Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Они могут получать и гораздо больше. Большую долю времени метаногены, как следует из названия, занимаются тем, что производят метан. В среднем метаногены вырабатывают примерно в 40 раз больше отходов (метана и воды), чем органических веществ. Вся энергия, полученная в ходе синтеза метана, идет на перекачивание протонов (рис. 18). Так-то! Метаногены тратят почти 98 % своего энергетического бюджета на создание протонных градиентов при помощи метаногенеза[61] – и менее 2 % на образование новой органической материи. С естественными протонными градиентами и проницаемыми мембранами такие затраты энергии не требуются. Объем доступной энергии при этом почти такой же, но дополнительный расход уменьшается примерно в 40 раз: весьма существенное преимущество! Только представьте: в 40 раз больше энергии! Даже мои маленькие сыновья не превосходят меня настолько. Выше я отметил, что примитивным клеткам должно было требоваться больше углерода и энергии, чем современным. Отсутствие необходимости перекачивать протоны предоставляет гораздо больше углерода и энергии.

Рассмотрим проницаемую клетку, находящуюся в среде с естественным градиентом протонов. Помните, что мы живем в эпоху генов и белков, которые сами являются продуктом естественного отбора, действовавшего на протоклетки. Наша клетка с проницаемыми мембранами может использовать непрерывный поток протонов, чтобы обеспечивать метаболизм углерода при помощи энергопреобразующей гидрогеназы. Этот белок позволяет клетке осуществлять реакцию H2 и CO2 с образованием ацетил-кофермента А, а следом и всех “строительных блоков” жизни. Клетка также может использовать протонный градиент, чтобы осуществлять синтез АТФ при помощи АТФ-синтазы. И, конечно, она может использовать АТФ, чтобы полимеризовать аминокислоты и нуклеотиды с образованием новых белков, РНК и ДНК и, наконец, собственных копий. Важно, что нашим проницаемым клеткам не надо тратить энергию на перекачивание протонов, а значит, они должны хорошо расти, несмотря на слабую эффективность древних ферментов.

Рис. 18. Получение энергии в ходе образования метана.

А. Энергия, которая выделяется в реакции между H2 и CO2, расходуется на транспорт протонов сквозь клеточную мембрану. Фермент гидрогеназа (Hdr) катализирует одновременное восстановление ферредоксина (Fd) и дисульфидной связи (–S – S–, используя два электрона H2. Ферредоксин, в свою очередь, восстанавливает CO2 до метильной группы (–H3), которая связывается с кофактором (R). Метильная группа затем перемещается на второй кофактор (R'), и в процессе выделяется энергия в количестве, достаточном для перекачивания через мембрану двух H+ (или Na+). На финальном этапе группа CH3− восстанавливается группой HS– до метана (CH4). В итоге некоторая часть энергии, выделившейся из H2 и CO2 в ходе образования метана (CH4), сохраняется на клеточной мембране в виде градиента H+ (или Na+).

Б. Протонный градиент непосредственно используется двумя особыми мембранными белками, которые направляют энергию градиента на углеродный и энергетический метаболизм. Энергопреобразующая гидрогеназа (Ech) прицельно восстанавливает ферредоксин (Fd), который снова отдает электроны CO2. Образуется метильная группа (–H3), которая реагирует с CO. Складывается путь Вуда – Льюнгдаля. Подобным образом через АТФ-синтазу благодаря потоку H+ осуществляется синтез АТФ и, тем самым, энергетический обмен.

Однако такие проницаемые клетки привязаны к месту, и их выживание целиком зависит от гидротермальных потоков. Если поток иссякнет или сместится, они обречены. Хуже того: в этих условиях они не могут эволюционировать. Не имеет смысла улучшать параметры мембраны: напротив, если мембрана станет малопроницаемой, протонный градиент быстро нарушится – при условии, что не будет никакого способа избавиться от протонов внутри клетки. Таким образом, клетки, которые приобрели более “современные” непроницаемые мембраны, в ходе естественного отбора должны элиминироваться. Конечно, лишь до тех пор, пока они не научатся перекачивать протоны, но это не менее проблематично – мы уже знаем, что нет смысла перекачивать протоны через проницаемую мембрану. Наше исследование подтверждает, что перекачивание протонов остается невыгодным, даже если уменьшить проницаемость мембраны на целых три порядка.

Разберем это подробнее. У проницаемой клетки в среде с протонным градиентом есть доступ к большому количеству энергии, которого достаточно для того, чтобы обеспечить ее углеродный и энергетический метаболизм. Если в результате некоего эволюционного фокуса полностью функциональный насос будет помещен в мембрану, это не будет иметь смысла: энергии с насосом будет столько же, сколько без насоса. (Перекачивание протонов сквозь проницаемую мембрану бессмысленно – они возвращаются обратно.) Попробуем уменьшить проницаемость мембраны в десять раз: энергии не становится больше. А в сто раз? То же самое. В тысячу? Бесполезно. Почему? Уменьшая проницаемость мембраны, мы получаем возможность перекачивать протоны эффективнее, но при этом нарушается их природный градиент, и энергию становится неоткуда брать. Перекачивать протоны выгодно лишь тогда, когда в мембране много насосов, а сама мембрана почти непроницаема. И это серьезная проблема: ни насосы, ни современные малопроницаемые мембраны сами по себе не давали никаких преимуществ, а значит, не могли закрепиться. Однако они существуют. Так что мы упускаем из виду?

Сейчас я расскажу историю, которая служит прекрасным примером того, как действует научная интуиция. Мы с Биллом Мартином размышляли над этим вопросом, и вдруг нас осенило: метаногены используют белок-антипортер. Эти метаногены выкачивают ионы натрия (Na+), а не протоны (H+), но все равно у них есть проблемы, связанные с тем, что протоны накапливаются внутри. Антипортер обменивает Na+ на H+, работая по принципу двустороннего турникета или карусельной двери. На каждый Na+, который входит в клетку, приходится один выходящий H+. Это протонная помпа, работающая за счет градиента натрия. Однако антипортеры неразборчивы: им все равно, в каком направлении работать. Если градиент H+ превышает градиент Na+, антипортер может легко начать работать в обратном направлении: при вхождении в клетку одного H+ один Na+ будет выходить наружу. Ага! Если бы наша клетка с проницаемой мембраной, сидящая в гидротермальном источнике, приобрела антипортер Na+/H+, он функционировал бы как Na+-помпа, работающая за счет протонов! На каждый H+, входящий в клетку через антипортер, один Na+ должен был ее покидать. Теоретически антипортер мог преобразовывать природный протонный градиент в биохимический градиент натрия. Но что именно это нам дает? Я должен подчеркнуть, что это мысленный эксперимент на основе известных свойств белка. Но, согласно нашим расчетам, их роль может быть удивительно важна. Как правило, липидные мембраны примерно на шесть порядков менее проницаемы для Na+, чем для H+. Мембрана, высокопроницаемая для протонов, почти не пропускает ионы натрия. Выкачайте протон – и он тут же вернется. Выкачайте ион натрия из той же самой клетки – и вы еще долго его не увидите. Это значит, что антипортер может работать за счет природного градиента протонов: на каждый H+, входящий в клетку, один Na+ будет выталкиваться. Пока мембрана остается проницаемой для протонов, как и раньше – поток протонов через антипортер не будет утихать, способствуя выходу Na+. Так как мембрана менее проницаема для Na+, выброшенный Na+ скорее останется снаружи. Вернее, он будет заходить обратно в клетку через мембранные белки, а не возвращаться прямо через мембрану, просачиваясь между липидами. Это означает, что энергия потока ионов Na+ может быть использована для выполнения полезной работы.