Продукты промежуточного обмена

Продукты промежуточного обмена

Различные химические агенты, действуя на насекомых, сорняки и микробы, 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 отношении нельзя пройти мимо заслуг английского биохимика Артура Хардена (1865–1940), который занимался ферментами дрожжевой вытяжки (напомним: Бухнеру удалось доказать, что эта вытяжка не менее активно расщепляет сахара, чем сами дрожжевые клетки). Еще в начале нынешнего столетия (1905) Харден обратил внимание, что 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 кратковременных) соединений, которые образуются в процессе химических реакций в тканях организма.

Попробуем вкратце рассказать об основных направлениях этих поисков. 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 (разновидность 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 Арчибалд Вивьен Хилл (род. в 1886 г.), проводя опыты по определению количества тепла, образующегося в момент сокращения мышцы.

В 30-е годы американский биохимик Карл Фердинанд Кори (род. 1896 г.) и его жена Герти Тереза Кори (1896–1957) 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 Альберт Липман (род. в 1899 г.) 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 организму химической форме. Распад высокоэнергетических фосфатов высвобождает количество энергии, достаточное для осуществления различных химических превращений, идущих с поглощением энергии[7].

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 Гейнрихом Варбургом (род. в 1883 г.). 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-Дьердю (род. в 1893 г.) и английскому биохимику Гансу Адольфу Кребсу (род. в 1900 г.). К 1940 г. Кребс выявил все основные этапы превращения молочной кислоты до углекислоты и воды; последовательность этих реакций часто называют циклом Кребса. Еще раньше Кребс изучал основные стадии образования продукта выделения — мочевины — из входящих в состав белков аминокислот. Он установил, что при этом происходит отщепление азота и остатки молекул аминокислот распадаются, выделяя нужную энергию. Тем самым Кребс подтвердил справедливость гипотезы Рубнера, выдвинутой почти за 50 лет до него.

Изучение внутреннего химизма клеток позволило ученым расширить представления о тонкой структуре клетки. 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. Американский физик Владимир Зворыкин (род. в 1889 г.) 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, или частиц.

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 0,002–0,005 мм. Детальное изучение органелл, проведенное американским биохимиком Дэвидом Эзрой Грином (род. в 1910 г.) и его сотрудниками, показало, что именно в митохондриях протекают реакции цикла Кребса. В самом деле, здесь идут все реакции с участием катализирующих ферментрв, связанные с использованием молекулярного кислорода. Таким образом, оказалось, что маленькая органелла является своеобразной энергетической станцией клетки.
1

Рис. 5. Современная схема строения клетки, основанная на наблюдениях в электронном микроскопе.