4.1.13. Создание представлений о системе биохимических обменных процессов

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 -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. Американский химик Р. Шенхеймер с использованием изотопа азота ¹⁵N показал, что цикл трикарбоновых кислот является связующим звеном между обменом углеводов и азотных соединений.

Созданию представления о целостной и одновременно динамической обменной системе клетки содействовали и исследования обмена липидов, в первую очередь представления о «метаболическом котле» Р. Шенхеймера, с работ которого началось широкое использование изотопов в биохимических исследованиях. В начале XX в. немецкий физиолог Ф. Кнооп заложил основу теории распада липидов в организме, получившую название теории β-окисления. В дальнейшем теория β-окисления была развита в работах Г. Эмбдена и А. Маркса (1908). Подтверждение ее было получено также при исследовании образования так называемых «ацетоновых тел» у диабетиков — β-оксимасляной и ацетоуксусной кислот и ацетона. Гипотеза о синтезе жирных кислот, также как и теория их распада, была основана на пред­ставлении, что главным строительным материалом для них служат двухуглеродные фрагменты. Благодаря исследованиям Шенхеймера с мечеными углеводородами и аминокислотами было установлено, что все компоненты тела находятся в весьма активном динамическом состоянии, образуя так называемый «метаболический котел». Если при первых опытах Шенхеймера принципы работы этого котла были еще не ясны, то обнаружение тесной связи между обменом липидов и аминокислот, с одной стороны, и углеводов (циклом трикарбоновых 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.

4.1.144. Исследования в области молекулярной биоэнергетики

Понятие «биоэнергетика» ввел в науку А. Сцент-Дьёрдьи, выпустив­ший в 1957 г. монографию под тем же названием. Спустя 11 лет термин «биоэнерге­тика» признан наилучшим группой ведущих специалистов по биохимии дыхания и фотосинтеза, собравшихся в Полиньяно (Италия), чтобы определить новую область биологии, связанную с изучением молекулярных механизмов энергетического обмена клетки.

Проникновение на молекулярный уровень организации отличает биоэнергетиков от физиологов и биохимиков, изучавших внешние суммарные показатели и спецификацию химических реакций энергетического обмена организма. Биоэнергетика ставит перед собой два вопроса: какие именно молекулы среди всего разнообразия природных соединений ответственны за превращение энергии в клетке, и каким образом они выполняют свою функцию.

Первая из упомянутых проблем уже решена применительно к боль­шинству биологических процессов трансформации энергии. Начало этому направлению было положено в середине 40-х годов, когда В.А. Энгельгардт и М.Н. Любимова обнаружили АТФазную активность нера­створимого мышечного белка миозина. Авторы сделали вывод о том, что именно миозин ответствен за трансформацию химической энергии АТФ в механическую работу мышц. Впоследствии эта мысль получила пол­ное подтверждение в работах многих исследователей, показавших, что гидролиз АТФ вызывает конформационное изменение актомиозинового комплекса, что в свою очередь вызывает сокращение мышечного волокна. В дальнейшем выяснилось, что и многие другие типы трансформации энергии в клетке осуществляются посредством нерастворимых белковых комплексов, которые обычно встроены в те или иные мембранные образования. Последнее обстоятельство определяет тесную взаимосвязь и взаимопроникновение биоэнергетики и биологии мембран как новой отрасли совре­менной биологии.

В 1949 г. А. Ленинджер в США показал, что важнейший процесс аккумуляции энергии — окислительное фосфорилирование, открытое в 1930г. В.А. Энгельгардтом,— локализован в митохондриях, имеющих две мембраны — внешнюю и внутреннюю (рис.4.1.24). В начале 60-х годов выяснилось, что внутренняя мембрана митохондрий служит носителем ферментов окислительного фосфорилирования. Вслед за этим было показано, что фотофосфорилирование, обнаруженное в середине 50-х годов Д. Арноном (США), также локализовано в структурных мембранах, а именно в тилакоидах хлоропластов. Мембранная локализация ферментов окислительного фосфорилирования и фотофосфорилирования оказалась характерной для микроорганизмов.

Рис. 4.1.24. Строение митохондрий

Роль мембран в окислительном фосфорилировании представлялась неясной в рамках традиционных «химических» гипотез энергетического сопряжения, постулировавших, что процессы переноса электронов и образования АТФ связаны между собой через промежуточный продукт неизвестной химической природы. Подобные взгляды развивались в 40-е годы Ф. Липманом (Нобелевская премия, 1953), а затем Э. Слейтером и Б. Чансом (США) и др. Дальнейший прогресс в разработке проблемы окислительного фосфорилирования связан с именем английского биохимика Питера Митчелла (рис.4.1.25), разработавшего в 1961 —1966 гг. так называемую хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования (рис.4.1.26). По Митчелу, химическая энергия процесса окисления в митохондриях превращается сначала в электрическую (мембранный потенциал), а затем вновь переходит в химическую форму и используется для фосфорилирования АТФ неорганическим фосфатом. В самые последние годы эта гипотеза была подтверждена работами советских и американских лабораторий. Оказалось, что цепь окислительных ферментов — переносчиков электронов располагается поперек внутренней мембраны митохондрий, в результате чего окислительная реакция приводит к переносу электронов от одной стороны мембраны к другой ее стороне и к появлению разности электрических потенциалов между вне- и внутримитохондриальными участками. Мембранный потенциал может быть образован также за счет гидролиза АТФ митохондриальной АТФазой, локализованной во внутренней мембране. Этот процесс обратим, что обеспечивает возможность использования энергии окисления, превращенной в мембранный потенциал, для синтеза АТФ.

В 1971 г. Э. Ракеру (США) удалось продемонстрировать самосборку мембранных пузырьков, способных к окислительному фосфорилированию. Пузырьки, образованные из фосфолипидов и очищенных ферментов ды­хания и фосфорилирования, генерировали мембранный потенциал и син­тезировали АТФ за счет энергии, освобождающейся при окислении ас­корбиновой кислоты кислородом.

Изучение функций мембранного потенциала в митохондриях привело к выяснению природы осмотической работы целого ряда биомембран. Оказалось, что катионы, проникающие через мембрану митохондрий, накапливаются внутри этих органелл под действием электрического поля, которое генерируется дыханием или расщеплением АТФ. Обнаружилось также, что проникающие слабые кислоты аккумулируются митохондрия­ми, двигаясь по градиенту рН, возникающему в результате работы тех же ферментативных систем, которые образуют мембранный потенциал.

Выяснение природы движущих сил ионного транспорта в митохонд­риях позволило продвинуться в понимании механизма осмотической работы мембраны хлоропластов и бактерий. Оказалось, что и в этих случаях химическая энергия субстратов окисления или АТФ, а также энер­гия света сначала превращается в электрическую и лишь затем исполь­зуется для переноса целого ряда соединений против концентрационных градиентов.

Иной механизм обнаружился при изучении осмотической работы клеточной мембраны животных организмов. Оказалось, что в этом случае первичным процессом является, как правило, выход из клетки ионов Na⁺ в обмен на внешние ионы К⁺. Источником энергии служит гидро­лиз АТФ, который катализируется специальным мембранным ферментом — АТФазой, активизируемой ионами Na⁺ и К⁺ (Na, К-АТФазой). Перенос веществ в клетку против концентрационных градиентов происходит вместе с ионами Na⁺, которые движутся внутрь клетки по градиенту своей концентрации.

Рис. 4.1.25. Питер Деннис Митчелл (1920 – 1992)

Подобное положение характерно также для многих других явлений трансформации энергии в клетке, таких, как механическая работа ак-томиозина, сократительных белков сперматозоидов, бактерий и фагов, механическая работа рибосом, энергообеспечение процесса нервного воз­буждения и т. д. Во всех этих случаях выяснена природа ферментов (или комплексов ферментов с небелковыми компонентами), осуществляю­щих акт трансформации энергии, но каким образом происходит этот акт, пока остается неизвестным. Сказанное относится даже к такому срав­нительно простому случаю, как рассеяние энергии дыхания в виде тепла. Доказано, что этот процесс у теплокровных животных может оказываться биологически полезным в условиях внешнего охлаждения организма.

Рис. 4.1.26. Сопряжение переноса электронов с синтезом АТФ согласно хемиосмотической теории.