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.