужда, и изхвърляме като отпадъчен продукт въглероден двуокис. Но вдишването и издишването са всъщност само първата (доставянето на кислород) и последната (изхвърлянето на въглеродния двуокис) стъпка от един много по-сложен и организиран молекулен процес, който протича във всичките ни клетки. Той се извършва в сложни органели1, наречени митохондрии, които донякъде приличат на бактериални клетки, хванати в нашите по-големи животински клетки, понеже също имат вътрешни структури от типа на мембрани и дори собствена ДНК. Всъщност митохондриите почти със сигурност са се развили от една симбиотична бактерия, която се е заселила в предшественика на животинските и растителните клетки преди стотици милиони години и след това е изгубила способността да живее самостоятелно. Произходът на митохондриите от самостоятелни бактериални клетки вероятно обяснява защо те са в състояние да осъществяват такъв изключително фино организиран процес като дишането. Всъщност по химична сложност дишането вероятно отстъпва само на фотосинтезата, с която ще се срещнем в следващата глава.
За да схванем ролята, която квантовата механика играе тук, се налага да опростим начина, по който работи дишането. Но дори и опростено, то все още обхваща забележителна поредица от процеси, които разкриват по прекрасен начин чудото на тези биологични наномашини. А това чудо започва с изгарянето на въглеродното гориво, в случая – хранителните вещества, които получаваме от храната си. Въглехидратите например се разграждат в червата ни до захари, като глюкоза, които се натоварват в кръвния поток и се доставят на клетките, гладни за енергия. Кръвта пренася от белите дробове до същите тези клетки и кислорода, необходим за изгарянето на това захарно гориво. Също както при горенето на въглища, електроните от външните орбити на въглеродните атоми в молекулата се преместват, но вместо да бъдат използвани веднага за свръзка с кислородните атоми, те се предават от един ензим на друг по дихателната верига от ензими вътре в клетките ни, малко като щафета, предавана от един лекоатлет на друг в щафетното бягане. При всяко такова прехвърляне електронът се спуска до състояние с по-ниска енергия, а разликата в енергията се впряга за задвижване на ензимите, които изпомпват протони от митохондриите. Така полученият протонен градиент от външната към вътрешната страна на митоходриите след това се използва, за да задвижи завъртането на един друг ензим, наречен АТФ синтаза, който произвежда биомолекула, наречена АТФ. Аденозинтрифосфатът (АТФ) е много важен за всички живи клетки, тъй като играе ролята на нещо като батерия, която лесно може да бъде разнасяна насам-натам из клетката, за да захранва множество нуждаещи се от енергия дейности, като например движението или изграждането на тялото.
Функцията на електронно-задвижваните протоно-изпомпващи ензими е малко като на водноелектрическата помпа, която складира допълнителна енергия, като изпомпва вода нагоре по склон. Натрупаната енергия след това може да бъде освободена, като водата се пусне да тече надолу по склона и да върти турбина, която генерира електричество. По същия начин дихателните ензими изпомпват протони от митохондриите. Когато протоните потекат обратно навътре, те захранват въртенето на турбиноподобния ензим АТФ синтаза. Това въртене задвижва друга поредица хореографирани молекулни движения, които закрепват една високоенергийна химична фосфатна група за една молекула, наречена АДФ, за да произведат АТФ.
Можем да си представим този процес по улавяне на енергията и по друг начин – като щафета, при която щафетната палка е заменена с бутилка вода (представляваща енергията на електрона), а всеки атлет (ензим) отпива глътка вода и после предава бутилката нататък, докато накрая остатъкът от водата бива излят в една кофа, наречена кислород. Това улавяне на енергията на електрона на малки порции прави целия процес много по-ефективен в сравнение с директното изливане в кислорода, тъй като почти нищо от нея не се губи като излъчена топлина.
И така, ключовите събития при дишането всъщност нямат много общо с вдишването и издишването, а се състоят по-скоро от организирано щафетно прехвърляне на електрони между дихателни ензими вътре в клетките ни. Всеки електрон, подаван от един ензим към следващия в щафетата, се прехвърля през междина от няколко десетки ангстрьома – разстояние, равняващо се на много атоми, – далеч повече, отколкото се е смятало за възможно при обикновеното прескачане на електрони. Загадката на дишането е как дихателните ензими успяват да преместят тези електрони толкова бързо и ефективно през толкова големи молекулни пространства.
Този въпрос бил зададен за пръв път още в началото на 40-те години на ХХ в. от австро-унгарско-американския биохимик Алберт Сент-Дьорди, който получил Нобелова награда за медицина през 1937 г. за ролята си в откриването на витамин С. През 1941 г. Сент-Дьорди изнесъл една лекция, озаглавена „Към една нова биохимия“, в която изказал хипотезата, че начинът, по който електроните протичат с лекота през биомолекулите, е подобен на онзи, по който те се движат в полупроводниците, например силициевите кристали, използвани в електрониката. За нещастие, само няколко години по-късно станало ясно, че белтъците в действителност са доста лоши проводници на електричество, така че електроните не биха протичали през ензимите толкова лесно по начина, предположен от Сент-Дьорди.
През 50-те години бил постигнат голям напредък в химията, особено от канадския химик Рудолф Маркъс, който разработил мощна теория, която днес носи неговото име (теория на Маркъс). Тя обяснява скоростта, с която електроните могат да се движат или прескачат между различните атоми или молекули. Най-накрая Маркъс получил за работата си Нобелова награда за химия през 1992 г.
Преди половин век обаче въпросът как дихателните ензими в частност са в състояние да подпомагат подобно бързо прехвърляне на електрони през сравнително големи молекулни разстояния си оставал загадка. Едно от предположенията било, че белтъците могат да се въртят последователно като часовникови механизми, сближавайки далечните молекули, така че електроните да могат лесно да прескочат помежду им. Важно предсказание, изхождащо от тези модели, било, че този механизъм ще се забави значително при ниски температури, където има по-малко топлинна енергия за захранване на часовниковото движение. През 1966 г. обаче бил отбелязан един от първите истински пробиви в квантовата биология, благодарение на експериментите, проведени в Университета на Пенсилвания от двама американски химици, Дон Деволт и Бритън Чанс, които показали, че обратно на всички очаквания, скоростта на прескачащите електрони в дихателните ензими не спада при ниски температури7.
Дон Деволт бил роден в Мичиган през 1915 г., но се преместил със семейството си на запад по време на Голямата депресия. Учил в Калифорнийския технологичен институт и в Бъркли в Калифорния и защитил дисертация по химия през 1940 г. Бил активен защитник на човешките права и прекарал известно време в затвора по време на Втората световна война заради отказа си да изпълнява военна служба. През 1958 г. подал оставка като преподавател по химия в Калифорнийския университет и се преместил в Джорджия, за да участва пряко в борбата за расово равенство и интеграция в Юга. Силата на убежденията му, неговата отдаденост на каузата и придържането му към мирния протест го излагали на риск от физическо нападение при участията му в демонстрациите на чернокожите активисти. Веднъж дори му счупили челюстта, когато неговата расово смесена група протестиращи била нападната от една шайка. Но това не го възпряло.
През 1963 г. Деволт започнал работа в Университета на Пенсилвания с Бритън Чанс, който бил само с две години по-възрастен от него и вече бил утвърдил репутацията си на един от водещите учени в своята област. Чанс имал не една, а две научни степени – едната по физикохимия, другата по биология. Така че неговата експертна „област“ била много широка, а изследователските му интереси – разнообразни. През голяма част от кариерата си бил работил върху структурата и функцията на ензимите – откъсвайки се за кратко, за да спечели златен медал по ветроходство за Съединените щати на Олимпиадата през 1952 г.
Бритън Чанс бил заинтригуван от един механизъм, чрез който светлината улеснявала прехвърлянето на електрони от дихателния ензим цитохром към кислорода. Заедно с Мицуо Нишимура Чанс открил, че в бактерията Chromatium vinosum това прехвърляне протича, дори когато клетките ѝ са охладени до смразяващата температура от -190ºС2 на течния азот. Как обаче варирал този процес с променящата се температура – нещо, което можело да подскаже евентуалния му молекулен механизъм, – все още било неизвестно. Онова, което трябвало да се направи, осъзнал Чанс, било реакцията да се инциира много бързо с един много краткотраен, но интензивен лъч светлина. Тук било мястото за експертните познания на Дон Деволт. Той бил работил няколко години като консултант по електросъоръжения в една малка компания, разработваща лазер, който можел да осигури точно такива кратки светлинни импулси.
Деволт и Чанс разработили заедно експеримент, при който рубинов лазер изпращал краткотраен лъч ярка червена светлина само за 30 наносекунди (30 милиардни от секундата) към бактериални клетки, пълни с дихателни ензими. Учените открили, че когато понижавали температурата, скоростта на прехвърляне на електроните намалявала, докато при около 100К (или -173ºС) времето на трансферната реакция вече било около хиляда пъти по-дълго, отколкото при стайна температура. Това можело да се очаква, ако процесът на електронен трансфер бил движен най-вече от участващото количество топлина. Когато обаче Деволт и Чанс понижили температурата под 100К, станало нещо странно. Вместо да падне до по-ниски стойности, скоростта на прехвърляне на електроните достигала едно плато, оставайки си постоянна, въпреки по-нататъшното намаляване на температурата, чак до 35 градуса над абсолютната нула (-238ºС). Това показвало, че механизмът на електронния трансфер не можел да се дължи само на „класическото“ прескачане на електрони, описано по-горе. Отговорът, както изглежда, се намира в квантовия свят, и по-точно в странния процес тунелен преход, или тунелен ефект, с който се запознахме в първа глава.
