Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии Аль-Халили Джим

Изменение ландшафта

Катализаторы действуют посредством множества механизмов. Разобраться в этих механизмах помогает теория переходного состояния[31], доступно описывающая то, как катализаторы ускоряют реакции. Чтобы понять теорию переходного состояния, нужно посмотреть на проблему с другой стороны и подумать, зачем для ускорения реакций нужны катализаторы. Ответ прост: почти все химические вещества, окружающие нас, достаточно стабильны и инертны. Они не распадаются мгновенно, не вступают с другими веществами в быструю реакцию. К слову, если бы вещества именно так и поступали, их бы не было вокруг нас.

Причина стабильности привычных соединений заключается в следующем: их связи редко разрушаются вследствие неизбежного турбулентного перемещения молекул, которое всегда происходит в любом веществе. Наглядно это можно представить так: молекулы веществ, участвующие в реакции, должны преодолеть препятствия рельефа, а именно забраться на вершину холма, который находится между ними и превращением в конечный продукт (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Молекулы веществ, вступающих в реакцию (на рисунке — точки серого цвета), способны превратиться в молекулы продуктов реакции (на рисунке — точки черного цвета), но сперва они должны преодолеть энергетический «холм». При нормальной температуре молекулы не обладают достаточным количеством энергии для поднятия по склону этого «холма», однако чем выше температура, тем легче молекулы взбираются на его вершину

Энергию, необходимую для того, чтобы взобраться на склон этого «холма», молекулы получают в основном при нагревании. С повышением температуры атомы и молекулы начинают двигаться и совершать колебания быстрее. Подобная толкотня может разрушать химические связи между атомами в молекуле, а также способствовать созданию новых связей. Однако атомы более стабильных молекул (привычных для нашей среды) соединены достаточно крепкими связями, которые устойчивы к турбулентности окружающих молекул. Итак, химические соединения, окружающие нас, устойчивы благодаря тому, что их молекулы в основном стабильны[32], несмотря на их же активную толкотню.

И все же даже стабильные молекулы разрушаются, если для разрыва связи между атомами достаточно энергии. Один из источников энергии, разрушающей молекулы, — дополнительная теплота, ускоряющая их движение. При нагревании химического соединения его внутримолекулярные связи в конце концов разрушаются. Вот почему нам так часто приходится готовить еду на плите: при нагревании ускоряются химические реакции, благодаря которым сырые ингредиенты (вещества, участвующие в реакции) превращаются в съедобные продукты.

Чтобы понять, как теплота ускоряет химические реакции, обратимся к удобному наглядному примеру. Представьте, что молекулы исходного соединения — это песчинки в левом сосуде песочных часов, лежащих на боку (рис. 3.2, а).

Рис. 3.2. Смена энергетического ландшафта: а) молекулы могут перейти из сосуда с исходным веществом в сосуд с продуктом реакции, однако им необходима дополнительная энергия для достижения переходного состояния (чтобы попасть в горловину часов); б) если приподнять левый сосуд часов, молекулы исходного вещества (субстрата) приходят в состояние с большей энергией по сравнению с продуктом, что позволяет им легко проникать в правый сосуд; в) ферменты стабилизируют переходное состояние, снижая энергетический барьер (расширяя горловину наших часов), упрощая превращение молекул субстрата в молекулы продукта реакции. На рисунке R (reactants) — вещества, участвующие в реакции; P (products) — продукты реакции

Если оставить часы в состоянии покоя, никак на них не воздействуя, песчинки так и останутся лежать в левом сосуде до скончания веков, поскольку они не обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть узкую горловину и попасть в правый сосуд, символизирующий конечный продукт реакции. Молекулы исходного вещества, участвующего в химической реакции, могут получить дополнительную энергию при нагревании. Они начинают двигаться и совершать колебания с более высокой скоростью, что позволяет некоторым из них превращаться в молекулы продукта реакции. Представим, будто кто-то хорошенько встряхнул наши песочные часы и некоторые молекулы-песчинки в результате попали из левого сосуда в правый, превратившись в молекулы продукта реакции (см. рис. 3.2, б).

Еще один способ превратить субстраты в продукты заключается в том, чтобы снизить энергетический барьер, который должны преодолеть молекулы исходного вещества. Именно этим и занимаются катализаторы. Они расширяют горловину песочных часов и позволяют песку из левого сосуда беспрепятственно и с минимальными усилиями проникать в правый сосуд (см. рис. 3.2, в). Таким образом, ход реакции значительно ускоряется благодаря способности катализатора менять форму энергетического ландшафта и таким образом позволять субстратам[33] гораздо быстрее превращаться в продукты.

Поговорим подробнее о том, как это работает на молекулярном уровне. Для начала рассмотрим медленную реакцию, в ходе которой молекула коллагена расщепляется в отсутствие фермента коллагеназы[34] (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Белки — например, коллаген (а) — состоят из цепочек аминокислот, в состав которых входят атомы углерода (C), азота (N), кислорода (O) и водорода (H), связанные пептидными связями. Одна из этих связей обозначена на рисунке жирной линией. Взаимодействуя с водой (H₂O), пептидная связь может подвергаться гидролизу и разрушаться (в), однако реакция сначала должна пройти через неустойчивое переходное состояние, при котором возникают по крайней мере две различные структуры, способные превращаться друг в друга (б)

Как мы уже говорили, молекула коллагена представляет собой цепь из аминокислот, которые крепятся друг к другу посредством пептидной связи (на рисунке обозначена жирной линией), возникающей между атомами углерода и азота. Пептидная связь — лишь один из нескольких видов связей, благодаря которым атомы соединяются в молекулы. Она состоит из пары электронов, которую делят между собой атомы азота и углерода. Эти общие для двух атомов отрицательно заряженные электроны притягивают положительно заряженные ядра атомов с обеих сторон связи и представляют собой своего рода электронный клей, соединяющий атомы в пептидной связи[35].

Пептидные связи весьма устойчивы. Чтобы разрушить их, разъединив общую электронную пару, требуется большое количество «энергии активации»: связь должна преодолеть очень высокий энергетический барьер (в нашей метафоре — холм), чтобы достичь горловины песочных часов, где начинается реакция. Обычно связь не разрушается сама по себе — ей в этом помогают находящиеся рядом молекулы воды, инициируя процесс гидролиза. Чтобы этот процесс начался, молекула воды должна весьма плотно приблизиться к пептидной связи и отдать один из своих электронов атому углерода, находящемуся в этой связи (на рис. 3.3 передача электрона обозначена пунктирной линией). Эта промежуточная стадия реакции называется переходным состоянием (отсюда теория переходного состояния). Она представляет собой неустойчивую вершину энергетического «холма», который связь должна преодолеть, чтобы разрушиться в горловине песочных часов. На рисунке видно, что электрон, полученный от молекулы воды, опустился вниз до атома кислорода, соседствующего с пептидной связью. Атом кислорода с дополнительным электроном получил отрицательный заряд. Соответственно молекула воды, отдавшая электрон, осталась в переходном состоянии с положительным зарядом.

В этом моменте ситуация усложняется. Давайте разбираться. Будем считать, что молекула воды (H₂O) положительно заряжена не потому, что потеряла один электрон, а потому, что теперь в ней есть голое ядро атома водорода — его протон, обозначенный знаком «+» на рисунке. Этот протон с положительным зарядом больше не имеет строго закрепленного за ним места внутри молекулы воды и становится делокализованным в квантово-механическом смысле (об этом мы говорили выше). Несмотря на то что этот протон почти все время остается внутри своей молекулы воды (см. рис. 3.3, б, схема слева), иногда он оказывается немного дальше, ближе к атому азота (см. рис. 3.3, в, схема справа) на другом конце пептидной связи. В таком положении наш блуждающий протон способен притянуть к себе один из электронов, образующих пептидную связь, и, таким образом, разрушить ее.

Подобное происходит нечасто. Дело в том, что переходные состояния (как, например, то, которое мы изобразили на рис. 3.3, б) очень кратковременны. Они настолько неустойчивы, что разрушаются легчайшим «толчком». Например, отрицательно заряженный электрон, который отдает молекула воды, легко возвращается назад и исходные вещества принимают прежнюю форму (на рисунке это показано жирной стрелкой). Такой сценарий гораздо более вероятен, чем реакция, в результате которой разрушается пептидная связь. Обычно пептидные связи не разрушаются. Так, в нейтральных растворах (не в кислых и не в щелочных) пептидная связь белка разрушится лишь наполовину более чем за 500 лет (этот временной отрезок называют периодом полупротекания реакции).

Разумеется, все описанное выше происходит именно так в отсутствие ферментов. Теперь нам предстоит узнать, как фермент способствует ускорению процесса гидролиза. Согласно теории переходного состояния, катализаторы ускоряют химические процессы (в том числе разрушение пептидной связи), делая переходное состояние более устойчивым и тем самым повышая вероятность формирования исходных продуктов. Катализаторы действуют различными способами. Например, положительно заряженный атом металла, находящийся вблизи связи, способен нейтрализовать отрицательно заряженный атом кислорода в переходном состоянии, стабилизируя его (в этом случае атом кислорода не будет спешить расставаться с электроном, полученным от молекулы воды). Придавая переходным состояниям устойчивость, катализаторы ускоряют реакцию, выполняя функцию расширения горловины песочных часов, в которых, как мы с вами представляли, данная реакция протекает.

Теперь пришло время выяснить, способна ли теория переходного состояния в рамках предложенной аналогии с песочными часами объяснить то, как ферменты ускоряют все остальные реакции, необходимые для поддержания жизни.

Туда-сюда

Итак, фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер использовала для разрушения коллагеновых волокон, выделенных из кости древнего тираннозавра, был обнаружен Джеромом Гроссом в организме лягушки. Как вы помните, этот фермент необходим для того, чтобы преобразовать внеклеточный матрикс головастика в тот период, когда все его ткани, клетки и биомолекулы перестраиваются и он превращается во взрослую лягушку. В организме динозавра данный фермент выполнял ту же функцию. Более того, он продолжает выполнять ее в человеке: коллагеназа расщепляет коллагеновые волокна, способствуя росту и преобразованию тканей развивающегося организма или в период восстановления после травмы. Чтобы увидеть ферментативный процесс в действии, обратимся к идее, высказанной Ричардом Фейнманом в революционной для науки лекции «Там, внизу, полно места!», с которой он выступил в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году. Считается, что лекция Фейнмана стала интеллектуальным фундаментом сферы нанотехнологий — технического проектирования на уровне атомов и молекул. Кроме того, идеи Фейнмана вдохновили создателей фильма «Фантастическое путешествие», вышедшего на экраны в 1966 году. По сюжету картины подводная лодка с экипажем ученых и врачей уменьшается до размеров молекулы и внедряется в мозг пациента с целью обнаружить и ликвидировать тромб. Чтобы разобраться в ферментативном процессе, мы также отправимся с вами в путешествие на воображаемой наноподлодке. Цель нашего путешествия — хвост головастика.

Для начала нам необходимо найти головастика. В ближайшем пруду мы обнаружим кладку лягушачьей икры и аккуратно перенесем горсть желеобразных шариков, покрытых черными точками, в стеклянный резервуар. Через какое-то время мы заметим, что некоторые икринки подергиваются, а еще через несколько дней из них появятся крошечные головастики. Рассмотрев через увеличительное стекло их основные черты — относительно большую голову с тупой мордочкой и маленьким ртом, глазки по бокам и жабры, напоминающие перышки, расположенные перед длинным хвостовым плавником, — мы обеспечим головастиков достаточным количеством пищи (водорослями) и станем ежедневно наблюдать за ними. На протяжении нескольких недель мы не увидим никаких изменений в форме тела этих существ, зато останемся под сильным впечатлением от того, насколько быстро они увеличатся в объеме и вытянутся в длину. Приблизительно через восемь недель мы заметим, что жабры головастиков втянулись внутрь тела, а на их месте появились передние конечности. Пройдет еще недели две, и из того места, откуда растет крепкий хвостик головастика, появятся задние лапки. С этого момента мы станем чаще наблюдать за головастиками, поскольку темпы изменений, которые претерпевают растущие животные, значительно ускорятся. Жабры и жаберные карманы головастика полностью исчезают, а глаза сдвигаются выше. К списку колоссальных изменений внешнего вида головастика добавляется также резкое сокращение длины его хвоста. Как раз этого мы и ждали. Теперь пришло время погрузиться на борт нашей наноподлодки, отправиться в путешествие по стеклянному резервуару и приступить к исследованию одного из самых удивительных превращений, возможных в природе.

Как только наше судно погружается в резервуар, мы получаем уникальную возможность рассмотреть некоторые детали превращения головастика в лягушку, например удивительные изменения кожи. Кожный покров головастика становится плотнее, тверже, на нем появляются слизистые железы, секрет которых сохраняет влажность и упругость кожи лягушки, когда она покидает пруд и выбирается на сушу. Наноподлодка погружается в одну из этих желез, и мы попадаем в кожный покров земноводного. Благополучно преодолев несколько клеточных барьеров, мы попадаем в кровеносную систему исследуемого животного. Путешествуя по венам и артериям молодой лягушки, мы становимся свидетелями многочисленных изменений, происходящих в организме, внутри которого мы с вами находимся в гостях. Из зачатков дыхательных органов, первоначально напоминавших сумочки, формируются легкие, которые вскоре расширяются и наполняются воздухом. Длинный, изогнутый кишечник головастика, приспособленный для переваривания водорослей, выпрямляется и становится похожим на кишечник хищника. Его прозрачный хрящевой скелет, в том числе и спинная струна (примитивная форма позвоночника, проходящая по всей длине тела головастика), приобретает плотную, непрозрачную структуру, поскольку хрящ заменяется костью. Следуя к нашей цели, мы плывем вдоль формирующегося позвоночника вниз, к хвосту головастика, где начинается процесс его втягивания в растущий организм лягушки. Здесь мы хорошо можем рассмотреть толстые, бороздчатые мышечные волокна, очень плотные по всей длине.

Если мы еще уменьшимся в размерах, то сможем увидеть следующее: каждое из мышечных волокон состоит из длинных столбцов цилиндрических клеток. Именно эти клетки, периодически сокращаясь, обеспечивают перемещение головастика в пространстве. Цилиндрические клетки мышечных волокон окружены плотной сетью перекрученных нитей: это и есть внеклеточный матрикс, цель нашего путешествия. Матрикс сейчас претерпевает существенные изменения. Отдельные его нити распутываются и высвобождают застрявшие в них мышечные клетки, которые, вырываясь на свободу, вливаются в поток большого переселения клеток из исчезающего хвоста головастика в тело взрослой лягушки.

Давайте уменьшимся еще немного и внимательнее рассмотрим одну из распутывающихся нитей разрушающегося внеклеточного матрикса. Приблизившись, мы увидим, что нить матрикса, словно веревка, сплетена из тысяч отдельных белковых проводков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из пучков коллагеновых волокон. Каждая молекула коллагена представляет собой сплетение из трех белковых цепей (о подобных цепях, на которые, как бусины, нанизаны аминокислоты, мы уже говорили, обсуждая кость динозавра). Три цепи молекулы коллагена закручены в плотную спираль, напоминающую спираль ДНК, только тройную, а не двойную. Наконец перед нами предстает истинная цель нашего путешествия — молекула фермента коллагеназы. Она напоминает моллюска, вцепившегося в одну из нитей коллагена и сползающего по ней, раскручивая цепочки тройной спирали и разъединяя пептидные связи, которые держат на одной цепочке аминокислотные бусинки. Таким образом, у нас на глазах за одно мгновение разрушается цепочка, которая в отсутствие коллагеназы сохранила бы свою целостность на протяжении миллионов лет. Рассмотрим поближе, как происходит распад цепочки коллагена.

Мы уменьшаемся и отправляемся в путешествие на молекулярном уровне, где объекты имеют размер несколько нанометров (несколько миллионных миллиметра). Представить себе такой крошечный масштаб невероятно трудно, поэтому для сравнения оцените размер буквы «о» на этой странице. Если бы мы с вами уменьшились до размера в несколько нанометров, то буква «о» приняла бы для нас такие же размеры, как территория Соединенных Штатов Америки при нашем нормальном росте. В таких условиях мы сможем рассмотреть, что внутреннее пространство клетки плотно заполнено молекулами воды, ионами металлов[36] и многочисленными и разнообразными биомолекулами, среди которых встречаются аминокислоты причудливой формы. Этот шумный, заполненный до краев молекулами пруд непрерывно пребывает в волнении и движении. Молекулы вращаются, совершают колебания, сталкиваются друг с другом, словно бильярдные шары, о которых мы с вами говорили выше.

Среди всей этой толчеи беспорядочно движущихся молекул мы видим моллюскообразные ферменты, ползущие по волокнам коллагена. Движение молекул коллагеназы не похоже на то, как ведут себя остальные молекулы. Мы приближаемся к одной из молекул фермента как раз в тот момент, когда она движется вдоль коллагеновой белковой цепи. На первый взгляд молекула коллагеназы кажется тяжелой и бесформенной. Создается впечатление, что она хаотично собрана из разрозненных частей. Однако коллагеназа, как и все ферменты, имеет четкую структуру, в которой каждый атом занимает строго отведенное ему место. Кроме того, в отличие от беспорядочного пихания окружающих молекул, фермент исполняет изящный и слаженный молекулярный танец, обвиваясь вокруг коллагеновой нити, раскручивая ее спираль, чтобы сделать аккуратный надрез как раз в том месте, где пептидная связь скрепляет аминокислоты. Затем коллагеназа сворачивается и направляется дальше, к следующей пептидной связи в цепочке, чтобы разрушить ее. Это вовсе не уменьшенные копии механизмов, сделанных рукой человека, которые встроены в клетку и приводятся в движение хаотичными толчками беспорядочно разлетающихся в разные стороны частиц, напоминающих бильярдные шары. Это своеобразные нанороботы, сотворенные природой, которые исполняют внутри клетки тщательно поставленный танец. Каждое движение этого танца оттачивалось на протяжении миллионов лет в процессе естественного отбора, чтобы теперь управлять элементарными частицами живой материи.

Обратим все свое внимание на процесс разрушения пептидной связи. Для этого мы опускаемся к похожему на прищепку ответвлению молекулы фермента, которое, словно моллюск челюстью, фиксирует на месте субстраты реакции — белок коллаген и одну молекулу воды. Это место является активным центром фермента, его мастерской, в которой осуществляется ускорение распада пептидных связей, или, вспоминая нашу аналогию, разгибание и расширение горловины энергетических песочных часов. Хореографическая постановка, разворачивающаяся в молекулярном центре управления, отличается от той беспорядочной толкотни, которую устраивают другие молекулы вокруг фермента. Более того, этот танец играет несоизмеримо более важную роль в жизнедеятельности лягушки, чем движение любой другой молекулы.

Активный центр фермента изображен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Разрыв пептидной связи (обозначена жирной линией) коллагена в активном центре фермента. Переходное состояние субстрата обозначено пунктирными линиями. Шарик внизу, чуть левее от центра рисунка, — положительно заряженный ион цинка; карбоксильная группа COO вверху принадлежит молекуле глутаминовой кислоты (аминокислота, находящаяся в активном центре фермента). Обратите внимание, что параметры масштаба расстояний между молекулами на рисунке не выдержаны

Сравнив данное изображение с рис. 3.3, вы заметите, что фермент продлевает переходное состояние пептидной связи, которого она должна достичь для полного разрушения. Между субстратами образуются слабые химические связи, обозначенные на рисунке пунктирными линиями. Эти связи представляют собой отдельные электроны, которые субстраты делят с ферментами. Благодаря этим связям субстраты приобретают определенную конфигурацию, в которой молекуле фермента, вернее, ее молекулярным «челюстям», удобнее всего разорвать пептидную связь.

Приближаясь к месту пептидной связи, «челюсти» фермента совершают нечто более утонченное по сравнению с простым перекусыванием связи: они предоставляют средство, благодаря которому осуществляется ускорение реакции — катализ. Мы замечаем крупный атом с положительным зарядом, висящий прямо под мишенью — местом пептидной связи, которая уже развернута в удобное положение. Эта частица — положительно заряженный атом цинка. Если мы принимаем активный центр фермента за его челюсти, то атом цинка — один из резцов. Положительно заряженный атом забирает электрон у атома кислорода одного из субстратов, придавая устойчивости переходному состоянию и, следовательно, деформируя энергетический рельеф. Горловина песочных часов расширяется.

Оставшуюся работу выполняет другой «резец» фермента — его собственная аминокислота, известная как глутамат (глутаминовая кислота). Молекула глутамата также принимает необходимое положение, располагая свой отрицательно заряженный атом кислорода непосредственно над местом пептидной связи. Первоначальная роль этой молекулы заключается в том, чтобы оторвать положительно заряженный протон от связанной молекулы воды. Затем она подбрасывает этот протон атому азота, расположенному на одном из концов пептидной связи. Атом азота получает положительный заряд, притягивающий электрон, который участвует в пептидной связи. Как вы помните, электроны служат своего рода клеем пептидных связей. Изъятие электрона из пептидной связи сходно с тем, как если бы мы разъединили склеенные поверхности и соскоблили клей — поверхности бы уже не соединились[37]. После перестановки нескольких электронов из молекулярных «челюстей» фермента наконец высвобождаются продукты реакции — разрушенные пептидные цепочки. Таким образом, реакция, которая без фермента протекала бы как минимум 68 миллионов лет, совершается за несколько наносекунд.

Так при чем же тут квантовая механика? Как она объясняет катализ при участии ферментов? Для этого нам с вами вновь следует обратиться к идеям ученых, стоявших у истоков квантовой механики. Мы уже обсудили важную роль особенных немногочисленных частиц из активного центра фермента, чьи действия напоминают гениально поставленный танец и сильно отличаются от хаотичной молекулярной толкотни, происходящей на клеточном уровне. Здесь же, в особом месте, биомолекулы со сложной структурой вступают в очень специфические виды взаимодействия с другими биомолекулами с не менее сложной структурой. Эти взаимодействия могут быть описаны и в терминах Йордана и его идеи диктаторского усиления, и в терминах Шредингера и его идеи «порядка из порядка». Кроме того, обе идеи подходят для описания того пути, который проходит головастик, превращаясь во взрослую лягушку. Сначала мы описываем организованные ткани и клетки, затем — волокна, которые скрепляют ткани и клетки, затем — завораживающую хореографию элементарных частиц внутри активного центра коллагеназы, которая разрушает структуру коллагеновых волокон и таким образом обусловливает перестройку всего организма лягушки. Неважно, какую теорию мы выбираем — теорию Йордана или теорию Шредингера. Важно то, что с их помощью мы описываем нечто совершенно непохожее на хаотичное движение молекул, которое заставляет поезда подниматься по склонам холма.

Так прав ли был Шредингер, утверждая, что подобный молекулярный порядок подразумевает совершенно иной свод законов, действительных только для живой материи? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала должны подробнее разобраться в тех законах, которые действуют в микромире.

Так ли велика объяснительная сила теории переходного состояния

Правда ли, что в основе подобной хореографии молекул лежат квантово-механические явления? Мы говорили о том, что способность коллагеназы ускорять распад пептидных связей зависит от нескольких каталитических механизмов. Химики ежедневно используют эти механизмы для ускорения химических реакций, вовсе не прибегая к квантовой механике. Например, атом цинка в активном центре фермента играет такую же роль, какую раскаленная платина играла в получении серной кислоты в ходе реакции, которую провел в XIX веке Перегрин Филипс. Неорганические катализаторы полагаются скорее на хаотичное движение молекул, нежели на их блестяще поставленный танец, когда им требуется подвести каталитические группы ближе к субстратам и таким образом ускорить химическую реакцию. Возможно, ферментативный катализ представляет собой лишь совокупность простых и давно известных каталитических механизмов, которые заключены в активный центр фермента и высекают оттуда ту самую искру, из которой разгорается жизнь?

До недавнего времени все специалисты по ферментам в один голос ответили бы вам: да, так и есть. Общепринятая теория переходного состояния и ее описания различных процессов, продлевающих промежуточные состояния, считались лучшим объяснением принципа действия ферментов. Однако, когда ученые приняли во внимание все сопутствующие факторы, возникли сомнения. Так, например, различные возможные механизмы, ускоряющие реакцию, в ходе которой распадается пептидная связь (мы говорили о них выше в этой главе), хорошо изучены. Каждый из них в отдельности увеличивает коэффициент усиления в 100 раз. Если же совместить все эти факторы, реакция будет протекать в миллион раз быстрее. И все же такое ускорение ничтожно мало по сравнению с коэффициентом усиления реакции с участием фермента: кажется, между теорией и практикой пролегла пропасть.

Еще один интересный вопрос заключается вот в чем: как различные изменения в структуре ферментов влияют на их же активность. Например, коллагеназа, как все ферменты, состоит в основном из белковой основы, на которой держатся челюсти и зубы фермента, расположенные в его активном центре. Можно предположить, что замена аминокислот, формирующих челюсти и зубы активного центра, повлечет изменения в эффективности фермента. Так и есть. Более того, замена аминокислот, расположенных далеко от активного центра фермента, также весьма серьезно будет влиять на его эффективность. Теория переходного состояния пока не может объяснить, почему такие, казалось бы, незначительные изменения в структуре фермента влекут за собой такие серьезные последствия. Оказывается, этот вопрос проясняется благодаря объяснительной силе квантовой механики. Мы вернемся к этому обсуждению в последней главе нашей книги.

Стоит упомянуть и о том, что теория переходного состояния так и не предложила ни одного способа создать искусственный фермент, который действовал бы как настоящий. Вспомните знаменитое высказывание Ричарда Фейнмана: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Это можно сказать и о ферментах, поскольку, несмотря на то что нам известно о них практически все, никому еще не удалось получить искусственный фермент, который имел бы такой же коэффициент ускорения реакции, как любой природный фермент[38]. Согласно критерию Фейнмана, мы до сих пор не понимаем, как действуют ферменты.

Однако взгляните еще раз на рис. 3.4 и попробуйте ответить на вопрос, что делает фермент. Ответ достаточно очевиден: ферменты манипулируют отдельными атомами, протонами и электронами внутри молекул и в межмолекулярном пространстве. До сих пор мы говорили о том, что все эти частицы ведут себя словно крошечные сгустки электрического заряда, перекатывающиеся туда-сюда внутри шаростержневых молекул. Тем не менее, как мы узнали из содержания данной главы, электроны, протоны и даже целые атомы вовсе не похожи на обычные шары, поскольку они подчиняются законам квантовой механики, включая те странные законы, которые связаны с явлением когерентности. В макромире — мире бильярдных шаров — эти законы нейтрализуются процессом декогеренции. Все же бильярдные шары — не очень подходящая модель для описания элементарных частиц. Итак, чтобы понять, что на самом деле происходит внутри активного центра фермента, мы должны отвлечься от представлений, навязанных классической физикой, и погрузиться в удивительный мир квантовой механики. В этом мире объекты могут участвовать одновременно в двух или ста процессах, образовывать таинственные связи между собой и преодолевать непроницаемые барьеры. Подобных трюков не совершал еще ни один бильярдный шар.

Помыкание электронами

Как мы уже знаем, одно из основных действий фермента заключается в том, чтобы перемещать электроны внутри молекул субстратов. Так, например, коллагеназа перемещает электроны внутри молекулы пептида. Однако электроны могут менять местоположение не только внутри молекул. Их можно переносить из одной молекулы в другую.

Самый обычный тип реакции с переносом электронов в химии протекает в ходе окисления. Реакция окисления происходит, когда в атмосфере воздуха сгорают углеродные виды топлива, например уголь. Окисление заключается в переходе электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору. При горении куска угля высокоэнергетические электроны атомов углерода перемещаются и участвуют в формировании низкоэнергетических связей внутри атомов кислорода, способствуя образованию углекислого газа. Данная реакция сопровождается интенсивным выделением тепла от пламени. Мы используем тепловую энергию, выделяющуюся в результате горения, для обогрева домов, приготовления пищи, превращения воды в пар, который приводит в движение паровоз или раскручивает турбину для производства электричества. Тем не менее горение угля или двигатели внутреннего сгорания представляют собой весьма примитивные и неэффективные виды использования энергии электронов. Очень давно природа открыла намного более эффективный способ освоения этой энергии — через процесс дыхания.

Мы привыкли к представлениям о дыхании как о двухэтапном процессе: первый этап — вдох, то есть наполнение легких необходимым кислородом, и второй этап — выдох, то есть выделение углекислого газа как побочного продукта. Однако на самом деле дыхание представляет собой комбинацию из первого (подача кислорода) и последнего (выделение углекислого газа) этапов более сложного и упорядоченного молекулярного процесса, который протекает в каждой клетке нашего организма, а именно в сложных органеллах[39] под названием «митохондрии». Своим внешним видом митохондрии похожи скорее на бактериальные клетки, запрятанные внутрь наших животных клеток, поскольку они имеют собственные структурные единицы (мембраны) и даже собственную ДНК. Кстати, весьма вероятно, что митохондрии появились в результате захвата симбиотических бактерий предками современных животных и растительных клеток. Этот «захват» произошел сотни миллионов лет назад, и с тех пор захваченные клетками бактерии утратили способность существовать отдельно. Тем не менее вероятное происхождение митохондрий от независимых бактериальных клеток объясняет их способность совершать такой невероятно сложный процесс, как дыхание. К слову, если говорить о химической сложности процессов, дыхание занимает едва ли не второе место, уступая по сложности лишь фотосинтезу, о котором мы поговорим в следующей главе.

Чтобы понять, какую роль здесь играет квантовая механика, стоит упрощенно объяснить, что происходит в процессе дыхания. Однако даже в упрощенном виде дыхание представляет собой последовательность удивительных процессов, которые являют собой настоящее чудо, создаваемое биологическими наномеханизмами. Дыхание начинается со сгорания углеродного топлива — в данном случае питательных веществ, которые мы получаем с пищей. Так, углеводы распадаются в желудочно-кишечном тракте человека на моносахариды, в том числе глюкозу, которые попадают в кровь и доставляются ею к клеткам, нуждающимся в энергии. Кислород, необходимый для сжигания этого сахарного топлива, поставляется к тем же клеткам через кровь из легких. Как и при сгорании угля, электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов углерода в молекуле, перемещаются в молекулу восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). Однако вместо мгновенного сцепления с атомами кислорода электроны переносятся от одного фермента к другому по внутриклеточной дыхательной цепи белков, словно палочка, которую бегуны передают друг другу во время эстафетной гонки. В каждом звене этой цепи переноса электрон попадает в более низкое энергетическое состояние, при этом разница в энергии используется для того, чтобы привести в действие ферменты, которые выкачивают протоны из митохондрий. Протон, вытесненный из митохондрии, затем используется для приведения в действие еще одного фермента — АТФазы, образующего молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ играет важную роль для всех живых клеток, а именно роль источника энергии, которая быстро переносится по клетке. АТФ обеспечивает энергией такие важные для организма процессы, как движение и сокращение мышц.

По своим функциям ферменты, приводимые в действие электронами и выкачивающие протоны, напоминают гидроаккумулирующую электростанцию, которая создает запас энергии, закачивая воду на горный склон. Аккумулируемая энергия в любой момент может быть высвобождена — стоит только пустить воду вниз по склону, и она запустит турбину, которая начнет производить электрическую энергию. Подобным образом ферменты дыхательной цепи выкачивают протоны из митохондрий. Когда протоны выходят из митохондрий наружу, они приводят в действие своего рода внутриклеточную турбину — фермент АТФазу. Фермент начинает свою работу и обусловливает очередной молекулярный танец, в результате которого из молекулы фермента и фосфатной группы образуется АТФ.

Продолжая нашу аналогию процесса порабощения энергии с эстафетной гонкой, представим, что вместо палочки бегуны передают друг другу бутылку с водой (бутылка символизирует энергию электронов). Кроме того, каждый спортсмен (представляющий фермент) сначала отпивает глоток воды из бутылки и только затем передает ее следующему бегуну. Так продолжается до тех пор, пока оставшаяся в бутылке вода не выливается в стоящее на финише ведро (кислород). Захват энергии электрона мелкими порциями делает весь процесс более эффективным по сравнению с вливанием электронов напрямую в кислород — потери тепловой энергии практически не происходит.

Итак, основные этапы дыхательного процесса вовсе не привычные для нас вдох и выдох, а упорядоченная передача электронов в эстафетной гонке с участием ферментов, которая проходит внутри наших клеток. Каждое звено цепи, на котором осуществляется передача электрона от одного фермента другому, составляет в длину несколько десятых ангстрема. В это расстояние укладывается много атомов, поэтому предполагалось, что электроны не могут перескочить через такую пропасть. Загадка дыхательного процесса заключается в том, как ферментам удается так быстро и успешно перебрасывать электроны через подобные молекулярные пропасти.

Впервые этим вопросом задался еще в начале 1940-х годов американский биохимик венгерского происхождения Альберт Сент-Дьерди, ставший в 1937 году лауреатом Нобелевской премии по медицине за открытие витамина C. В 1941 году Сент-Дьерди выступил с публичной лекцией «Навстречу новой биохимии». В ней ученый высказал предположение о том, что легкость, с которой электроны передаются от одной биомолекулы к другой, напоминает движение электронов в полупроводниках, например внутри кремниевых кристаллов, используемых в электронике. Однако всего через несколько лет было обнаружено, что белки плохо проводят электричество, поэтому электроны передаются от фермента к ферменту вовсе не тем способом, о котором говорил Сент-Дьерди.

Значительные успехи в химии были достигнуты в 1950-е годы. Выдающейся фигурой того времени является канадский химик Рудольф Маркус, основоположник теории, которая впоследствии была названа его именем (теория Маркуса). Теория Маркуса предлагает объяснение скорости, с которой электроны движутся и переходят из одних атомов и молекул в другие. За вклад в теорию переноса электронов Маркус был удостоен Нобелевской премии по химии в 1992 году.

Тем не менее полвека назад ответ на вопрос о том, каким образом ферменты, в особенности ферменты дыхательной цепи, способны совершать передачу электронов с высокой скоростью через громадные по молекулярным меркам расстояния, оставался загадкой. Существовало предположение о том, что белки последовательно сменяли друг друга в цепи, работая по принципу заводных механизмов, которые подводили далекие друг от друга молекулы на близкое расстояние, таким образом позволяя электронам совершать прыжок из одной в другую. В дополнение к этому предположению высказывалась важная идея о том, что действие подобного механизма будет значительно замедляться при низких температурах, когда возникнет недостаток тепловой энергии, необходимой для запуска этого заводного механизма. Однако в 1966 году произошел первый мощнейший прорыв в истории квантовой биологии, заключавшийся в результатах экспериментов, которые провели в Пенсильванском университете два американских химика — Дон Де-волт и Бриттон Чанс. Ученые доказали, что, вопреки ожиданиям, скорость переноса электронов ферментами дыхательной цепи не снижается при низких температурах[40].

Дон Де-волт родился в 1915 году в штате Мичиган, однако во время Великой депрессии его семья переехала на Запад. Он учился в Калифорнийском технологическом институте, а также в Калифорнийском университете в Беркли и получил докторскую степень по химии в 1940 году. Де-волт был ярым борцом за права человека. Во время Второй мировой войны он провел некоторое время в заключении за уклонение от военной службы. В 1958 году он отказался от должности профессора химии в Калифорнийском университете и переехал в штат Джорджия, где принимал активное участие в борьбе за расовое равноправие. Он обладал силой убеждения, был всей душой предан идее прав человека. Кроме того, он был сторонником мирных протестов, поэтому оказывался беспомощным в случае нападений, которые случались во время демонстраций с участием чернокожих активистов. Во время одного из маршей протеста ему сломали челюсть, когда на группу белых и чернокожих протестующих напала толпа. Однако это его не остановило.

В 1963 году Де-волт получил должность в Пенсильванском университете и стал работать вместе с Бриттоном Чансом, который был всего на два года старше, однако уже прославился на весь мир как один из самых выдающихся ученых в своей отрасли. Чанс получил две докторские степени — по физической химии и по биологии, поэтому его «отрасль» была достаточно широка, а научные интересы — многообразны. Большую часть времени он посвящал изучению структуры и функций ферментов, однако у него оставалось время и на занятия спортом: в 1952 году он стал золотым призером Олимпийских игр в парусном спорте.

Чанса интересовал вопрос о том, каким образом свет способствует передаче электронов от дыхательного фермента цитохрома к кислороду. Совместно с Мицуо Нишимура Чанс обнаружил, что перенос электронов из цитохрома к кислороду осуществляется внутри бактерии Chromatium vinosum даже в том случае, если ее клетки охлаждаются до температуры жидкого азота, то есть до –190 °C[41]. Однако было неясно, претерпевал ли процесс передачи электронов какие-либо изменения со снижением температуры. Ответ на этот вопрос мог бы пролить свет на работу всего молекулярного механизма, участвующего в передаче электронов. Чанс понял, что необходимо придать большую скорость начальному этапу реакции короткой, но сильной вспышкой света. Вот где пригодился опыт Дона Де-волта, который несколько лет проработал научным консультантом в небольшой компании, занимавшейся разработкой лазера, способного производить подобные световые импульсы.

Де-волт и Чанс провели совместный эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал короткую вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. Ученые обнаружили, что при снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Это и ожидалось в случае, если процесс переноса электронов зависел только от количества тепловой энергии. Тем не менее, когда Де-волт и Чанс установили температуру реакции ниже 100 К, произошло нечто странное. Скорость процесса переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и продолжала оставаться неизменной, пока температура не упала до 35° выше абсолютного нуля (–238 °C). Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов, описанных выше. За ответом вновь следует отправиться в квантовый мир, а именно рассмотреть такое явление, как квантовое туннелирование, которое мы упоминали в главе 1.

Квантовое туннелирование

Из главы 1 вы, должно быть, помните, что квантовое туннелирование — это процесс, в ходе которого частицы преодолевают непреодолимые барьеры с той же легкостью, с какой звук проходит сквозь стены. Квантовое туннелирование было открыто в 1926 году немецким физиком Фридрихом Хундом и вскоре после этого было успешно использовано Георгием Гамовым, Рональдом Гернеем и Эдвардом Кондоном для объяснения понятия радиоактивного распада, причем все трое применили при этом новую в то время математику квантовой механики. Квантовое туннелирование стало одним из главных понятий ядерной физики, а впоследствии нашло широкое применение в материаловедении и химии. Как мы уже говорили, этот эффект имеет огромное значение для земной жизни, поскольку именно благодаря ему пары положительно заряженных ядер водорода, находящиеся внутри Солнца, сливаются воедино, начиная тем самым процесс превращения водорода в гелий, при котором выделяется огромное количество солнечной энергии. И все же до недавнего времени никто не предполагал, что квантовое туннелирование как-то связано с процессами, протекающими в живой материи.

Квантовое туннелирование можно понимать как способ, с помощью которого частицы, находящиеся сначала по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону, причем здравый смысл подсказывает, что этот способ невозможен. Под «барьером» мы подразумеваем физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства — что-то похожее на силовые поля из научной фантастики. Такой барьер может представлять собой узкий участок изоляционного материала, разделяющего проводники, или пустое пространство, например расстояние между двумя ферментами в дыхательной цепи. Он также может быть чем-то вроде энергетического «холма», который мы описывали выше, и ограничивать скорость протекания химических реакций (см. рис. 3.1). Представьте себе мячик, который толкнули вверх по склону невысокого холма. Для того чтобы мячик докатился до вершины, а затем скатился вниз по другому склону, необходимо толкнуть его достаточно сильно. Поднимаясь по склону, мяч будет замедлять движение и без необходимого количества энергии (полученной при достаточно сильном толчке) просто остановится и скатится туда, откуда его толкнули. Согласно классической механике Ньютона, единственный способ заставить мяч преодолеть барьер в виде вершины холма заключается в том, чтобы придать ему достаточное количество энергии для преодоления этой «энергетической» вершины. Но если бы на месте мяча оказался, скажем, электрон, а холм представлял бы собой барьер энергии отталкивания, существовала бы вероятность того, что электрон преодолел бы этот барьер в виде волны, прокладывая себе альтернативный и более эффективный путь. Это и есть квантовое туннелирование (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Квантовое туннелирование сквозь энергетический ландшафт

Важной особенностью квантового мира является то, что чем легче частица, тем легче она преодолевает энергетический барьер. Следовательно, ничего удивительного нет в том, что, как только стало понятно, что этот процесс — обычное явление для внутриатомного мира, ученые быстро обнаружили, что наиболее распространено в квантовом мире именно туннелирование электронов, поскольку они представляют собой чрезвычайно легкие элементарные частицы. Эмиссия электронов из металлов под действием электрического поля была описана в конце 1920-х годов именно как туннельный эффект. Квантовое туннелирование объяснило и то, как именно происходит радиоактивный распад: ядра определенных атомов, например урана, вдруг выбрасывают частицу. Этот пример считается первым успешным применением квантовой механики для решения проблем ядерной физики. В современной химии также подробно описано квантовое туннелирование электронов, протонов (ядер водорода) и даже более тяжелых атомов.

Важной особенностью квантового туннелирования является его зависимость (как и многих других квантовых явлений) от волновой природы частиц вещества. Однако тело, состоящее из большого количества частиц, которым необходимо преодолеть барьер, должно поддерживать такие условия, в которых волновые аспекты всех его составляющих подходили бы друг другу (например, совпадали бы длины волн). Иными словами, тело должно представлять собой то, что мы назвали бы когерентной системой или попросту системой, работающей «в унисон». Декогеренция описывает процесс, в ходе которого множество квантовых волн стремительно выбиваются из общего ритма и нарушают общее когерентное поведение, лишая тело способности к квантовому туннелированию. Частица может участвовать в квантовом туннелировании, только если она сохраняет волновые свойства, необходимые для преодоления барьера. Вот почему крупным объектам, например футбольным мячам, не свойственно квантовое туннелирование: они состоят из триллионов атомов, поведение и волновые свойства которых невозможно скоординировать и превратить в когерентную систему.

По квантовым меркам живые клетки также являются крупными объектами, поэтому с первого взгляда возможность квантового туннелирования в теплой и влажной среде живых клеток, где атомы и молекулы движутся в основном беспорядочно, кажется невероятной. Однако, как мы уже выяснили, внутренне строение фермента отличается от неупорядоченной среды клетки: движение его частиц представляет собой скорее хорошо поставленный танец, нежели суетливую толкотню. Давайте разберемся, насколько важна эта хореография частиц для жизни.

Квантовое туннелирование электронов в биологии

Де-волт и Чанс провели свой знаменитый эксперимент в 1966 году. Прошло всего несколько лет, и неожиданный температурный профиль эксперимента оказался вполне объяснимым. Джон Хопфилд — еще один американский ученый, сфера интересов которого охватывает несколько научных дисциплин — от молекулярной биологии и физики до компьютерных технологий. Хопфилд знаменит прежде всего как изобретатель ассоциативной нейронной сети, однако его всегда интересовали также и физические процессы, имеющие большое значение для биологии. В 1974 году он опубликовал работу под названием «Перенос электронов между биомолекулами путем термоактивированного туннелирования»[42], в которой предложил теоретическую модель, объясняющую результаты эксперимента Де-волта и Чанса. Хопфилд указал на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний будет недостаточно для того, чтобы поддержать ферментативную реакцию. Однако Де-волт и Чанс обнаружили, что реакция не прекращается при низких температурах. Хопфилд предположил, что при низких температурах электрон приводится в положение, при котором он оказывается на середине склона энергетического холма, при этом расстояние до вершины, которое он должен преодолеть, становится короче, а шансы на успешное осуществление квантового туннелирования — выше. И он оказался прав: перенос электронов путем туннелирования происходит даже при очень низких температурах, как и показали Де-волт и Чанс.

В наши дни не многие ученые ставят под сомнение тот факт, что электроны путешествуют по дыхательным цепям путем квантового туннелирования. Это позволяет отнести важнейшие реакции покорения энергии в живых и (нефотосинтезирующих) микробных клетках строго к сфере квантовой биологии (о фотосинтезирующих клетках мы будем говорить в следующей главе). Однако электроны очень легкие, даже по меркам квантового мира, а их поведение явно имеет волновую природу. Таким образом, их движение нельзя описывать как хаотичное толкание и отскакивание друг от друга по аналогии с классическими маленькими частицами, несмотря на то что во многих стандартных работах по биохимии, опирающихся на планетарную модель атома, их движение описывается именно так. Намного более обоснованными и подходящими являются представления об электронах в атоме как о расфокусированном волновом облаке «электронности», которое окружает крошечное ядро, — «облаке вероятности», о котором мы говорили в главе 1. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что электронные волны способны проходить сквозь энергетические барьеры, словно звуковые волны сквозь стены (см. главу 1), даже в биологических системах.

А как насчет более крупных частиц, таких как протоны или даже целые атомы? Возможно ли их участие в квантовом туннелировании в биологических системах? Скорее всего, вы думаете, что это невозможно. Даже один протон в две тысячи раз тяжелее электрона, а ведь известно, что механизм квантового туннелирования весьма избирателен в этом плане: маленькие частицы легко преодолевают барьеры, в то время как крупные частицы испытывают в этом значительные трудности до тех пор, пока расстояние до вершины барьера не становится слишком малым. Тем не менее недавние блистательные эксперименты показали, что даже относительно крупные частицы осуществляют квантовое туннелирование в ходе ферментативных реакций.

Перемещение протонов

Как вы помните, фермент коллагеназа (см. рис. 3.4) не только стимулирует перенос электронов, но и перемещает протоны с целью ускорить распад коллагеновой цепи. Как уже упоминалось, данная реакция является одним из самых распространенных типов манипулирования частицами, которое осуществляют ферменты. Перемещение атома водорода происходит в каждой третьей реакции с участием ферментов. Обратите внимание на то, что под словосочетанием «атом водорода» могут подразумеваться разные частицы: нейтральный атом водорода (H), состоящий из электрона, окружающего ядро атома (протон); положительно заряженный ион водорода (H⁺), представляющий собой голое ядро — протон без электрона; или отрицательно заряженный ион — атом водорода с дополнительным электроном (H^-).

Как скажет вам любой уважающий себя химик или биохимик, перемещение атомов (хорошо, протонов) водорода внутри одной молекулы или между двумя разными не обязательно подразумевает некий квантовый эффект или по крайней мере явление, для объяснения которого мы должны обращаться к замысловатым процессам квантового мира, например к туннелированию. В самом деле, считается, что в большинстве реакций, протекающих при температурах, при которых возможна жизнь, протоны перемещаются от молекулы к молекуле в основном неквантовыми тепловыми скачками. Однако туннелирование протонов происходит в ходе нескольких реакций, для которых характерна относительная независимость от температуры — реакций, похожих на ту, которую провели Де-волт и Чанс, чтобы продемонстрировать туннелирование электронов.

Жизнь возможна при высоких температурах (по меркам квантового мира). Поэтому на протяжении почти всей истории биохимии ученые полагали, что перенос протонов в ферментативных реакциях обусловлен исключительно неквантовым механизмом скачка через энергетический барьер[43]. Уверенность биохимиков пошатнулась в 1989 году, когда Джудит Клинман и ее коллеги из Беркли впервые доказали участие протонов в квантовом туннелировании в ходе ферментативных реакций[44]. Клинман давно указывала на большое значение туннелирования протонов для молекулярного механизма жизни. Более того, она утверждала, что это один из самых важных и наиболее распространенных механизмов во всей биологии. Открытие было совершено ею в ходе изучения конкретного фермента, а именно алкогольдегидрогеназы (АДГ), чья функция заключается в переносе протона из молекулы спирта в другую небольшую молекулу НАД+ и образовании НАДН (никотинамидадениндинуклеотида, молекулы, о которой мы уже говорили как об основном энергетическом барьере клетки). Команде ученых под руководством Клинман удалось подтвердить возможность туннелирования протонов, используя искусную технику кинетического изотопного эффекта. Эта идея хорошо известна в химии и заслуживает нашего с вами внимания, поскольку она доказывает едва ли не главное предположение квантовой биологии. На протяжении книги мы еще много раз будем обращаться к кинетическому изотопному эффекту.

Кинетический изотопный эффект

Вы когда-нибудь пробовали заехать на вершину холма на велосипеде? Если пробовали, то вас наверняка обгоняли пешеходы. На ровной дороге вы, управляя велосипедом, без труда обогнали бы всех пешеходов и даже бегунов. Так почему же езда на велосипеде по склону холма становится менее продуктивной?

Теперь представьте себе, что вы слезли с велосипеда и идете пешком, ведя его за собой по ровной дороге или по склону холма. Сейчас все очевидно. Идя по склону, вы не только должны сами подниматься, но и толкать вверх велосипед. Вес велосипеда, который не имел особого значения при езде по горизонтальной поверхности, теперь работает против вас, когда вы пытаетесь подняться на вершину холма: вы тянете на себе велосипед, на протяжении многих метров преодолевая силу притяжения Земли. Вот почему производители гоночных велосипедов придают большое значение тому, насколько легкой будет модель велосипеда. Безусловно, вес объекта имеет большое значение в том случае, если его придется двигать человеку, однако наш пример с велосипедом скорее говорит о том, что важен не только вес объекта, который приходится толкать, но и тип движения.

А сейчас вообразите, что вам хочется узнать, какая между двумя городами, скажем А и Б, пролегает местность: ровная или холмистая. При этом у вас не было возможности поехать в эти города и проверить это лично. Если вам известно, что между этими городами есть почтовое сообщение, причем почтальоны используют легкие и тяжелые велосипеды, один из вариантов выяснить особенности рельефа таков: необходимо отправить наборы одинаковых посылок из одного города в другой, при этом половину посылок передать с почтальонами на легких велосипедах, а вторую — с почтальонами на тяжелых. Если выяснится, что доставка всех ваших посылок заняла примерно одинаковое время, вы можете сделать вывод о том, что между городами местность скорее ровная. Если же доставка посылок на тяжелых велосипедах заняла гораздо больше времени, вы поймете, что местность между А и Б скорее холмистая. Таким образом, наши почтальоны-велосипедисты занимаются зондированием неисследованных территорий.

Атомы любого химического элемента бывают, как и велосипеды, разного веса. Возьмем, к примеру, водород — самый простой элемент, который тем не менее представляет для нас с вами большой интерес. Каждый элемент определяется количеством протонов в ядре, которое совпадает с количеством электронов, окружающих ядро. Так, в ядре водорода находится один протон, в ядре гелия — два, лития — три и т. д. Однако ядра атомов содержат не только протоны, но и нейтроны, о которых мы упоминали в главе 1, когда говорили о слиянии ядер водорода внутри Солнца. Если в ядро попадают нейтроны, он становится тяжелее и его физические свойства меняются. Атомы одного элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Обычный изотоп водорода — самый легкий, поскольку состоит только из одного протона и электрона. Это самая распространенная форма водорода. Существует еще два более редких изотопа водорода: дейтерий (D), имеющий один лишний электрон, и тритий (T), у которого два лишних электрона.

Поскольку химические свойства элементов обусловливаются в основном количеством электронов в атомах, разные изотопы одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов в атомных ядрах, будут иметь очень сходные, однако не идентичные химические свойства. Кинетический изотопный эффект показывает, насколько чувствительна химическая реакция к замене атомов в молекуле реагирующего вещества на более тяжелые изотопы. Он определяется как отношение скоростей реакции, протекающей с тяжелыми и легкими изотопами. Например, если в реакции участвует вода, тогда атомы водорода в молекулах H₂O могут заменяться своими более тяжелыми собратьями — дейтерием и тритием, образуя соответственно молекулы D₂O или T₂O. Точно как наши почтальоны на велосипедах, реакция может отреагировать на изменение веса атомов, а может и не отреагировать — все зависит от пути, который выберут вещества, вступающие в реакцию, чтобы в итоге стать ее продуктами.

Существует несколько механизмов, обеспечивающих сильные кинетические изотопные эффекты. Одним из этих механизмов является квантовое туннелирование — процесс, который, как и езда на велосипеде, зависит от массы частицы, пытающейся преодолеть барьер. Чем больше масса частицы, тем меньше проявляются ее волновые свойства, а следовательно, тем ниже вероятность того, что частица преодолеет энергетический барьер. Поэтому увеличение массы атома вдвое, например, в случае замены обычного изотопа водорода дейтерием резко снижает вероятность его участия в квантовом туннелировании.

Таким образом, наличие сильного кинетического изотопного эффекта может свидетельствовать о том, что механизм реакции — путь от реагирующих веществ до продуктов — подразумевает квантовое туннелирование. Однако это не единственно возможный вывод, поскольку эффект может быть обусловлен и классическими химическими явлениями, не связанными с законами квантовой механики. Но если в ходе реакции имеет место именно квантовое туннелирование, реакция должна определенным образом отреагировать на изменение температуры: ее темп перестает ускоряться и выравнивается при низкой температуре, как и показал опыт Де-волта и Чанса в случае туннелирования электронов. То же самое показали опыты Клинман и ее команды для фермента АДГ, причем в ходе экспериментов были получены строгие доказательства того, что квантовое туннелирование было в данном случае частью механизма реакции.

Команде ученых под руководством Клинман удалось получить важные доказательства того, что туннелирование протонов часто происходит в ходе ферментативных реакций при температурах, при которых также протекают жизненные процессы. Другие коллективы ученых, в том числе и группа под руководством Найджела Скраттона из Манчестерского университета, проводили подобные эксперименты с другими ферментами и наблюдали кинетические изотопные эффекты, указывающие на то, что реакция сопровождается квантовым туннелированием[45]. И все же вопрос о том, каким образом ферменты поддерживают квантовую когерентность и способствуют возникновению туннельного эффекта, остается противоречивым. Некоторое время считалось, что ферменты не статичны, что в ходе реакций они постоянно совершают колебания, движутся. Например, «челюсти» коллагеназы открываются и захлопываются каждый раз, когда они разрывают коллагеновую связь. Ученые полагали, что подобные движения, наблюдающиеся в ходе реакции, являются случайными либо призваны захватить субстраты и выровнять и упорядочить все атомы, вступающие в реакцию. Однако в наше время специалисты в области квантовой биологии утверждают, что подобные колебания — так называемые «приводные двигатели» и основная их функция — максимально близко подвести друг к другу атомы и молекулы, чтобы квантовое туннелирование частиц (электронов и протонов) стало возможным[46]. К этой теме — одной из самых захватывающих и быстроразвивающихся в квантовой биологии — мы вернемся в последней главе нашей книги.

Так что же составляет «квантовую часть» квантовой биологии

Каждую отдельную биомолекулу, которая существует или когда-либо существовала в любой живой клетке, создали и разрушили ферменты. Ферменты как никакая другая субстанция близки к понятию «движущих сил жизни». Открытие того, что некоторые (а возможно, и все) ферменты функционируют на основе дематериализации частиц в одном месте пространства и мгновенной их материализации в другой точке, позволяет нам по-новому взглянуть на загадку жизни. Несмотря на то что многие вопросы, связанные с функционированием ферментов, пока не до конца понятны (например, роль перемещения белков), нет сомнений в том, что квантовое туннелирование играет большую роль в механизме их работы.

Несмотря на это, мы не можем не принимать во внимание критических замечаний, высказываемых многими учеными. Они признают открытия Клинман, Скраттона и других исследователей, однако утверждают, что квантовые эффекты играют в биологии такую же роль, как и в работе паровозов: их можно наблюдать, однако они в целом никак не способствуют пониманию того, как функционирует вся система. Данный аргумент нередко звучит в спорах о том, научились ферменты извлекать выгоду из квантовых явлений вроде туннелирования в ходе эволюции или нет. Критики отстаивают мнение, что возникновение квантовых явлений в ходе биологических процессов неизбежно благодаря тому, что большинство биохимических реакций попросту протекают на атомном уровне. Квантовое туннелирование вовсе не волшебство; это явление происходит в нашей Вселенной с самого ее возникновения. Разумеется, то, что является результатом «изобретательности» жизни, не может быть фокусом. И все же мы склонны полагать, что возникновение туннельного эффекта на фоне активности фермента не является неизбежным, учитывая условия внутриклеточной среды — те самые высокие температуры, влажность и сумбурную толкотню молекул.

Как вы помните, пространство живой клетки характеризуется теснотой. Клетка буквально набита молекулами со сложной структурой, которые непрерывно находятся в состоянии волнения и турбулентности, а именно в состоянии хаотичного движения. Напомним, молекулы похожи на разлетающиеся в разные стороны и отталкивающиеся друг от друга бильярдные шары (об этом мы говорили в предыдущем разделе в связи с тем, что заставляет паровоз ехать вверх по склону холма). Как вы помните, именно это хаотичное движение частиц рассеивает и разрушает хрупкую квантовую когерентность, благодаря чему привычный для нас мир кажется нам «нормальным». Ученые не ожидали, что квантовая когерентность может сохраняться при молекулярной турбулентности, поэтому наблюдение таких квантовых эффектов, как туннелирование, в бурном море живой клетки стало удивительным открытием. Каких-то десять или чуть больше лет назад большинство ученых отказались от мысли о том, что туннелирование и другие неустойчивые квантовые явления могут наблюдаться в биологических процессах. Факт, что эти явления были обнаружены в биологических средах, говорит о том, что жизнь принимает особые меры, чтобы извлечь максимальную выгоду из квантового мира и поддерживать работу своих клеток. Но какие именно меры принимает жизнь? Каким образом жизни удается держать основного врага квантового поведения частиц — декогерентность — на расстоянии? Это одна из величайших тайн квантовой биологии, к разгадке которой ученые постепенно продвигаются. Об этом мы поговорим в последней главе нашей книги.

Но прежде, чем начать новую тему нашего разговора, давайте вернемся к тому месту, где мы оставили нашу наноподлодку, а именно в активный центр фермента коллагеназы внутри исчезающего хвоста головастика. Мы быстро покидаем активный центр, как только «челюсти» фермента раскрываются, высвобождая коллагеновую цепочку (и нас с вами). Мы прощаемся с молекулой фермента, похожей на моллюска, который отправляется к следующей пептидной связи в цепи, чтобы разрушить ее. Затем мы совершаем короткое путешествие по организму головастика и наблюдаем обычную работу некоторых других ферментов, которая так же важна для жизнедеятельности организма, как и работа коллагеназы. Следуя за клетками, покидающими исчезающий на глазах хвост головастика и направляющимися в развивающиеся задние конечности, мы наблюдаем возникновение новых коллагеновых волокон, которые прокладываются, словно новые железнодорожные пути, для ускорения формирования организма взрослой лягушки. Зачастую они возникают из тех самых клеток исчезающего хвоста. Новые волокна образуются благодаря ферментам, которые захватывают блоки аминокислот, освобожденные коллагеназой, и сплетают их в новые коллагеновые волокна. У нас нет времени на то, чтобы погрузиться в эти ферменты, однако стоит сказать, что в их активных центрах мы наблюдали бы тот же тщательно поставленный танец, что и в коллагеназе, только с обратной последовательностью движений. Биомолекулы, от которых зависит жизнь, — будь то жиры, ДНК, аминокислоты, белки, сахара — формируются и разрушаются различными ферментами. Кроме того, любое действие, которое совершает молодая лягушка, обусловлено деятельностью ферментов. Например, когда животное замечает муху, электрические импульсы передаются от глаз в мозг посредством особых ферментов-нейромедиаторов, содержащихся в нервных клетках. Когда лягушка выбрасывает свой длинный язык, его мышечные сокращения, благодаря которым лягушка ловит муху и тянет добычу в рот, контролируются другим ферментом — миозином, содержащимся в мышечных клетках. Когда муха попадает в желудок лягушки, в дело вступает целая группа ферментов, ускоряющих переваривание и всасывание питательных веществ. Другие ферменты отвечают за то, чтобы эти питательные вещества трансформировались в ткани организма. Ферменты дыхательной цепи, содержащиеся в митохондриях, помогают трансформировать питательные вещества в необходимую для организма энергию.

Любой этап жизнедеятельности лягушек и всех остальных живых организмов, любой процесс, поддерживающий их и нашу с вами жизнь, поддерживается и ускоряется ферментами — настоящими двигателями жизни. Их каталитические свойства обусловлены способностью некоторых элементарных частиц исполнять отточенные хореографические номера, а значит, и соприкасаться с квантовым миром и использовать в жизненных целях его странные законы.

Однако туннелирование частиц далеко не единственное явление квантового мира, из которого жизнь извлекает для себя выгоды. В следующей главе мы поговорим о том, что в важнейшей химической реакции биосферы участвует еще одно загадочное явление квантового мира.