Биомембраны

Простые вычисления показывают: энергии одного кванта зеленого света достаточно для расщепления мо" лекулы воды на одну молекулу водорода и половину молекулы кислорода.

Кванты синего и фиолетового света обладают даже большей энергией. А вот фотоны желтые или красные уже не способны к расщеплению воды: нужно объединить энергию двух таких фотонов (и это удается растениям).

В последние годы много пишут о преимуществах водорода, водородной энергетики. Вот если бы свет в технических устройствах дробил бы для нас воду на составляющие!.. Такие системы пока еще не созданы, но пути к их реализации указывают растения.

Уже по крайней мере в течение сотен миллионов лет растения успешно разлагают воду на водород и кислород. Ученые доказали: суть фотосинтеза в том и состоит, что вначале растение извлекает из воды водород, а затем использует его для восстановления углекислого газа воздуха до углеводов, образуя биомассу. При этом ненужный растению кислород выделяется в атмосферу как побочный продукт фотосинтеза.

Водород растения получают и используют не в виде газа, а в атомарной форме: газообразный водород быстро бы улетучился и был бы потерян.

Попытку частично воспроизвести процесс фотосинтеза в модельных системах (с использованием хлорофилла в качестве фотокатализатора) сделал советский академик А. А. Красновский.

Опыты были успешными: под действием света водород удалось перенести от одного химического соединения к другому.

Однако Красновский и его сотрудники работали с органическими соединениями (растения же в фотосинтезе в качестве донора водорода используют воду). Кроме того, к сожалению, выход водорода в подобных экспериментах пока еще очень низок.

Причины этого уже достаточно ясны. Разложение воды на водород и кислород - процесс сложный, состоящий из многих стадий. Вначале образуются нестабильные промежуточные продукты. Они с большой вероятностью могут вступить в обратную химическую реакцию, образуя вновь воду. Так становится понятным, отчего в итоге в однородном растворе количество образующегося водорода столь ничтожно. Этим, кстати, и объясняется, почему вода в океанах под действием солнечного света не "закипает" с образованием гремучего газа - смеси водорода с кислородом.

Как же удается растениям осуществить фотосинтез (разложение) воды? В чем тут секрет? Ответы на эти вопросы становятся все более и более ясными для ученых.

Поскольку вода прозрачна для видимого света, он сначала должен быть поглощен фотокатализатором - в растении эту роль играет хлорофилл.

Мы уже говорили о том, что хлорофилл прежде всего органический полупроводник. Грубая схема его действия такова. Вот хмолекула хлорофилла поймала квант света - фотон. И перешла в возбужденное состояние: один из ее электронов поднялся на более высокий энергетический уровень, а на основном уровне осталась электронная недостаточность, называемая электронной "дыркой" (она, естественно, в отличие от электрона заряжена положительно). Дальше есть два пути возвращения хлорофилла в исходное состояние. Либо возбужденный электрон сразу же "заткнет" дырку, а его энергия бесполезно высветится (флюоресценция), либо же электрон, пройдя сложный путь по цепочке, построенной из других молекул, также вернется на круги своя. Но его избыточная энергия, полученная им от солнечного света, теперь будет с пользой потрачена на совершение различных процессов (разложение воды на водород и кислород, синтез богатых энергией химических связей и так далее).

Хлорофилл будет действовать успешно, если "что-то" на достаточное время разъединит электрон и "дырку". Точно так же, если говорить о следующей стадии фотосинтеза - фотолизе воды, необходимо, чтобы какая-то сила развела нестабильные первичные продукты этой реакции, не допустила их встречи.

Модель фотосинтетической мембраны. В нее частично или полностью погружены молекулы глобулярных белков и хлорофилл-белковых комплексов

Что же это за чудодейственный механизм, так выгодно отличающий живые устройства от технических? В чем здесь фокус, секрет?

Природу этих таинственных обстоятельств ученые, изучающие энергетические процессы в живых организмах, начали нащупывать лишь в последние десятилетия.

Что делали прежде? Брали живую ткань и.начинали разрушать ее, дробить, чтобы затем из полученной таким образом кашицы выделить чистые белки-ферменты, катализаторы, выражаясь техническим языком, ответственные за реализацию той или иной функции. Вновь и вновь проводили очистку ферментов, а затем, комбинируя их, пытались воспроизвести те или иные процессы, идущие в живой клетке. И неизменно терпели неудачу.

Тысячи и тысячи опытов заканчивались крахом. Постепенно возникло ощущение: пропущен какой-то важный аспект, упущен некий ключевой момент в жизни клеток.

Истина открывалась постепенно. До 50-х годов клетку представляли этаким химическим котлом, фабрикой, отграниченной клеточной оболочкой от внешней среды.

На схемах представлены наиболее известные гипотезы о структуре биологических мембран; эти гипотезы, или модели, различаются между собой предполагаемым расположением полипептидных цепей (1) и молекул фосфолипида (2)

Затем выяснилось, что клетка разделена мембранами на отсеки, что ж, концепцию единого котла заменили схемой из нескольких котлов, сосуществующих в одной клетке. Но это еще не было решительным разрывом с прежними представлениями.

Важный этап наступил тогда, когда четко осознали: многие ферменты не плавают, как это казалось прежде, в едином "супе", а связаны с внутренними мембранами клетки. Они погружены, крепко вмонтированы в эти мембраны, удерживаются на них столь же определенно, как штепсель в розетке.

Истинное значение мембран сейчас начинает представляться во всей своей полноте. Не просто перегородки, стенки в клетке, но и организаторы, участники идущих здесь процессов, и это последнее, видимо, главная функция мембран.

Вот то недостающее звено, объясняющее, в частности, удивительную эффективность процесса фотосинтеза.

Вероятно, решение задачи технического фотолиза воды и состоит в создании подходящих мембран. Они должны разводить нестабильные первичные продукты разложения воды. Не допускать, чтобы они оставались в опасной зоне, обеспечивать их химическую стабилизацию, прежде чем эти продукты могли бы встретиться и прореагировать менаду собой.

Такие мембраны пока еще не созданы ни в научных лабораториях, ни в промышленности. Однако не существует законов, запрещающих построение подобных мембран. При достаточных усилиях и изобретательности они могут быть реально созданы.

И это одна из серьезнейших задач современной науки.