Исследование продуктов промежуточного обмена

Различные химические агенты, действуя на насе­комых и микробов, нарушают их обмен ве­ществ, иными словами, осуществляют в организме «диверсию» в отношении его химических механизмов. Поиски таких агентов становятся все более эффек­тивными, по мере того как проясняется вопрос о ха­рактере процесса обмена веществ.

В этом отношени нельзя пройти мимо заслуг ан­глийского биохимика Артура Хардена (1865—1940), который занимался ферментами дрожжевой вытяжки (ранее Бюхнеруудалось доказать, что эта вы­тяжка не менее активно расщепляет сахара, чем сами дрожжевые клетки). Еще в начале ХХ сто­летия (1905) Харден обратил внимание, чти дрожже­вой экстракт вызывает бурный распад сахара и вы­деление углекислоты, причем активность процесса со временем снижается. На первый взгляд могло пока­заться, что эта реакция связана с истощением фер­ментов в экстракте, но добавлением в раствор неболь­шого количества фосфата натрия (простое неоргани­ческое соединение) Хардену удалось активизировать действие фермента.

Концентрация неорганического фосфата в процессе ферментативной реакции падает, поэтому Харден стал искать в растворе какое-нибудь органическое соеди­нение фосфора, возникающее, как он полагал, из не­органического фосфата. Им оказалась молекула са­хара с двумя присоединившимися фосфатными груп­пами. Открытие Хардена положило начало изучению промежуточного обмена веществ, поискам многочис­ленных (иногда очень коротко живущих) соединений, которые образуются в процессе химических реакций в тканях организма.

Немецкий биохимик Отто Фриц Мейергоф (1884—1951) в опытах, которые он проводил после окончания первой мировой войны, об­наружил, что мышечное сокращение приводит к ис­чезновению гликогена (животного крахмала) и по­явлению определенного количества молочной кислоты. Характерно, что этот процесс происходит без погло­щения кислорода. Во время отдыха мышцы часть мо­лочной кислоты окисляется (при этом для покрытия «кислородной задолженности» поглощается молеку­лярный кислород), а возникающая таким образом энергия дает возможность большей части молочной кислоты вновь превратиться в гликоген. К аналогич­ному выводу пришел английский физиолог Арчибальд Хилл, проводя опыты по оп­ределению количества тепла, образующегося в момент сокращения мышцы.

В 30-е годы американский биохимик Карл Кори и его жена Герти Кори тщательно изучили детали превра­щения гликогена в молочную кислоту. Выделив из мышечной ткани неизвестное до того времени соеди­нение — глюкозо-1-фосфат (которое теперь называет­ся эфиром Кори), они показали, что это первый про­дукт распада гликогена. Супруги Кори проследили превращение глюкозо-1-фосфата в серию промежуточ­ных продуктов и установили место каждого в цепи распада. Оказалось, что одним из промежуточных продуктов и является тот самый фосфат сахара, на который впервые указывал Харден несколько десяти­летий назад.

Тот факт, что Харден и Кори в поисках продуктов промежуточного обмена натолкнулись на фосфатсодержащие органические соединения, имеет большое значение. Тем самым была установлена важная роль фосфатной группы во многих механизмах биохимиче­ских процессов. Американский биохимик Фриц Липман дал объяснение этому явлению. По его мнению, фосфатная группа может занимать в молекуле одно из двух положений — с низ­кой энергией и с высокой. Энергия, высвобождаемая при распаде молекул крахмала или жира, использует­ся для превращения низкоэнергетических фосфатов в высокоэнергетические. Так происходит сохранение энергии в удобной для организма химической форме. Рас­пад высокоэнергетических фосфатов высвобождает количество энергии, достаточное для осуществления различных химических превращений, идущих с погло­щением энергии.

Необходимо отметить, что советские ученые Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова ещё в 1939 г. доказали, что энергия для мы­шечного сокращения (белок миозин) возникает в результате некоей химической реакции. Это открытие легло в основу одного из важнейших положений общей биохимии — о трансформировании энергии окислительных процессов в химическую энергию фосфор­ных соединений, в первую очередь аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), и превращении в живой клетке химической энергии в ме­ханическую. Энгельгардт в 1932 г. впервые указал на роль про­цессов фосфорилирования для накопления легко мобилизуемых запасов энергии в организме.

Те же стадии распада гликогена, которые насту­пают после расщепления молочной кислоты и про­исходят с участием кислорода, можно изучать с по­мощью метода, разработанного и примененного в 1923 г. немецким биохимиком Отто Варбургом. Метод Варбурга позволяет измерять потребление кислорода тонкими срезами живых тканей. Опыты проводят следующим образом: на донышко тонкой U-образной трубки, к которой прикреплена маленькая колба, наливают окрашенный раствор. Углекислота, выделяемая тканями, погло­щается щелочным раствором в колбе. Поскольку по­глощение кислорода тканями происходит без замеще­ния углекислотой, в колбе создается частичный ва­куум и жидкость в U-образной трубке всасывается вверх, по направлению к колбе. Скорость потребле­ния кислорода определяется темпом изменения уров­ня жидкости, измеряемым в строго контролируемых условиях.

Метод Варбурга позволил изучить влияние раз­личных соединений на потребление кислорода. Соеди­нение, восстанавливающее уровень жидкости после его падения, можно считать промежуточным продук­том в серии реакций, связанных с потреблением кис­лорода. В этой области большая заслуга принадлежит венгерскому биохимику Альберту Сент-Дьердьи и английскому биохимику Гансу Кребсу. К 1940 г. Кребс выявил все основные этапы превращения молочной кислоты до углекислоты и воды; последовательность этих реак­ций часто называют циклом Кребса.

В начале 30-х годов появился первый элек­тронный микроскоп. Его отличие от обычного, свето­вого микроскопа заключается в том, что вместо световых лучей в нем используются электронные. Это во много раз увеличивает его разрешающую способ­ность. Русский физик Владимир Зворыкин усовершенствовал электронный микроскоп, приспособив его для нужд цитологии. Стали видны частицы, не превышающие по размеру крупных моле­кул. Было обнаружено, что протоплазма клетки — это комплекс мелких высокоорганизованных структур, получивших название органелл.

С помощью разработанных в 40-х годах методик удалось расчленить клетку и выделить из ее прото­плазмы различные органеллы. Самые крупные из них — митохондрии. В типичной клетке печени содер­жится до тысячи митохондрий — палочковидных об­разований длиной 2—5 мкм. Детальное изуче­ние органелл, проведенное американским биохимиком
Дэвидом Грином и его сотруд­никами, показало, что именно в митохондриях проте­кают реакции цикла Кребса. В самом деле, здесь идут все реакции с участием катализирующих ферментов, связанные с использованием молекулярного кислоро­да. Оказалось, что эта маленькая органелла является своеобразной энергетической станцией клетки.