Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Биоэнергетика

В начале нынешнего столетия шведский исследователь Магнус Блике, используя термоэлектрический эффект, создал прецизионную аппаратуру для измерения количества тепла, выделяемого живым организмом. Позднее она была усовершенствована английским ученым Арчибалдом Вивиеиом Хиллом из Кембриджского университета. Его термогальванометр измерял изменения в температуре порядка 1/1000 ºC за сотую долю секунды. С помощью этого прибора удалось открыть интересные биохимические процессы, происходящие при сокращении мышц.

Хилл установил, что при самом сокращении выделяется только та часть тепла, которая сопровождает реакции превращения химической энергии в организме. Остальное количество тепла (оно может составлять более половины) выделяется через несколько минут. Все это тепло возникает в результате работы мышцы как термодинамической машины, к. п. д. которой достигает приблизительно 20—30%, а остальная часть тепловой энергии рассеивается.

Английский исследователь изучал также закономерности сокращения мышц в зависимости от их питания кислородом. Оказалось, что на первой стадии сокращения кислород не нужен, тогда как на второй от него зависит, будет выделяться дополнительное тепло или нет. Выяснение этих закономерностей, связанных с фазами действия и восстановления в работе мышц, оказалось очень полезным для биохимиков, так как открывало путь для исследования биоэнергетических реакций и интерпретации данных. Эти результаты способствовали лучшему пониманию термодинамики мышц и позволили конкретно исследовать работу этих «живых машин».

В 1859 г. немецкий ученый Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон обнаружил в мышечной ткани молочную кислоту. Незадолго до этого он получил от Берцелиуса письмо, в котором шведский коллега сообщал о том, что молочная кислота была обнаружена в мясе оленя, убитого после длительного преследования. Эти первые наблюдения заложили основу исследования биохимических процессов, связанных с дыханием и выделением энергии.

В начале нашего столетия было уже точно известно, что при работе мышцы в ней накапливается молочная кислота, которая при бездействии мышцы окисляется. Считалось, что это какой-то побочный продукт, образующийся при работе мышечных клеток. Лишь количественные исследования немецкого ученого Отто Мейергофа внесли некоторую ясность в этот вопрос. Прежде всего он показал, что на стадии покоя окисляется не более одной трети молочной кислоты. Затем Мейергоф установил, что часть молочной кислоты восстанавливается, образуя полисахаридный гликоген, который подобен крахмалу и играет в клетках животных роль «депо энергии».

Таким образом, картина начала проясняться. На первой стадии сокращения мышцы обнаруженное Хиллом выделение тепла, как это установил Мейергоф, происходит в результате разложения гликогена на моносахарид и молочную кислоту. При этом химическая энергия превращается в механическую. На второй стадии, когда мышца бездействует, молочная кислота частично окисляется, а частично восстанавливается до гликогена. В 1922 г. Мейергоф и Хилл за свои исследования термодинамики мышечной деятельности и механизма мышечного сокращения были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В нормальных условиях глюкоза и кислород не вступают в реакцию, однако в присутствии подходящих ферментов сахар довольно активно окисляется, превращаясь в двуокись углерода и воду. Изучение таких биокатализаторов является одним из крупных достижений известного биохимика Отто Генриха Варбурга, работавшего в Гейдельберге и в Институте физиологии клетки в Берлине (Далем). Поскольку ферменты обычно встречаются в ничтожно малых количествах, Варбург исследовал их косвенными методами, преимущественно с использованием спектроскопии.

Еще в 80-е годы прошлого века Чарлз Макманн методом спектроскопии обнаружил в некоторых тканях неизвестное вещество, которое поглощало кислород и. имело такие же спектральные линии, как и гемоглобин. Отсюда был сделан вывод, что в тканях содержится какой-то фермент, похожий на гемоглобин. Значение этого открытия стало понятным лишь в 20-е годы, когда Варбург стал заниматься исследованием клеточного дыхания. Он вновь применил спектроскопию и вторично установил сходство катализаторов биологического окисления с гемоглобином. На основании этого Варбург сделал вывод, что дыхательный фермент в своей белковой молекуле также имеет порфириновое ядро с одним атомом железа, который взаимодействует с кислородом.

Эти дыхательные ферменты, обнаруженные по их спектру, были названы цитохромами[22]. За объяснение механизма клеточного дыхания действием ферментов Варбург был удостоен в 1931 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Продолжая работать в этой области, Варбург в следующем году вместе со своим сотрудником Вальтером Кристианом открыл новый дыхательный фермент желтого цвета, который был назван флавином. Оказалось, что это представитель большой группы флавинов (ферментов биологического окисления, образующих вместе с цитохромами дыхательную цепь).

В том же 1932 г. венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи приступил к исследованию «желтых» ферментов в своей лаборатории в Сегеде. В отличие от большинства ученых, которые занимались исследованием окислительных процессов, он сосредоточил свое внимание на ферментах, которые активировали водород и переносили его в клетках. На работу Сент-Дьёрдьи большое влияние оказали наблюдения Генриха Виланда, касающиеся воздействия палладия на некоторые органические вещества. Виланд установил, что, вступая в контакт с этим металлом, органические соединения теряют водород, а это равносильно частичному окислению. Это произвело на биохимиков большое впечатление, и они занялись поисками ферментов, оказывающих подобное действие. Вскоре были открыты дегидрогеназы, катализирующие отщепление водорода от молекул[23].

Постепенно из отдельных наблюдений формировалось единое представление о дыхательных ферментах. По линии цитохромов движутся электроны, обеспечивающие активацию кислорода, а с другого направления дегидрогеназы поставляют водород. Так происходит ступенчатое окисление веществ до воды и углекислоты и постепенное выделение энергии. Эти исследования показали взаимосвязь между ферментами и витаминами. Составной частью «желтых» ферментов оказался рибофлавин (витамин В2). Это открытие было сделано Рихардом Куном и Паулем Каррером. Сам Сент-Дьёрдьи занялся исследованием красного стручкового перца, который всегда производился в большом количестве около Сегеда, н обнаружил, что знаменитая венгерская паприка очень богата витамином С. Оказалось, что этот витамин также участвует в процессах переноса водорода.

Обычно исследования биохимических реакций проводятся в гомогенной массе, получаемой путем растирания в порошок живых тканей. Проводя такие опыты над гомогенатом мышечной ткани, некоторые ученые, в том числе Сент-Дьёрдьи, обнаружили, что при добавлении янтарной, фумаровой, яблочной и щавелево-уксусной кислот окислительные процессы усиливаются. Почти одновременно в начале 30-х годов шведский химик Тор-стен Людвиг Тунберг открыл ферменты, являющиеся дегидрогеназами названных кислот. Стало ясно, что эти кислоты, оказывая определенное каталитическое действие, служат звеньями в цепи окислительных процессов, при которых происходит выделение энергии. В этих открытиях решающая заслуга принадлежит Альберту Сент-Дьёрдьи, получившему в 1937 г. Нобелевскую премию по медицине и физиологии за исследования процессов биологического окисления, а также за выделение в кристаллическом виде витамина С.

Вскоре после этого английский биохимик Ханс Адольф Кребс установил, что «эффект Сент-Дьёрдьи», наблюдаемый при добавлении фумаровой кислоты к гомогенату клетки, можно получить и с помощью двух других органических кислот (кетоглутаровой и пировиноградной). Поначалу это только внесло еще большую путаницу в реакции, которые не могли объяснить биохимики. Однако Кребс первым из биохимиков догадался, что все эти органические кислоты составляют звенья одной цепи окисления органических веществ до двуокиси углерода и воды. Он предложил схему, описывающую процесс постепенного окисления органических веществ.

Вначале к щавелевоуксусной кислоте добавляется какое-то соединение с двумя атомами углерода и образуется трикарбоновая кислота, которая под действием различных ферментов превращается в другие, подобные ей органические кислоты. На каждой стадии происходит выделение воды, водорода или двуокиси углерода, причем энергия активированного водорода включается в макроэргические связи аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального аккумулятора энергии в живых организмах. Кребс, предложивший цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) в 1937 г., поначалу подвергся резкой критике. Однако постепенно ученые оценили эту идею, которая внесла упорядоченность в представление о цепи реакций аэробного окисления.