Решение проблемы аэробного дыхания. Открытие цикла трикарбоновых кислот

В течение долгого времени считали, что брожение и дыхание представляют собой совершенно независимые процессы. Однако уже Э. Пфлюгер во второй половине XIX в. высказывал предположение о тесной взаимосвязи этих процессов.

Гексоза (С6Н120з)

і

Промежуточные продукты, общие для брожения и дыхания Брожение и анаэробное дыхание (окисление продуктов распада гексоз до спирта и С02)

Аэробное дыхание (окисление продуктов до Н20 и С02 за счет кислорода воздуха) Работы Костычева (1907, 1911) показали, что начальные фазы аэробного дыхания должны быть сопряжены с конечными фазами анаэробного распада углеводов.

Первые шаги к расшифровке механизма аэробного дыхания сделал после работ Костычева в 30-х годах А. Сцент-Дьёрдьи (Нобелевская премия, 1937). Исследуя дыхание измельченных тканей сердечной мышцы голубя, отличающейся особенно высокой скоростью окислительных процессов, он обнаружил, что постепенно снижающаяся интенсивность поглощения кислорода измельченными мышцами (гомогенатами) может быть восстановлена добавлением солей некоторых органических кислот (янтарной, фумаровой, яблочной и щавелевоуксусной). Наоборот, очень близкая по строению малоновая кислота подавляет интенсивность процесса. Почти одновременно шведский химик Т. Тунберг показал, что мышцы содержат особые ферменты — дигидрогеназы янтарной, фумаровой и яблочной кислот. В дальнейшем американский биохимик Г. А. Кребс обнаружил, что «эффект Сцент-Дьёрдьи» может быть получен также при добавлении к гомогенатам солей кетоглутаровой и пировиноградной кис-

лот, а также аминокислот — глутаминовой и аспарагиновой. Эти открытия навели на мысль, что перечисленные кислоты последовательно превращаются одна в другую в процессе разложения наиболее сложной из них.

Подобные схемы получили должную оценку после выяснения принципа использования Энергии организмом на отдельных этапах окисления (вернее, дегидрирования) промежуточных продуктов. Супругам К. и Г. Кори, исследовавшим процессы распада и синтеза гликогена в мышцах, удалось не только расчленить процесс превращения гликогена в глюкозу на отдельные этапы, но и воспроизвести синтез гликогена из глюкозы in vitro. Глюкоза была последовательно превращена с помощью соответствующих ферментов в глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат и гликоген. Самым важным в этих исследованиях было выяснение роли АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) как донатора фосфатных групп, а также открытие процесса восстановления АТФ и АДФ (аденозиндифосфата) на последней ступени (Нобелевская премия, 1947).

После того как было выяснено, что фосфорные эфиры являются промежуточными продуктами распада углеводов, Г. А. Кребс предложил в 1937 г. схему довольно сложного цикла превращений органических кислот, объясняющую все основные моменты их постепенного окисления и образования АТФ на узловых этапах этого процесса (Нобелевская премия, 1953). Таким образом, этот цикл, получивший название цикла три- карбоновых кислот, связал процессы поэтапного окисления органических веществ и постепенного выделения энергии в организме. Наиболее важным в цикле Кребса был этап, связывающий процессы аэробного и анаэроб- ного распада углеводов — декарбоксилирование пировиноградной кислоты !и перенос ацетильной группы на щавелевоуксусную кислоту, являющуюся конечным продуктом окисления первого компонента цикла — лимонной кислоты. Разработанный Кребсом цикл в дальнейшем был уточнен и подвергся гораздо большей детализации, но его основные звенья сохранили свое значение.

? На период 30—40-х годов приходится формирование основных представлений о дыхательной цепи.

В. И. Палладии и Г. Виланд, так и активирование кислорода, после работ А. Н. Баха развиваемое О. Варбургом. Изучение ферментов дыхательной цепи и введение понятия о переносе электронов и окислительно-восстановительном потенциале закончилось в 40-х годах построением схемы дыхательной цепи, лежащей в основе современных представлений.

В передаче водорода (электрона) от молекулы дыхательного субстрата к кислороду воздуха и в активации обоих элементов основную роль играют отдельные ферменты и ферментативные системы. В изучении дегидрогеназ и оксидаз за последние два-три десятилетия получено много новых данных. Например, использование тяжелого изотопа кислорода 180 позволило X. Хайами и его сотрудникам в 50-х годах подтвердить опытным путем достоверность гипотезы А. Н. Баха о возможности в процессе дыхания прямого присоединения кислорода к дыхательному субстрату. При этом было доказано и существование оксидаз, активирующих молекулярный кислород и делающих его способным реагировать с органическими соединениями. Хайами назвал их фенольными оксидазами, а Г. Мезон предложил эту группу ферментов называть трансферазами кислорода.

Не менее успешно шла в последние годы также разработка проблемы энергетики дыхания. В 50-х годах были получены данные, позволившие разработать основы современных представлений по данному вопросу, согласно которым процесс окисления или восстановления можно трактовать как отнятие от дыхательного субстрата и присоединение к нему электрона.

Создание представлений

о системе биохимических обменных процессов ’ г 1

Одним из важных следствий открытия цикла трикарбоновых кислот был поворот от представления о биохимических процессах в клетке как изолированных реакциях к представлениям о системе обменных процессов, связанных между собой во времени и пространстве. Этому переходу содействовали успехи в изучении промежуточного обмена азотистых соединений и обмена липидов.

Кардинальным открытием в области промежуточного обмена азотистых соединений была расшифровка реакций переаминирования L-амино- и а-кетокислот в организме. Переаминирование и осуществляющие его ферментные системы были открыты в 1937 г. советским биохимиком А. Е. Браунштейном, что позволило связать воедино систему превращений отдельных аминокислот с циклом трикарбоновых кислот. Считалось, что основные элементы цикла — пировиноградная, а-кетоглутаро- вая и щавелевоуксусная кислоты — участвуют в реакциях переаминирования с образованием важнейших аминокислот — аланина, глутаминовой

и аспарагиновой — ж что дальнейшие реакции переаминирования с соответствующими кетокислотами приводят к образованию всего разнообразия аминокислот. Эти предположения получили подтверждение в исследованиях синтеза в организме животных так называемых незаменимых аминокислот (углеродный скелет которых не может быть синтезирован в животном организме). Введение соответствующих кетопроизводных животным, лишенным незаменимых аминокислот, предотвращало их гибель вследствие образования в организме соответствующих аминокислот. Эти работы содействовали развитию представлений об обмене азота в организме (А. Виртанен, Нобелевская премия, 1945; и др.).

Другим важным доказательством правильности упомянутых предположений послужили работы американского химика Р. Шонхеймера с использованием изотопа азота 15N. Он показал, что после введения в организм глицина-1^ или лейцина-1^ в большинстве аминокислот организма быстро обнаруживается 15N. Таким образом, цикл трикарбоновых кислот оказался как бы связующим звеном между обменом углеводов и азотных соединений.

Созданию представления о целостной и одновременно динамической обменной системе клетки содействовали й исследования обмена липидов, в первую очередь представления о «метаболическом котле» Р. Шонхеймера, с работ которого началось широкое использование изотопов в биохимических исследованиях.

Существование природных жирных кислот с весьма длинной углеродной цепью представляло серьезную проблему при изучении их распада и синтеза в организме.

Гипотеза о синтезе жирных кислот была также основана на представлении, что главным-строительным материалом для них служат двухуглеродные фрагменты. Еще в конце XIX в. М. Ненцкий высказал предположение, что основной реакцией образования жирных кислот в организме служит альдольная конденсация ацетальдегидных единиц, следующая за восстановлением гидроксильных групп и окислением концевой альдегидной группы.

В 20—30-х годах получила распространение гипотеза И. Смидли, согласно которой исходными компонентами синтеза жирных кислот являются пировиноградная кислота и ацетальдегид, а затем происходит надстраивание двухуглеродных единиц. Однако после открытия коэнзима

А. Ф. Линеном (1951) 1 гипотеза Смидли была отброшена.

Прежде чем вопрос о деталях синтеза жирных кис/гот приблизился к разрешению, было сделано важное открытие, резко изменившее представления биохимиков и физиологов о принципах работы обменного ап-

' * За работы по гистохимии А. Ф. Линен был удостоен в 1964 г. Нобелевской премии.

парата. Когда в 1935 г. Р. Шонхеймер начал исследования процессов обмена веществ с использованием меченых атомов, одной из первых его задач было выяснение судьбы запасных жиров в организме животного. Считалось., что животные для удовлетворения своих энергетических потребностей окисляют свежепоглощенные жиры.

Если при первых опытах Шонхеймера принципы работы этого котла были еще не ясны, то обнаружение тесной связи между обменом липидов и аминокислот, с одной стороны, и углеводов (циклом трикарбо- новых кислот), с другой, позволили впервые — сначала лишь гипотетически — наметить контуры сложной динамической системы обратимых и необратимых процессов взаимопревращения промежуточных продуктов обмена веществ и использования энергии в организме.

Таким образом, исследования обмена веществ и его энергетики, т. е. динамическое направление в биологической химии, к 40-м годам XX в. стало главной линией развития этой отрасли биологии. В наши дни открытие новых составных биохимических компонентов организмов и уточнение строения и свойств ранее открытых продолжается.