Решение проблемы аэробного дыхания. Открытие цикла трикарбоновых кислот

В течение долгого времени считали, что брожение и дыхание представляют собой совершенно независимые процессы. Однако уже Э. Пфлюгер во второй половине XIX в. высказывал предположение о тесной взаимосвязи этих процессов. Окончательно представления о единстве брожения и дыхания были разработаны С.П. Костычевым (1910), согласно взглядам которого взаимосвязь между ними могла быть представлена следующей схемой:

Работы Костылева (1907, 1911) доказали, что начальные фазы аэробного дыхания должны быть сопряжены с конечными фазами анаэробного распада углеводов.

Сергей Павлович Костычев. 1877–1931.

Первые шаги к расшифровке механизма аэробного дыхания сделал после работ Костычева в 30‑х годах А. Сцент‑Дьёрдьи (Нобелевская премия, 1937). Исследуя дыхание измельченных тканей сердечной мышцы голубя, отличающейся особенно высокой скоростью окислительных процессов, он обнаружил, что постепенно снижающаяся интенсивность поглощения кислорода измельченными мышцами (гомогенатами) может быть восстановлена добавлением солей некоторых органических кислот (янтарной, фумаровой, яблочной и щавелевоуксусной). Наоборот, очень близкая по строению малоновая кислота подавляет интенсивность процесса. Почти одновременно шведский химик Т. Тунберг показал, что мышцы содержат особые ферменты – дигидрогеназы янтарной, фумаровой и яблочной кислот. В дальнейшем американский биохимик Г.А. Кребс обнаружил, что «эффект Сцент‑Дьёрдьи» может быть получен также при добавлении к гомогенатам солей кетоглутаровой и пировиноградной кислот, а также аминокислот – глутаминовой и аспарагиновой. Эти открытия навели на мысль, что перечисленные кислоты последовательно превращаются одна в другую в процессе разложения наиболее сложной из них. При этом происходит постепенное окисление органического вещества. Так, была выявлена последовательность: лимонная кислота ↔ цис‑ аконитовая кислота ↔ изолимонная кислота ↔ кетоглутаровая кислота.

Генрих Виланд. 1877–1957.

Подобные схемы полупили должную оценку после выяснения принципа использования Энергии организмом на отдельных этапах окисления (вернее, дегидрирования) промежуточных продуктов. Супругам К. и Г. Кори, исследовавшим процессы распада и синтеза гликогена в мышцах, удалось не только расчленить процесс превращения гликогена в глюкозу на отдельные этапы, но и воспроизвести синтез гликогена из глюкозы in vitro. Глюкоза была последовательно превращена с помощью соответствующих ферментов в глюкозо‑6‑фосфат, глюкозо‑1‑фосфат и гликоген. Самым важным в этих исследованиях было выяснение роли АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) как донатора фосфатных групп, а также открытие процесса восстановления АТФ и АДФ (аденозиндифосфата) на последней ступени (Нобелевская премия, 1947).

После того как было выяснено, что фосфорные эфиры являются промежуточными продуктами распада углеводов, Г.А. Кребс предложил в 1937 г. схему довольно сложного цикла превращений органических кислот, объясняющую все основные моменты их постепенного окисления и образования АТФ на узловых этапах этого процесса (Нобелевская премия, 1953). Таким образом, этот цикл, получивший название цикла трикарбоновых кислот, связал процессы поэтапного окисления органических веществ и постепенного выделения энергии в организме. Наиболее важным в цикле Кребса был этап, связывающий процессы аэробного и анаэробного распада углеводов – декарбоксилирование пировиноградной кислоты и перенос ацетильной группы на щавелевоуксусную кислоту, являющуюся конечным продуктом окисления первого компонента цикла – лимонной кислоты. Разработанный Кребсом цикл в дальнейшем был уточнен и подвергся гораздо большей детализации, но его основные звенья сохранили свое значение.

На период 30‑40‑х годов приходится формирование основных представлений о дыхательной цепи. После открытия Д. Кейлиным цитохромов (1925) возникла реальная возможность построения единой схемы включения кислорода в окислительные процессы. Эта схема предусматривала как активирование водорода, идею которого отстаивали еще В.И. Палладин и Г. Виланд, так и активирование кислорода, после работ А.Н. Баха развиваемое О. Варбургом. Изучение ферментов дыхательной цепи и введение понятия о переносе электронов и окислительно‑восстановительном потенциале закончилось в 40‑х годах построением схемы дыхательной цепи, лежащей в основе современных представлений.

В передаче водорода (электрона) от молекулы дыхательного субстрата к кислороду воздуха и в активации обоих элементов основную роль играют отдельные ферменты и ферментативные системы. В изучении дегидрогеназ и оксидаз за последние два‑три десятилетия получено много новых данных. Например, использование тяжелого изотопа кислорода О¹⁸ позволило X. Хайами и его сотрудникам в 50‑х годах подтвердить опытным путем достоверность гипотезы А.Н. Баха о возможности в процессе дыхания прямого присоединения кислорода к дыхательному субстрату. При этом было доказано и существование оксидаз, активирующих молекулярный кислород и делающих его способным реагировать с органическими соединениями. Хайами назвал их фенольными оксидазами, а Г. Мезон предложил эту группу ферментов называть трансферазами кислорода.

Не менее успешно шла в последние годы также разработка проблемы энергетики дыхания. В 50‑х годах были получены данные, позволившие разработать основы современных представлений по данному вопросу, согласно которым процесс окисления или восстановления можно трактовать как отнятие от дыхательного субстрата и присоединение к нему электрона.