Митчелл (Mitchell), Питер Деннис

Английский биохимик Питер Деннис Митчелл родился в Митчеме (графство Суррей), в семье служащего Кристофера Гиббса Митчелла и Беатрис Дороти (Тэплан) Митчелл. Он окончил Королевский колледж в Тонтоне, где занимался у Ч.Л. Уайзмана, математика и музыканта. Однако вступительные экзамены в колледж Иисуса Кембриджского университета Митчелл сдал так плохо, что, если бы не рекомендательное письмо Уайзмана, не был бы принят туда в 1939 г.

В Кембридже Митчелл изучал химию, физиологию, математику и биохимию и в 1943 г. получил степень бакалавра с отличием. В том же году он приступил к подготовке докторской диссертации по биохимии под руководством Дж.Ф. Даниэлли, в лаборатории которого занимался исследованием процесса переноса биохимических субстанций через клеточные мембраны, одновременно продолжая изучение биохимии. В 1950 г. ему была присуждена докторская степень за диссертацию о механизме действия пенициллина – открытого в 1928 г. Александером Флемингом антибиотика, который воздействует на клеточные мембраны, подвергнувшиеся «нападению» бактерий.

После получения докторской степени Митчелл был назначен демонстратором биохимической кафедры в Кембридже. Здесь Митчелл исследовал механизм окислительного фосфорилирования (таким путем образуется 95 процентов энергии у аэробных организмов) и очень похожий на него механизм фотосинтетического фосфорилирования (при котором большое количество необходимой для своей жизнедеятельности энергии растения получают от солнца). В то время эти два механизма относились к числу крупных нерешенных проблем биохимии.

Вопрос, каким образом организмы генерируют энергию, как они ее преобразовывают и используют при движении и биосинтезе, занимал не только Митчелла, но и других ученых. К 1955 г. биохимики признали теорию Фрица Липмана, согласно которой аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) служит универсальным источником энергии. Функции обменных процессов, таких, как дыхание, ферментация и фотосинтез, невозможны без АТФ, т.к. именно она поддерживает различные энергетические процессы с помощью своих богатых энергией фосфорильных связей. Таким образом, четко вырисовывались главные контуры биоэнергетики (науки о передаче энергии живыми организмами), оставалось только отработать детали на молекулярном уровне.

Задача эта, однако, была чрезвычайно трудной, поскольку ферменты окислительного и фотосинтетического фосфорилирования тесно связаны с липопротеидами мембран митохондрии (крошечными круглыми или палочкообразными структурами в цитоплазме клеток) и хлоропластами (содержащими хлорофилл органоидами клеток растений и животных). Эта тесная связь служила препятствием для проведения какого бы то ни было детального молекулярного анализа в растворах.

Целый ряд исследователей занимался описанием главных структур механизма окислительного фосфорилирования. Они узнали, что в процессе дыхания электроны от различных субстратов (веществ, подвергающихся действию фермента) к кислороду переносит своего рода каскад ферментов. Синтез АТФ следует за каталитическим действием ферментного комплекса, известного как АТФ-аза (аденозинтрифосфатаза). Что касается хлоропластов, то электроны, высвобождаемые при поглощении света хлорофилла-ми, продвигаются через серию носителей к своей конечной цели – воде. Синтез АТФ осуществляется комплексом АТФ-азы с молекулярной структурой, очень напоминающей структуру митохондриальных мембран. В ходе этого исследования возник важный вопрос: каким образом энергия, освобожденная в ходе переноса электронов, «толкает» АТФ-азу к синтезу АТФ?

Поиски молекулярных механизмов опирались на теорию, согласно которой цепь реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-аза связаны между собой обладающими высокой энергией промежуточными продуктами, схожими с теми, что возникают в ходе реакций, где катализаторами служат растворимые ферменты. Митчелл специально не изучал митохондрии. Он занимался исследованием метаболического переноса, который осуществляется через цитоплазмовые мембраны бактерии. Эта тема увлекла его еще тогда, когда он был студентом в Кембридже. В 1958 г. Митчелл и его коллега Дженнифер Мойл пришли к выводу, что ферментативные реакции являются, как правило, векторными. Эти два ученых предположили далее, что направление таких реакций (хотя в растворе оно и остается непонятным), видимо, должно проясниться, когда ферменты включаются в мембрану. Фактически ферментативный комплекс может так твердо укрепиться в мембране, что «маршрут» реакции пересечет этот барьер, немедленно катализируя дислокацию химической группы. Они назвали этот процесс векторным метаболизмом.

В период между 1961 и 1966 гг. Митчелл сформулировал хемиосмотическую гипотезу (такое название ученый дал ей сам) – радикальное решение проблемы соединения энергии в механизмах окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Он предположил, что цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга носителей водорода и электронов. Эти носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что они переносят протоны (трипептиды) через мембрану. Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов для ионов водорода с электрически отрицательным внутренним межклеточным веществом и щелочной соотнесенностью с внешним межклеточным веществом. Протоны на внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное вещество. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с потоком электронов в батарее, и выполняет всю работу.

Согласно хемиосмотической гипотезе, существование химической взаимосвязи между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-азой невозможно. Этот вывод сделал выдвинутую Митчеллом теорию непопулярной среди многих биохимиков, причем некоторые из них подвергали сомнению обоснованность предположений ученого. Непрекращающийся скептицизм восприятия этой радикальной концепции и ведущиеся вокруг нее дискуссии убедили Митчелла в необходимости выступить в ее защиту, доказав истинность содержащихся в ней положений конкретными фактами. Получить такие данные было нелегко. Для этого надо было разработать новые методы исследования. В конце концов Митчелл и Мойл создали комплекс количественных и визуальных методов. Теперь с их помощью предстояло подвергнуть тщательной проверке заложенные в хемиосмотической гипотезе научные предвидения.

Исследовательская работа, стимулируемая дебатами в небольшом кружке биоэнергетиков, велась удивительно продуктивно как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Главный вопрос, который волновал ученых, заключался в том, соответствуют ли принципы хемиосмотической гипотезы и практические результаты, которые могут быть получены с ее помощью, принятым стандартам. К 1970 г. чаша весов склонилась в пользу созданной Митчеллом концепции, в ее поддержку выступил ряд ученых Великобритании, США и СССР.

В 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии «за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию хемиосмотической теории». Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Ларе Эрнстер обратил внимание на дискуссии, вызванные теорией Митчелла, отметив весомость представленных в ответ экспериментальных данных. В заключение он указал на ряд практических достоинств работы Митчелла: «Хлоропласты, митохондрию и бактерии можно рассматривать как естественным путем образующиеся солнечные и топливные элементы, и в этом своем качестве они могут служить моделью, а в будущем, вероятно, и «строительным материалом» для энергетической технологии».

С 1964 г. Митчелл возглавлял научно-исследовательскую работу в лабораториях Глинна в Корнуэлле. В 1958 г. он женится на Хелен Френч. У супругов три сына и дочь. Работал ученый очень много, однако выкраивал время и для участия в общественной жизни. Он боролся за сохранение природных ресурсов, восстанавливаел здания ферм периода средневековья.

Помимо Нобелевской премии, Митчелл был удостоен награды Льюисса и Берта Фридмана Нью-Йоркской академии наук (1976), награды Льюиса Розенстила за выдающуюся работу в области фундаментальных медицинских исследований Университета Брандейса (1977), медали Копли Лондонского королевского общества (1981) и почетной медали Афинского муниципального совета (1982). Он член Лондонского королевского общества, иностранный член американской Национальной академии наук и Королевского общества Эдинбурга. Ученому присвоены почетные степени Технического университета Берлина, университетов Чикаго, Восточной Англии, Ливерпуля, Бристоля, Эдинбурга и многих других.