Передать по цепи

Биологические системы передачи электрического сигнала на порядки сложнее технических.
Фото Андрея Ваганова

Многие знают еще из школьного курса биологии, что красный цвет крови определяется «ржавым» окисленным железом с положительным зарядом. Этот ион железа локализуется в самом центре так называемого гема – плоскостной структуры. Особенность пребывающего в геме железного иона – легкость, с которой он расстается с электроном, а потом так же легко принимает заряд обратно. Можно сказать, что вся жизнь на Земле базируется на этом уникальном свойстве железа, поскольку гемы есть и в так называемых цитохромах, представляющих собой активные ферменты, обладающие окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом).

Под первым в этом выражении понимают восстановление-редукцию и окисление, а второе переводится как сила и власть («потентиат» – это властитель, омнипотентный – Вседержитель, а «потус» – прозвище американского президента в аппарате Белого дома). Потенциал показывает способность молекулы принимать электроны, поэтому сбалансированный редокс гемов показывает, что они легко передают электроны по их цепочке, если таковая имеется.

Мать-природа позаботилась о создании самых настоящих нанопроволочкек, проводящих электроны у удивительного микроорганизма шеванеллы (Shewanella oneidensis). Нанопроводник, впервые охарактеризованный лишь в 2011 году, состоит из десятка молекул цитохромов, имеющих железосодержащие гемы. Сотрудникам Университета Восточной Англии удалось определить потенциал каждого из гемов, о чем они сообщили в журнале Американского химического общества. Оказалось, что белковые цитохромы в зависимости от условий могут менять направление движения электронов между гемами.

Подобное свойство может оказаться весьма полезным при создании сверхминиатюрных молекулярных чипов, в которых главными элементами являются именно переключатели. Гем в данном случае ведет себя как заправский транзистор, переключающий направление движения электронов под воздействием самых ничтожных изменений в молекуле цитохрома.

В митохондриях, являющихся энергостанциями живых клеток, цитохромы играют наиважнейшую роль, поскольку в них есть так называемые цепи переноса электронов. Вполне возможно, что они достались нам от микробов, поскольку сами митохондрии – это бывшие микроорганизмы, которые стали жить внутри клеток, передав геному большинство своих генов. Напряжение в цитохромных цепях достигает 0,3 В. Это, конечно же, не 1200 В разряда электрического ската, но для управления метаболическими процессами клетки вполне достаточно.

Интерес к публикации оказался большим. Цитохромы имеются и в растительных клетках, и без них попросту невозможен фотосинтез, начинающийся с фотолиза воды. Последний представляет собой процесс окисления молекулы Н2О под действием света, приводящий к ее расщеплению. Кислород выбрасывается из зеленых клеток, а вот протоны водорода (положительно заряженные ионы) в поисках электронов устремляются к цитохромам, располагающимся по соседству с гигантскими комплексами АТФазы. Проходя по каналу внутри этого фермента, протоны отдают свою энергию на замыкание связи образующейся АТФ. Все это хорошо известно, непонятны только самые начальные фазы процесса, протекающие с огромными скоростями, для которых до последнего времени не было соответствующих «часов».

Корейские ученые из университета г. Тэжон и сеульского Женского университета (Еwha) сообщили на страницах того же журнала о получении искусственной системы фотосинтеза на основе графена. Она позволила корейцам сделать фотокатализатор, улавливающий фотоны солнечного света. Необходимо пояснить, что графен явился прекрасной подложкой-субстратом для крепления окрашенной молекулы хромофора.

На самом деле все не так просто, но тем не менее первая искусственная система фотосинтеза создана. Опыт исследования того же графена буквально с нуля показывает, что сегодня уже созданы первые транзисторы на его основе. Графен – прекрасный переносчик электронов, в котором они при комнатной температуре распространяются практически без сопротивления. Можно ожидать, что при имеющемся оснащении соответствующих лабораторий вскоре будут созданы и другие системы уловления энергии солнца. И если все пойдет соответствующим образом, то мир получит возможность сойти с нефтяной иглы, а бесплодная ныне Сахара вновь, как это было во времена Рима, станет цветущим оазисом.