Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

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.

Но, к немалому огорчению биохимиков, одно звено в этой цепи оставалось неизвестным: было не ясно, какое соединение с двумя атомами углерода вводится в цикл Кребса. Этим вопросом занялся Фриц Альберт Липман, работавший в свое время в Институте физиологии клетки в Берлине (Далем), а с 1939 г. — в Медицинской школе Корнеллского университета (шт. Нью-Йорк). Он продолжал развивать теорию, согласно которой этим соединением является ацетилфосфат, но такое предположение не увязалось с экспериментальными данными, и ученые стали все больше сомневаться в справедливости этой хорошей теории. Но именно в то время, когда большинство исследователей были готовы вообще отказаться от этой идеи, Липман с сотрудниками открыли вещество, отличающееся высокой термостойкостью и имеющее сравнительно небольшую молекулярную массу. Это говорило о том, что данное вещество является коферментом. Он был обозначен буквой А.

Кофермент А и оказался тем недостающим звеном в цепи реакций биологического окисления, которое столь долго и тщетно искали ученые. По своей структуре он близок к витаминам группы В. Его функция в цикле Кребса — «улавливать» ацетиловый остаток пировиноградной кислоты и вызывать его соединение с щавелевоуксусной кислотой, приводящее к образованию трикарбоновой кислоты — первое звено цикла. Далее происходят уже описанные процессы медленного окисления, в ходе которых из первоначального углеродного скелета пировиноградной кислоты образуются три молекулы двуокиси углерода и пять пар двойных активированных атомов водорода, несущих в себе энергию, необходимую для организма. В конце цикла вновь образуется щавелевоуксусная кислота, в которую кофермент А подает новую молекулу пировиноградной кислоты. Так работает этот «конвейер», который в соответствии с потребностями организма создает богатые энергией вещества или соединения, необходимые для образования макромолекул. Решающая заслуга в открытии цикла аэробного окисления в организме принадлежит X. Кребсу и Ф. Липману. За свои достижения оба они были удостоены в 1953 г. Нобелевской премии по медицине и физиологии.

Пировиноградная кислота, участвующая в цикле Кребса, образуется в результате гликолиза — анаэробного расщепления углеводов. В этом процессе фосфорилирования молекула глюкозы соединяется с фосфорной кислотой и затем расщепляется на две. Из шестиатомного кольца получаются два соединения с тремя атомами углерода, которые после различных преобразований приводят к образованию пировиноградной кислоты. Если эта кислота не включается в цикл Кребса, то из нее образуются молочная кислота или другие вещества. Большая заслуга Кребса состоит в том, что он сумел связать воедино все эти цепи.

В организме имеется несколько различных аккумуляторов энергии. Наряду с АТФ, поставляющим энергию на «непосредственные нужды» организма, происходит ее накопление «про запас», на более длительный период, в жировых тканях. Источником энергии служат также полисахариды: близкие по структуре крахмал (в растениях) и гликоген (у животных). Это биополимеры, состоящие из большого числа молекул глюкозы. Процесс разложения гликогена детально исследовали супруги Карл Фердинанд и Герти Тереза Кори, которые, кроме того, открыли ферменты, служащие катализаторами при реакциях разложения и синтеза. Они установили, что молекулы глюкозы в процессе фосфорилирования отщепляются. Полученный глюкозофосфат включается в цепь анаэробного разложения, что приводит к образованию пировиноградной кислоты и циклу Кребса.

За исследования в области обмена углеводов у животных и открытие связанных с ним ферментов супруги Кори были удостоены в 1947 г. Нобелевской премии по медицине и физиологии. Вместе с ними был награжден и аргентинский ученый Бернардо Усай, занимавшийся изучением роли гормонов в регуляции углеводного обмена.

Все эти реакции происходят только. благодаря соответствующим ферментам. Об этом говорил еще великий Йене Берцелиус в XIX в. Случилось так, что его соотечественник, закончивший то же самое училище в Линчёпинге 124 года спустя, получил конкретные данные, подтверждающие мысли своего знаменитого предшественника. Это был Аксель Хуго Теодор Теорелль, руководитель отдела биохимий Нобелевского медицинского института. В 1955 г. профессора Каролинского института с особым удовольствием вручили премию по медицине и физиологии своему коллеге — за крупные достижения в исследовании природы и механизма действия окислительно-восстановительных ферментов. О. Варбург называл своего способного ученика Теорелля мастером исследования ферментов.

Исследования Теорелля связаны с цитохромами и флавопротеидами. Цитохромы активируют кислород, в то время как флавопротеиды, являющиеся дегидрогеназами, переносят водород. В конце процесса окисления эти два элемента соединяются, образуя воду.

В 30-е годы советские биохимики Владимир Александрович Энгельгардт и Владимир Александрович Белицер показали, что накопление полезной энергии в клетке является результатом двух реакций. При первой вещества, содержащиеся в пище, окисляются, выделяя энергию.

Одновременно с этим происходит синтез аденозинтрифосфорной кислоты, при котором идет поглощение энергии. Полученный аденозинтрифосфат (АТФ) обладает замечательным свойством: он легко переносится в организме и выделяет энергию там, где это необходимо. АТФ решает энергетические проблемы организма, связанные как с переносом, так и с аккумуляцией энергии.

В 1949 г. американский биохимик Альберт Лестер Леиинджер связал эти результаты с данными цитологии. Он показал, что окислительное фосфорилирование осуществляется в митохондриях, клеточных образованиях удлиненной формы, которые отделены мембраной от клеточной плазмы. В начале 60-х годов стало ясно, что на внутренней стороне митохондриалыюй мембраны находятся дыхательные ферменты. В это время сотрудник кафедры зоологии Эдинбургского университета опубликовал в журнале Nature небольшую статью, где высказал свои соображения о значении мембран для рассмотренных биохимических реакций. Это был Питер Митчелл. Вскоре после публикации статьи он ушел из университета, чтобы начать самостоятельные исследования.

В 1966 г. Митчелл, руководя собственной лабораторией, в штате которой числился всего один сотрудник, вновь обратился к фундаментальным исследованиям. Обнаружив, что на опубликованную им в 1961 г. статью никто не обратил внимания, он решил изложить свои взгляды подробно и написал книгу. В ней он развивал теорию, согласно которой химическая энергия, выделяющаяся при окислении в митохондриях, превращается сначала в электрическую энергию, создающую мембранный потенциал. Затем электрическая энергия вновь превращается в химическую — на этот раз в форме АТФ. Эти представления сформулированы в так называемой хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования.

К сожалению, ни один издатель не взялся напечатать книгу Митчелла. Тогда автор сам размножил рукопись и разослал ее биохимикам всего мира. В ответ со всех сторон раздалась ожесточенная критика. Время, однако, работало на Митчелла. Детальные исследования, проведенные самыми различными методами, позволили раскрыть тонкую структуру митохондриальной мембраны и подтвердили, что в ней находится цепь ферментов — переносчиков электронов. В других экспериментах были непосредственно измерены разность потенциалов на внешней и внутренней стенках мембран и проходящий через нее электрический ток. Оригинальная идея Митчелла подтвердилась[24]. Он заставил биохимиков думать по-новому: стало понятным, что недостаточно знать только последовательность биохимических реакций — необходимо исследовать и их пространственную организацию.

Этот одинокий исследователь с единственной сотрудницей, вероятно, вызвал бы особенное восхищение Альфреда Нобеля, который также всегда был одинок в своих поисках. Но идеи Митчелла в конце концов восторжествовали. За свою хемиосмотическую теорию, которая вывела биоэнергетику на новый рубеж, П. Митчелл был удостоен в 1978 г. Нобелевской премии по химии. Денежное вознаграждение и пришедшая вслед за присуждением премии слава весьма благоприятно отразились на его маленькой лаборатории.