Глава 22. Биологическое окисление История развития представлений о биологическом окислении

Вопрос о том, каким образом происходит окисление веществ в организме, давно привлекал внимание ученых. Еще А. Лавуазье обнаружил, что между процессом горения органических веществ вне организма и процессом дыхания животных есть много общего. Оказалось, что при дыхании, как и при горении, из воздуха поглощается кислород и образуются СО₂ и Н₂О, т.е. в организме происходит процесс, подобный горению или окислению. Однако было непонятно, почему горение веществ в организме происходит при низкой температуре (37 °С), без пламени и к тому же в водной среде, ведь при обычных условиях вода прекращает горение.

В связи с этим был предложен ряд теорий окисления веществ в организме. Одной из первых была теория К. Шенбайна. Им был открыт озон, способный окислять некоторые вещества при обычной температуре. Поскольку озон представляет собой «активный кислород», К. Шенбайн сделал предположение о том, что вдыхаемый с воздухом кислород в организме активируется. В дальнейшем эта теория была развита русским ученым А. Н. Бахом. Согласно теории А. Н. Баха, активация кислорода в организме происходит под действием легкоокисляющихся веществ, в результате чего образуются перекиси. Такими легкоокисляющимися веществами являются оксигеназы. Далее этом кислорода перекиси переносится на другие, более трудноокисляющиеся вещества при помощи фермента пероксидазы. Эта теория схематически выглядит так:

а) Оксигеназа + О₂ → (Перекись)

б) + Субстрат Окисленный субстрат + Оксигеназа.

Поскольку путь кислорода к окисляемому веществу лежит через перекись, теория А. Н. Баха носит название «перекисной теории окисления».

Изучая окисление веществ в растениях, русский биохимик В.И. Палладии установил, что оно может протекать и в отсутствие кислорода, если в реакционной среде есть вещества, способные присоединять атомы водорода. Такими веществами в растениях являются пигменты, или так называемые хромогены, которые и были обнаружены В. И. Палладиным. Присоединяя атомы водорода окисляемых субстратов, т.е. восстанавливаясь, они становятся бесцветными, а отдавая его, или окисляясь, они приобретают окраску и превращаются в пигменты. В бесцветные хромогены эти пигменты превращаются в присутствии кислорода. По мнению В. И. Палладина, кислород воздуха не достигает субстрата и прямо с ним не взаимодействует, роль его заключается только в окислении атомов водорода хромогенов с образованием молекул воды. Различные вещества, окисляющиеся в организме, отщепляют водород при помощи ферментов дегидрогеназ. Таким образом, происходит процесс дегидрирования, который и представляет собой процесс окисления веществ. В своей теории В.И. Палладии придавал большое значение кислороду как акцептору водорода, показав тем самым важную роль кислорода в биологическом окислении.

Доказательством правильности теории В. И. Палладина явились работы Г. О. Виланда, который показал, что окисление спиртов и альдегидов также возможно при отсутствии кислорода и происходит путем дегидрирования. На основании этого Г. О. Виланд высказал предположение, что дегидрирование субстратов и является главным процессом, лежащим в основе биологического окисления, и что кислород реагирует непосредственно с активированными атомами водорода. Теория окисления веществ путем дегидрирования, или «активацией», водорода окисляемого субстрата носит название «теории Палладина — Виланда».

В дальнейшем подтверждением верности данной теории явилось открытие в 1900—1920 гг. целого ряда дегидрогеназ — ферментов, отнимающих водород от окисляемых субстратов.

В 1913 г. О. Г. Варбург обнаружил, что небольшие количества цианида почти полностью прекращают поглощение кислорода дышащими клетками и тканями. Поскольку цианиды образуют устойчивые комплексы с железом, О. Г. Варбург предположил, что в процессе окисления веществ большую роль играет какой-то универсальный железосодержащий фермент, способный переносить электроны и активировать кислород. О. Г. Варбург назвал его дыхательным ферментом.

Несколько позже Д. Кейлин доказал фундаментальную роль еще ряда железосодержащих ферментов, называемых цитохромами, которые были очень похожи на дыхательным фермент Варбурга. В связи с этим Д. Кейлин, совместив две существующие теории окисления веществ (присоединение кислорода и дегидрирование) показал, что процессы окисления ряда субстратов включают как дегидрирование, так и окисление кислорода. Весь процесс окисления субстратов представляет собой цепь последовательных реакций, которая начинается реакциями отщепления водорода и заканчивается переносом электронов на кислород. В связи с тем что при таком окислении происходит постоянное поглощение кислорода, этот процесс окисления субстратов называется тканевым дыханием.

Вышеизложенные теории (теория Шенбайна — Баха об активации кислорода и теория Палладина —Виланда от активации субстратов, т.е. водорода) легли в основу современного представления о механизме биологического окисления.