Историческая обусловленность классических представлений о метаболизме
|
|
Скачать 333.87 Kb.
|
|
Г Л А В А 1 ИСТОРИЧЕСКАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ КЛАССИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАБОЛИЗМЕ Как было показано во введении, систематизация материала о метаболизме на основе представлений о структурно-химической симметрии имеет ряд существенных достоинств. В то же время такая систематизация оставляет в стороне некоторые моменты, представляющиеся весьма важными для традиционного физиологического подхода. Поэтому, прежде, чем обсуждать новый подход в качестве альтернативы физиологическому, необходимо показать, что отказ от последнего не только не приводит к отрицательным последствиям в понимании метаболизма, но скорее, наоборот, создает условия для преодоления представлений, не соответствующих современному уровню знаний и продолжающих сохраняться лишь в силу устойчивости традиций. Характерным для этих представлений является то, что своим появлением в биохимии они были обязаны не столько внутренней логике науки, сколько, главным образом, внешним обстоятельствам ее развития, таким, как ситуации в смежных областях знаний, потребности практики, общенаучные представления эпохи. Однако все это не является самоочевидным и для своего выявления требует достаточно внимательного разбора истории биохимии. Цель настоящей главы состоит в том, чтобы в результате конспективного рассмотрения истории формирования классических представлений биохимии обосновать правомерность отказа от некоторых из них при систематизации материала о метаболизме. При написании главы наряду с первоисточниками широко использовалась литература обзорного характера [1,9,26,30,32,39,40,43,46,50,63, 68,82,83,152].
Одним из основополагающих понятий в классической интерпретации метаболизма является понятие метаболического пути. Первоначально это понятие возникло в рамках физиологии при исследовании промежуточных стадий превращений органических соединений в живых организмах. Однако прежде, чем подобного рода исследования стали возможными, в химии должны были появиться представления о соответствующих соединениях. Условия для химических экспериментов в физиологии впервые возникли во второй половине XVIII столетия. В это время бурно развивается пневмохимия: характеризуются химические свойства различных газов, открывается кислород, формируется представление о сложном газовом составе атмосферы. На основании изучения свойств кислорода Лавуазье дает правильную интерпретацию процесса горения. Показав, что при сжигании органических соединений в кислороде и при дыхании, образуются одни и те же продукты, он поставил старую аналогию между дыханием и горением на твердую химическую основу. Измерение количеств участвующих в дыхании газов, поглощаемых животными органических соединений, а также выделяемого ими тепла привело к выводу, что на процессы окисления падает значительная доля общего метаболизма организмов. Таким образом, эти исследования впервые наметили крайние точки окислительных метаболических путей, органические соединения и кислород с одной стороны, углекислый газ и вода с - другой. С представлениями об этих путях оказались так или иначе связаны все последующие исследования метаболизма. Примерно в тот же период и благодаря тем же достижениям в химии Пристли и несколько позже Ингенхаузом были проведены исследования, приведшие к открытию фотосинтеза. Этот процесс по участвующим в нем соединениям и направленности представлялся противоположным дыханию. Так же, как и в случае с дыханием, открытие фотосинтеза положило начало исследованиям промежуточных стадий этого процесса. Таким образом, все химические сведения о метаболизме, имевшиеся в конце XVIII в., можно выразить в виде следующей простой схемы.  ^ фотосинтез Пристли, 1772 г. Ингенхауз, 1779 г. Органические соединения + кислород  углекислый газ + вода К началу XIX в. первоначальные представления о веществах животного и растительного происхождения постепенно дифференцировались в понятия, белки, жиры, углеводы, органические кислоты и т.д. Из индивидуальных соединений были охарактеризованы те, которые легко выделялись из доступных источников и могли быть получены в достаточных для изучения количествах. Список этих соединений включал крахмал, целлюлозу, глюкозу, лактозу, винный спирт, глицерин, уксусную кислоту, лимонную кислоту, яблочную кислоту, щавелевую кислоту, молочную кислоту, янтарную кислоту, винные кислоты, пировиноградную кислоту, бензойную кислоту, мочевую кислоту, аспарагин, мочевину, камфору и холестерин [16]. Необходимо отметить, что своей ранней идентификацией кислоты и сахара в значительной степени обязаны их специфическим органолептическим свойствам. Однако вопрос о путях превращений в живых организмах возник не для всех перечисленных соединений одновременно. Исследования метаболизма этих соединений предпринимались в той последовательности, в какой их стимулировала общественная практика. Объявленная в 1806 г. Наполеоном континентальная блокада привела к увеличению в Европе цен на тростниковый сахар. В связи с этим возник вопрос о замене привозного сахара сахаром из местных источников. Вопросом получения сахара из доступных продуктов заинтересовался петербургский аптекарь Кирхгоф [35]. В результате проведенных исследований он обнаружил, что при обработке крахмала минеральными кислотами или вытяжками солода образуется виноградный сахар. Это открытие положило начало технологии производства патоки. Революция во Франции отразилась на развитии науки не только через изменение экономических условий. Сопутствующие ей войны вызвали резкое повышение интереса к проблемам медицины. В физиологии это выразилось в том, что академические по духу исследования дыхания и теплопродукции сменились имеющими практическое значение исследованиями механизма действия лекарств и химической природы процессов, лежащих в основе болезненных состояний организма. Связанные в значительной степени с развитием химии новые возможности и новые цели физиологических исследований вызвали на первых порах резкую критику практиковавшихся ранее механистических подходов к изучению процессов жизнедеятельности. Эта критика сопровождалась попытками выработать новые, более прогрессивные взгляды на природу процессов, протекающих в живых организмах. В качестве интересного примера такой критики можно привести слова знаменитого в свое время французского врача и физиолога Ксавье Биша [12 с.65-67]: "Можно вычислить возвращение кометы, сопротивление для жидкости, протекающей по неподвижному каналу, скорость полета снаряда и прочее, но вычислять вместе с Борелли силу мускул, с Кейлем скорость обращения крови, с Джьюрином, Лавуазье и другими количество воздуха, входящего в легкие, это то же, что на зыбком песке строить здание, прочное само по себе, но падающее немедленно вследствие отсутствия прочного фундамента… Из этого легко заключить, что наука об органических телах должна употреблять совершенно иные приемы, нежели наука о телах неорганических. Она требует употребления, так сказать, другого языка, ибо большая часть терминов, переносимых нами из наук физических в науку о животных и растениях, рождает в нас понятия, которые вовсе не вяжутся с явлениями, рассматриваемыми последнею". Замечательно, что этот призыв против некритического использования в биологии методов и концепций из других областей знаний звучит вполне современно и сегодня. На деле подобного рода критика способствовала в то время распространению виталистических взглядов. Однако ввиду отсутствия позитивного содержания витализм как учение оказался бесплодным. Поэтому, сменив под влиянием новых условий методы и цели исследований, физиологи в практической работе продолжали руководствоваться механистической идеологией своих предшественников. Наиболее известными представителями нового направления физиологии были Ф.Мажанди и К.Бернар. Из достижений в изучении метаболизма в этот период существенным представляется открытие Клодом Бернаром [45] гликогена в печени и факта его обратимого превращения в глюкозу крови. Три обстоятельства способствовали этому открытию: ранее достигнутые успехи в установлении взаимоотношений между глюкозой и крахмалом, факт наличия в крови больных диабетом высоких концентраций глюкозы и, наконец, острая заинтересованность медицины в установлении причин сахарного диабета. Действительно, к исследованию превращений глюкозы в животном организме К.Бернара привела необходимость разобраться в природе сахарного диабета. Обнаруженный им факт исчезновения глюкозы из крови воротной вены в печени и известное свойство крахмала превращаться в глюкозу позволили К.Бернару предположить, что в организме человека глюкоза может превращаться в соединение, подобное крахмалу. После этого оставалось лишь установить наличие в печени крахмалоподобного соединения гликогена. Таким образом, результаты исследований К.Бернара и предшествовавших им исследований Кирхгофа могут быть суммированы в виде следующей схемы:  Кирхгоф, 1811 г. К.Бернар, 1857 г. крахмал гликоген   глюкоза Открытия К.Бернара послужили отправным пунктом для исследований промежуточных этапов превращения углеводов в тканях животных. Однако благоприятные условия для широкого развертывания этих исследований возникли только после успехов биохимии спиртового брожения. ^ Важным источником новых сведений о превращениях веществ в живых организмах, начиная с середины XIX в., становятся исследования различных брожений, и в первую очередь сбраживания глюкозы дрожжами. Уравнение спиртового брожения было выведено Гай Люссаком еще в 1815 г.: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 Однако в тот период брожение с деятельностью живых организмов еще не связывалось и поэтому его изучение на формировании представлений о метаболизме никак не отражалось. Интенсивное развитие во Франции на промышленной основе в середине XIX в. поставило ряд вопросов о регуляции и контроле бродильных процессов. В связи с этим Луи Пастером [58] в 1860 г. были предприняты исследования природы брожения. В результате он показал, что мнение о непричастности к брожению живых дрожжей ошибочно. При этом выяснилось, что дрожжи в своей жизнедеятельности могут обходиться без свободного кислорода. Более того, исследовав условия существования ряда микроорганизмов, вызывающих различные виды брожений и гниений, Пастер обнаружил, что кислород для некоторых из них губителен. Эти факты находились в резком противоречии с утвердившимся после работ Лавуазье и его последователей мнением о невозможности жизни в отсутствие свободного кислорода. Казалось, что открытия Пастера должны были привести к отказу от представления о дыхании как универсальном явлении живой природы. Однако все произошло иначе. Пастер решил, что возникшее противоречие проще ликвидировать путем расширения содержания самого понятия дыхания. Он, в частности, предложил считать, что дыхание микроорганизмов в анаэробной среде осуществляется за счет вутримолекулярного кислорода сбраживаемых углеводов. Таким образом, из обязательных признаков дыхания было исключено участие в нем свободного кислорода. В результате появилось понятие анаэробного дыхания, а наметившиеся благодаря исследованиям Пастера метаболические пути сбраживания углеводов стали рассматриваться как процессы, в которых это дыхание осуществляется. Расшифровка промежуточных стадий путей брожения могла быть достигнута только при изучении процессов, осуществляемых внутриклеточной средой. Однако получить способный к брожению бесклеточный экстракт дрожжей долгое время не удавалось. Первый успешный шаг в этом направлении был сделан братьями Бюхнерами [110, 111] в 1897 г. Открытие бесклеточного брожения было связано со случайным наблюдением ими бурного выделения углекислого газа при добавлении сахара в качестве антисептика в экстракт из особой расы дрожжей. Обеспечивающий брожение ферментативный комплекс получил название зимазы. Изучение свойств дрожжевых экстрактов сделалось центральной проблемой биохимии. В начале XX в. эти исследования привели к открытию важной роли в метаболизме фосфатных производных. Так, английские исследователи Гарден и Юнг [166-168] и почти одновременно с ними русский ученый Л.Иванов [185] нашли, что углеводы в дрожжевом экстракте превращаются в фосфатные эфиры гексоз. Другим важным открытием было обнаружение Гарденом и Юнгом в прокипяченном дрожжевом экстракте фосфорсодержащей фракции, способной ускорять брожение в свежем экстракте, получившей несколько позже название козимаза. Как выяснилось впоследствии, козимаза представляла собой сложную смесь соединений, включающую НАД, НАДФ, адениловые нуклеотиды, тиамин, пирофосфат и некоторые другие. Надо отметить, что открытие участия в брожении фосфатных производных не было случайностью. Уже Пастеру было хорошо известно, что фосфаты необходимы для роста дрожжей; на ускорение бесклеточного брожения фосфатами указывал также Е.Бюхнер. Фосфатные эфиры гексоз образуются в начальном этапе брожения. Однако последовательность реакций спиртового брожения оказалась более доступной для изучения со стороны ее конечных этапов. Различными способами было показано, что предшественником спирта на конечном этапе является ацетальдегид. Один из них, в частности, был основан на улавливании ацетальдегида в виде его сульфитного производного [39, с.476-478]. Крупным достижением было открытие Нойбергом [240] в 1911 г. карбоксилазы фермента, осуществляющего декарбоксилирование пирувата с образованием ацетальдегида и СО2. Одновременно было показано, что пируват образуется в процессе брожения.  Что касается начальных стадий брожения, то в 1913 г. Нойберг и Керб [241] развили теорию, согласно которой гексозы при брожении расщепляются на две молекулы метилглиоксаля, превращающегося затем в пируват. Эта теория была основана на ошибочном толковании факта накопления метилглиоксаля в искусственных условиях опыта. В результате путь сбраживания углеводов дрожжами в начале ХХ в. представлялся таким, как это изображено на рис.1. Несмотря на то, что к этому времени русским ученым А.Лебедевым [209] уже была сформулирована более правильная теория брожения, теория Нойберга продержалась в литературе около двух десятилетий, пока не была окончательно опровергнута в начале тридцатых годов работами школ Эмбдена и Мейергофа. Успехи биохимии спиртового брожения положили начало широким исследованиям метаболизма у микроорганизмов. По мере изучения различного рода брожений накапливались сведения о метаболизме таких органических кислот, как лимонная, яблочная, янтарная, фумаровая, щавелевая, а также некоторых аминокислот. Поскольку органические кислоты были получены сбраживанием глюкозы, то пути их образования автоматически рассматривались как модификация пути спиртового брожения. Однако более поздние исследования показали, что путь сбраживания глюкозы, характерный для дрожжей, является в биосфере скорее исключением, чем правилом. В частности, выяснилось, что он не свойствен бактериям. Например, широко используемое в Мексике алкогольное сбраживание сока агавы бактериями Zymomonas mobilis осуществляется по 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатному пути. Отличными от дрожжей путями осуществляют спиртовое брожение также Ehterobacteriaceae, клостридин и гетероферментные молочнокислые бактерии [87 с. 244-247]. . ^ Стремление физиологов понять природу сокращения мышц стимулировало всестороннее изучение протекающих в них биохимических процессов. В конце ХIX в. было уже известно, что взаимопревращение гликоген - глюкоза осуществляется не только в печени, но и в мышцах. Ввиду этого, а также благодаря достижениям в исследованиях биохимии сбраживания глюкозы в начале ХХ в., наиболее благоприятные условия сложились для изучения обмена углеводов в мышцах. Давно известный физиологам факт накопления лактата в мышцах в анаэробных условиях свидетельствовал о сходстве протекающего в них процесса с молочнокислым брожением. В проведенных в 1907-1917 гг. исследованиях Флетчер и Гопкинс [148] установили пропорциональную зависимость между накоплением в мышцах лактата и совершаемой ими работой. В 1912 г. Эмбден [138] впервые выделил мышечный сок, способный количественно переводить гексозодифосфат в молочную кислоту, а в 1915 г. открыл образование в мышцах фосфатных производных. После этого за процессом образования лактата в мышцах утвердилось название гликолиза. В 1918 г. Мейергоф обнаружил, что в тканях мышц содержится фактор, сходный с козимазой, впервые обнаруженной Гарденом и Юнгом в 1906 г. в дрожжевых экстрактах. Благодаря работам Мейергофа и Хилла [175, 227], отмеченным в 1922 г. Нобелевской премией, мнение о том, что гликолиз является единственным и непосредственным энергетическим источником мышечного сокращения, стало общепринятым. В работах 1921-1927 гг. Эмбденом было четко показано, что при распаде мышечного гликогена в присутствии неорганического фосфата образующиеся фосфатные эфиры гексоз в последующих превращениях расщепляются до триоз без образования метилглиоксаля. Как уже отмечалось выше, эти исследования подтвердили взгляды Лебедева на механизм спиртового брожения и доказали сходство его начальных этапов с гликолизом в мышцах. Лактатная теория мышечного сокращения и общность гликолиза со спиртовым брожением способствовали возникновению представления об универсальности пути гликолиза для всех организмов. Однако лактатной теории противоречил известный уже в то время факт работы мышц в отсутствие углеводов за счет распада жиров. В 1930 г. Лундсгард [218] установил, что сокращение отравленных йодацетатом мышц происходит без образования лактата. Приведенные факты, вместе с рядом других, привели в конечном счете к отказу от лактатной теории мышечного сокращения. Тем не менее, это уже не могло изменить сложившегося отношения к гликолизу как главному пути обмена веществ, а способствовало перемещению целей его исследований в иную плоскость. Изучая ингибирование гликолиза йодацетатом, Лундсгард обнаружил, что процесс мышечного сокращения наряду с образованием лактата сопровождается расщеплением креатинфосфата, который не задолго до того (и несколько раньше, чем АТФ) был открыт Фиске и Суббароу [145] благодаря применению новой методики количественного определения органических фосфатов. В 1934 г. Ломанн [217] обнаружил, что фосфат фосфокреатина в мышцах может обратимо переходить в АТФ. Исследования условий превращения фосфатных эфиров триоз привели в 1935 г. к открытию фосфорилирования АДФ фосфоенолпируватом [228], а в 1938 г. -сопряжения окисления фосфоглицеринового альдегида в присутствии НАД с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата [229]. Это показало возможность синтеза АТФ за счет анаэробного расщепления углеводов и впервые продемонстрировало прямую связь процессов фосфорилирования с окислительно-восстановительными процессами. В 1939 г. В.А.Энгельгардт и М.Н.Любимова открыли АТФ-азную активность мышечного белка миозина [48], а в 1942 г. обнаружили изменение физико-химических свойств миозина в присутствии АТФ [88]. Благодаря этим исследованиям был сделан вывод, что непосредственным источником мышечной энергии является процесс расщепления АТФ, а гликолиз может рассматриваться лишь в качестве одного из метаболических путей, сопряженных с биосинтезом АТФ в анаэробных условиях. Обнаружение организмов, не содержащих ферментов гликолиза [44], например, бактерии Acetobacter xylinium [70, 261], явилось доказательством необязательности этого пути и для анаэробного синтеза АТФ. Более того, была опровергнута универсальность пути гликолиза даже для молочнокислых бактерий [87б с. 249]. Так, для гетероферментных молочнокислых бактерий было показано, что начальное расщепление глюкозы происходит у них не по фруктозодифосфатному пути, а исключительно по пентозофосфатному, то есть через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат. Несмотря на то, что приведенные факты ставили путь гликолиза в один ряд с остальными метаболическими путями, преемственная связь между исследованиями гликолиза и спиртового брожения, большое количество посвященных гликолизу работ и изученность по сравнению с другими метаболическими путями создали впечатление об его исключительной роли в метаболизме. Поэтому в системе представлений о метаболических путях одно из первых мест по сложившейся традиции продолжает отводиться гликолизу. ^ Первоначальные сведения о составляющих жиры компонентах были получены Шееле еще в XVIII в. Большая работа по установлению строения жиров была проделана в начале ХIX в. Шеврелем, которым, в частности, было показано, что в состав жиров, кроме глицерина, входят различные жирные кислоты (стеариновая, олеиновая, масляная, капроновая и т.д.). То, что жиры в организме могут полностью разрушаться до углекислого газа и воды, было известно давно на основании анализа результатов измерений дыхательного коэффициента. Первые успехи в исследовании промежуточных стадий метаболизма жирных кислот, так же как и углеводов, связаны с изучением диабета. В 1883 г. Р.Якш нашел в моче больных диабетом ацетоацетат. Годом позже была обнаружена левовращающая -оксимасляная кислота. Химическое сродство этих кислот с масляной указывало на то, что их источником должны быть жиры. Проблема сводилась к определению пути нормального окисления жирных кислот, так как предполагалось, что при диабете этот путь блокируется на промежуточной стадии. В 1904 г. Кнооп [196] показал, что в организме собак при кормлении их жирными кислотами, имеющими на конце углеводородной цепи бензольное кольцо, в случае кислот с четным числом атомов углерода образуется фенилуксусная кислота, в то время как при нечетном числе атомов - бензойная кислота. Это свидетельствовало в пользу распада жирных кислот посредством последовательного отщепления двухуглеродных фрагментов. Однако осуществить окисление жирных кислот в бесклеточной системе удалось только в 1943 г., то есть почти на полвека позже, чем это было сделано в отношении углеводов. Исследования путей биосинтеза жирных кислот велись параллельно исследованиям путей их расщепления. В 1912 г. Эмбден и Оппенгеймер нашли, что при перфузии пирувата через печень образуется ацетоацетат [139]. В 1913 г. Фридман в аналогичных опытах обнаружил образование ацетоацетата из ацетата [151]. После установления в 1935 г. факта образования ацетоацетата из жирных кислот в количествах, превышающих эквимолярные, был сделан вывод о том, что ацетоацетат не является продуктом неполного расщепления жирных кислот, а образуется в результате ресинтеза из двухуглеродных продуктов их распада [273]. Биохимические детали метаболизма жирных кислот были выяснены лишь к концу 50-х годов ХХ в. [161, 219, 291] после открытия ацетил-КоА и благодаря применению новых методов исследования, включавших использование изотопов и хроматографии. ^ Большой интерес к дыханию как наиболее очевидному проявлению жизни и связанные с работами Лавуазье первые успехи химического направления физиологии в изучении именно этого процесса обеспечили ему центральное положение в исследованиях обмена веществ. Открытие Пастером в середине ХIX в. анаэробной жизни не только не изменило отношение к дыханию как к явлению общебиологического значения, но, как уже отмечалось выше, наоборот, привело к расширению содержания понятия дыхания за счет включения в него окислительно-восстановительных процессов, не связанных со свободным кислородом. В то время как вопрос о механизме анаэробного дыхания был решен сравнительно просто (его решением по существу явилось установление промежуточных стадий пути спиртового брожения и гликолиза), выяснение механизма аэробного дыхания потребовало значительно больших усилий. В середине ХIX в. было установлено, что поглощение кислорода осуществляется всеми клетками животного организма, а не специализированными тканями (легкие, кровь), как предполагалось ранее. В 1903 г. Бах и Шода [120], основываясь на наблюдениях Шенбайна окисления гваяколовой настойки перекисью водорода в присутствии животных и растительных тканей и на результатах собственных исследований, развили первую получившую широкое признание химическую теорию биологического окисления. Согласно этой теории, начальные этапы окисления состояли в образовании органических перекисей. В 1928 г. Варбургом [296] была сформулирована теория окисления, основанная на представлении об активировании кислорода железосодержащими соединениями организма, названными им дыхательным ферментом. Эта теория базировалась на сходстве условий ингибирования биологического окисления и катализируемого соединениями железа химического окисления. Развитие во второй половине XIX в. химии красителей и их широкое использование в гистологических исследованиях [60] привели к открытию в растительных и животных тканях дегидрогеназ, способных специфически катализировать окисление различных органических cоединений. На основании изучения этих реакций Палладиным [56], Виландом [300] и Тунбергом [285] была развита теория, согласно которой сущность биологического окисления состояла в активировании водорода субстратов и последующего его переноса на подходящий акцептор. В качестве такого акцептора в опытах обычно использовался метиленовый синий. При этом Тунбергом была предложена схема окисления в виде циклической последовательности реакций, которая позволяла решить вопрос о механизме полного окисления промежуточных продуктов расщеплоения жиров и углеводов в тканях. Схема предусматривала окисление молекулы ацетата до СО2 и Н2О. Для замыкания цикла Тунбергу пришлось воспользоваться гипотетической реакцией конденсации двух молекул ацетата в сукцинат. Однако эта схема не получила экспериментального подтверждения.  Описанный в 1886 г. Макмунном цитохром, являясь окрашенным соединением, оказался удобным объектом для спектрофотометрических исследований. В 1925-1928 гг. Кейлин [193], изучая спектральные характеристики цитохрома, установил его способность восстанавливаться различными органическими соединениями в присутствии дегидрогеназ и окисляться кислородом в присутствии дыхательного фермента Варбурга. Это открытие объединило теории активирования кислорода и водорода субстратов в одно целое. В 1934-1937 гг. Сцент Дьердьи с сотрудниками [282 с. 19-25] исследовали каталитическое действие четырехуглеродных кислот на поглощение кислорода мышцами. Истолкование Кейлиным роли цитохрома в клетке как моста, осуществляющего связь между дегидрогеназами и дыхательным ферментом Варбурга, позволило Сцент Дьердьи интерпретировать результаты своих исследований в виде цепи окислительно-восстановительных реакций, осуществляющей перенос водорода с неизвестного донора на кислород. В 1937 г. Ганс Кребс [203], проанализировав данные Сцент Дьердьи и результаты собственных исследований, заключавшиеся в обнаружении каталитического действия цитрата на поглощение тканями кислорода, синтеза цитрата из оксалоацетата при добавлении двух атомов углерода неизвестной природы и последовательного превращения цитрата в -кетоглутарат и сукцинат, вернулся к объяснению окисления органических кислот в виде циклической схемы. Так же как и у Тунберга, предложенная им схема предусматривала окисление двух атомов углерода за один полный оборот цикла. Только в 1952 г. было показано, что веществом, участвующим в образовании цитрата из оксалоацетата, является ацетил КоА [274]. КоА впервые был обнаружен Фрицем Липманом в 1945 г. как кофактор ацетилирования сульфамидов в печени голубя [216]. Решение давно поставленной физиологией задачи разобраться в природе взаимоотношений между дыханием и мышечной работой химики видели в установлении связи между окислительными процессами при поглощении кислорода в тканях и биохимическими процессами, сопровождавшими мышечное сокращение. В 1932 г. В.А.Энгельгардт [140] впервые указал на связь между дыханием и фосфорилированием. В 1939 г. почти одновременно с открытием окислительного фосфорилирования в реакциях гликолиза В.А.Белицером и Е.Т.Цибаковой [7] было обнаружено сопряжение окисления соединений цикла Кребса с фосфорилированием креатина в мышцах. После того, как в конце сороковых годов ХХ в. было показано, что ферменты цикла Кребса размещены в митохондриях [177, 195], а в 1951 г. Ленинджер [212] продемонстрировал, что окисление восстановленного НАД в митохондриях сопряжено с синтезом АТФ, цикл Кребса стал рассматриваться как главный биохимический механизм генерирования энергии в клетке в аэробных условиях. Обнаружение отдельных реакций цикла Кребса во многих биологических объектах породило широко распространившееся представление о том, что этот цикл как целостная схема функционирует во всех аэробных организмах. Однако впоследствии было показано, что универсальность цикла Кребса весьма относительна. Об этом, в частности, говорят факты нарушения у многих организмов замкнутости последовательности реакций цикла Кребса, которая является главным условием его существования как динамической системы. Например, накопление у ряда растений таких соединений, как цитрат [71 с. 40], аконитат, сукцинат и фумарат [10 с. 291], свидетельствует об отсутствии или малой активности у них ферментов, ответственных за дальнейшее превращение этих соединений в цикле Кребса. У аэробных бактерий, продуцентов глутамата, отсутствует -кетоглутарат-дегидрогеназа [67 с. 205], что делает функционирование цикла Кребса невозможным. Неэффективность малоната как ингибитора дыхания у некоторых растений [71 с. 42] указывает на то, что механизм окисления у них также отличен от цикла Кребса. Доказано, что по пути, отличному от цикла Кребса, осуществляется окисление у синезеленых водорослей [59]. Из этого следует, что цикл Кребса не может рассматриваться как универсальный путь биологического окисления и, следовательно, его исключительное положение в системе современных представлений о метаболизме нельзя считать обоснованным. ^ К числу азотсодержащих органических соединений, охарактеризованных в начале ХIX в., относятся белки, мочевина, мочевая кислота и аспарагин [16]. Первые три, будучи продуктами, характерными для животных, пользовались у физиологов неизменным вниманием. Белки, как доминирующая составная часть животного организма, традиционно рассматривались в качестве основного субстрата жизни, что, в частности, нашло выражение в знаменитой формуле Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел". Однако попытки приписать белкам конкретные физиологические функции в XIX в. не привели к каким либо определенным результатам. Еще в 1842 г. Либих и Дюма полагали, что распад белков в организме является причиной мышечной работы. Однако это предположение оказалось в противоречии с остроумными опытами Фика и Вислицениуса, показавшими, что затрачиваемая при подъеме на гору механическая энергия существенно превосходит ту, которая может быть получена за это время в результате расщепления белков. Несостоятельной также оказалась умозрительная теория Либиха о сопряжении каталитического действия белков и их расщепления при брожении. Из-за больших трудностей выделения и анализа индивидуальных белков белковая природа ферментов была доказана лишь в 30-е годы нашего столетия после кристаллизации Дж. Самнером [280] уреазы, а также благодаря работам Нортропа и Кунитца [55] по очистке и кристаллизации ряда гидролитических ферментов. Одновременно с исследованиями, направленными на выяснение функций белков в организме, предпринимались попытки установления путей их расщепления. Однако если превращение жиров и углеводов в углекислый газ стало доступным для понимания еще в конце XVIII в., то связь между расщеплением белков и образованием мочевины была установлена достаточно четко лишь в 1845 г. Такая задержка объясняется тем, что изучать азотный баланс в организме было существенно сложнее, чем углеродный. Тот факт, что эту связь установили химики Дюма и Либих, был не случайным. Они были авторами известного метода определения азота в органических соединениях. Обнаружение того, что катаболизм белка приводит к мочевине, сразу поставило вопрос о механизме этого превращения. Однако в отличие от полисахаридов, вопрос о расщеплении которых на составляющие компоненты решился просто, вопрос о расщеплении в организме белков оказался намного сложнее. Ни химический, ни ферментативный гидролиз белков не приводил к мочевине. Получавшаяся при этом сложная смесь аминокислот и пептидов не могла быть проанализирована методами, которыми располагала в то время органическая химия. Выделение при гидролизе некоторых белков отдельных аминокислот, например глицина или лейцина, не решало вопроса, тем более, что первые аминокислоты - аспарагин и цистин - были открыты вне связи с белками [83]. Поэтому аминокислоты долгое время рассматривались как побочные продукты разложения белков. О том, что белки представляют собой длинные цепи соединенных пептидной связью аминокислот, стало возможным более или менее уверенно говорить лишь после работ Эмиля Фишера [79] в начале ХХ в. Благодаря применению эфирного метода фракционирования аминокислот Фишеру удалось проанализировать сложные смеси продуктов гидролитического расщепления белков и, используя хлорангидриды аминокислот, синтезировать довольно длинные пептидные цепи. Трудности химического исследования белков видны уже из того, что работа по идентификации всех составляющих белки аминокислот была завершена лишь в 1935 г. после открытия треонина, а пептидная теория строения белков получила окончательное признание и стала основой современных взглядов на строение белка только в 50-е годы после расшифровки Сенгером первичной структуры инсулина и возникновения представлений о структурных уровнях молекул белка. Еще не имея ясных представлений о продуктах расщепления белков в организме, физиологи пытались выяснить, какие соединения являются непосредственными предшественниками мочевины. Первые успехи в изучении пути биосинтеза мочевины были связаны с обнаружением в 1868-1882 гг. фактов образования мочевины при скармливании млекопитающим аминокислот и при перфузии солей аммония через печень. После того как в 1890 г. из белковых гидролизатов была выделена фракция, содержащая аргинин, и в 1904 г. в печени была найдена аргиназа [199] - фермент, расщепляющий аргинин на орнитин и мочевину, исследования биосинтеза мочевины вступили в новую стадию. Эти исследования были значительно ускорены применением манометрического метода анализа мочевины, в основе которого лежала реакция специфического расщепления мочевины уреазой на СО2 и NH3 [280]. Открытие Нейбауэром [238] и Кноопом [197] в 1909-1910 гг. реакции окислительного дезаминирования аминокислот, благодаря которой в организме мог бы накапливаться NH3, свидетельствовало в пользу биосинтеза мочевины непосредственно из СО2 и NH3. Однако прямая реакция образования мочевины из этих соединений не была обнаружена. В то же время объяснение образования мочевины в результате известной реакции расщепления аргинина многим исследователям казалось совершенно неправдоподобным ввиду незначительных концентраций последнего в организме. Это противоречие удалось разрешить Кребсу [202] в 1932 г., когда он обнаружил ускоряющее влияние орнитина и цитруллина на синтез мочевины в срезах печени. Проанализировав известные данные и собственные наблюдения, Кребс нашел, что они хорошо объясняются, если допустить наличие циклической последовательности реакций взаимопревращений орнитина, цитруллина и аргинина, включающей стадии присоединения NH3 и СО2 и отщепления молекулы мочевины. Большое значение для понимания механизма перехода азота из белка в мочевину имело также открытие Браунштейном в 1937 г. реакции трансаминирования [107]. Однако в результате выяснения пути биосинтеза мочевины решался только один вопрос: об утилизации белкового азота. Другой вопрос состоял в том, чтобы выяснить пути превращения углеродной части белковых молекул. Первые сведения о катаболизме углеродных скелетов -аминокислот были получены при исследовании брожений в начале ХХ в. В частности, Эрлихом [136] на основании опытов по сбраживанию аминокислот и аминов была предложена схема разложения аминокислот, предусматривавшая их декарбоксилирование в амины, дезаминирование аминов в альдегиды и восстановление последних в высшие спирты. Нейбауэр и Фромгерц [239] в 1911 г. предложили другой вариант этой схемы, согласно которому аминокислоты дезаминируются до -кетокислот, -кетокислоты подвергаются декарбоксилированию с восстановлением образующихся альдегидов до соответствующих спиртов. Получение сведений о катаболизме ароматических аминокислот и гистидина было связано с обнаружением в 1891 г. стимуляции тирозином образования катехолоподобных соединений в моче больных алкаптонурией [302] и исследованиями, показавшими, что кинуренин и уроканат в моче млекопитающих являются продуктами деградации соответственно триптофана [223 с. 850] и гистидина [223 с. 825]. Однако полученная в первой половине ХХ в. информация о метаболизме аминокислот была слишком фрагментарна. Подробное изучение путей биосинтеза и распада аминокислот и их производных стало возможным лишь начиная с 50-х годов ХХ в. благодаря развитию новых методов исследования с применением изотопов, хроматографии и мутантных штаммов микроорганизмов. Что касается другого важного класса азотсодержащих соединений - нуклеиновых кислот, то с момента их открытия в 1868 г. Мишером до тех пор, пока в середине текущего столетия не была установлена роль ДНК в хранении, передаче и реализации генетической информации, нуклеиновые кислоты рассматривались как метаболически инертная составная часть ядерных белковых комплексов нуклеопротеидов. Интерес к обмену нуклеиновых кислот первоначально проявлялся лишь в связи с тем, что входящие в состав нуклеиновых кислот пурины могли служить предшественниками в биосинтезе мочевой кислоты, нарушение обмена которой приводило к заболеванию подагрой. Этим в значительной степени объясняется то, что к началу 30-х годов был изучен распад пуриновых, а не пиримидиновых компонентов нуклеиновых кислот. Несколько позже нуклеиновые кислоты привлекли внимание как возможный источник фосфатных производных аденозина. Таким образом, отставание в понимании функциональной роли белков и нуклеиновых кислот в организме, обусловленное в значительной степени трудностями их химического исследования, привело к тому, что в сложившихся в первой половине ХХ в. представлениях об обмене веществ азотсодержащие соединения оказались как бы на втором плане после углеводов и органических кислот. ^ Из раздела 5 следует, что представление о метаболических циклах первоначально возникло как теоретическое построение. Удачное применение Кребсом циклических схем для объяснения синтеза мочевины и окисления органических кислот в организме послужило примером для объяснения аналогичным образом других метаболических процессов. Так, открытый в 1931 г. Варбургом и Христианом [293-295] в дрожжевом экстракте, а затем в эритроцитах путь окисления глюкозо-6-фосфата, нечувствительный к обычным ингибиторам дыхания СО и СN-, после подробного изучения реакций взаимопревращений гексоз и пентоз [134, 180, 181, 249] получил объяснение в рамках представлений о пентозофосфатном цикле окисления глюкозы. Когда работами Кальвина и Бассама в конце 50-х годов ХХ в. была показана идентичность реакций темновой фазы фотосинтеза с реакциями пентозофосфатного цикла [10 с. 535-551], путь углерода в фотосинтезе стал описываться при помощи циклической схемы, аналогичной окислительному пентозофосфатному циклу, но с обратным направлением реакций. После открытия в 1953 г. фермента изоцитритазы [115] и в1956 г. малатсинтазы [303] Кребс и Корнберг постулировали дополнительный к трикарбоновому циклу глиоксилатный цикл [198]. Затем было предложено множество других циклов. Среди них цикл дикарбоновых кислот [87 с. 235] - путь окисления глиоксилата, источником которого в организме может быть окисление гликолата или мочевой кислоты; цикл, постулированный Вонгом и Эйлом [292] - модификация цикла Кребса, приводящая к образованию глиоксилата; цикл Хетча Слэка [171] - путь фотосинтеза с участием С3-С4 карбоновых кислот; глициносукцинатный цикл [65 с. 426] - путь утилизации глицина в незрелых клетках крови; аминоацетоновый цикл [65 с. 427] и так далее. Циклизацию метаболических путей можно рассматривать как следствие высокой степени связности сети реакций метаболизма. Действительно, образование любого продукта метаболизма сопряжено с превращением других метаболитов, и если продукты превращения последних не накапливаются в количествах, эквимолярных количеству основного продукта, то, следовательно, они регенерируют по какому то из путей метаболической сети в исходное состояние, что и приводит к возникновению циклического процесса. Повышение концентрации способных к регенерации продуктов повышает скорость их превращения в цикле и вызывает эффект каталитического ускорения образования основного продукта. В исследованиях обмена веществ это свойство используется в качестве главного признака циклического процесса. Многие метаболические циклы были открыты при изучении каталитического действия различных субстратов на выделение или поглощение тканями газообразных соединений (О2, СО2). Возможно, что набор известных циклов был бы шире, а может быть и совсем иным, если бы при исследованиях динамики метаболических процессов методы количественного тестирования жидкофазных и твердофазных продуктов были доступны в той же степени, что и манометрические методы. Ц  иклизация метаболических путей явление настолько общее, что даже пути, традиционно считающиеся линейными, на самом деле включают циклические элементы. Например, классический линейный путь гликолиза невозможен без циклического обращения остатка фосфорной кислоты на участке между реакциями фосфорилирования и дефосфорилирования или окислительного эквивалента на участке между реакциями восстановления и окисления НАД. Учитывая, что соединения, составляющие метаболические циклы, могут испытывать множество превращений, связывающих их с другими частями метаболической сети, циклы правильнее рассматривать не как самостоятельные системы реакций, а как активированные контуры в составе метаболической сети. По этой же причине через одни и те же реакции метаболической сети можно одновременно провести несколько замкнутых контуров. В активном состоянии такие контуры часто оказываются несовместимыми друг с другом. Обычно в динамическом проявлении доминирует какой то один из них. В качестве примера можно рассмотреть участок метаболической сети, изображенный на рис.2. Он включает реакции цикла Кребса, глиоксилатного цикла, цикла дикарбоновых кислот и цикла Вонга Эйла. Из рисунка видно, что активирование любого из соответствующих перечисленным циклам контуров связано с уменьшением потока вещества в остальных. Так, расщепление изоцитрата в реакции декарбоксилирования в цикле Кребса приводит к уменьшению потока вещества через реакции глиоксилатного цикла. Аналогично оксалоацетат либо участвует в цикле Кребса, либо уводится из него в результате декарбоксилирования в цикле дикарбоновых кислот. Конкурентными в этом смысле являются также цикл Кребса и цикл Вонга Эйла, глиоксилатный цикл и цикл дикарбоновых кислот и т.д. При выпадении реакций в отдельных циклах смежные с ними циклы, которые в этих реакциях не нуждаются, как динамические системы выигрывают. Из всего сказанного можно сделать вывод, что понятие о метаболическом цикле является удобной характеристикой выборочных динамических состояний метаболической сети, но оказывается малопригодным для ее целостного описания. 8. Заключение Из краткого обзора истории исследований метаболизма видно, что развитие классических представлений о метаболизме определялось факторами трех родов: направления исследований формировались под влиянием потребностей производственной и медицинской практики, успехи в значительной степени зависели от уровня развития органической химии, а результаты интерпретировались, главным образом, в рамках сложившихся концепций физиологии высших животных. Действительно, нужды экономики и медицины привели к открытию превращений крахмала в глюкозу и глюкозы в гликоген и заставили обратиться к исследованиям природы брожений. Это в свою очередь привело к изучению промежуточных этапов спиртового брожения. Успехи биохимии спиртового брожения создали условия для изучения углеводного обмена в мышцах. Отвергнутая впоследствии лактатная теория мышечного сокращения и оказавшееся связанным с исследованиями гликолиза открытия важной роли фосфорных соединений в биоэнергетике способствовали утверждению представления о гликолизе как центральном пути метаболизма. Однако такое развитие событий следует рассматривать как историческую случайность. Действительно, если бы сахарный тростник произрастал в России, а сахарный диабет проявлялся менее выражено, чем, например, пентозурия, то открытия Кирхгофа и К.Бернара могли бы надолго задержаться. Если бы спиртовые напитки в Европе получали не сбраживанием виноградного сока, а по способу североамериканских индейцев сбраживанием сока агавы бактериями Zymomonas mobilis, то первоначально изученным оказался бы 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь спиртового брожения. И в связи с этим не исключено, что пентозофосфатный путь расщепления глюкозы, начальная стадия которого сходна с начальной стадией 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатного пути, был бы открыт раньше, чем путь гликолиза, и рассматривался как главный. Потребности в химической теории дыхания, которая объединяла бы данные об окислении известных органических кислот и объяснила полное окисление продуктов расщепления углеводов и жиров в тканях, привели к развитию представлений об окислении в циклических последовательностях реакций. При этом, наиболее удачной оказалась циклическая схема, предложенная Г.Кребсом. Поскольку уже при создании циклу Кребса была определена роль своеобразной биологической "топки", которую физиологи упорно искали в организме со времен Лавуазье, этот цикл наряду с путем гликолиза сразу оказался в исключительном положении. Однако выделение последовательности реакций цикла Кребса как особого механизма окисления противоречит фактам наличия в метаболической сети множества реакций окисления и декарбоксилирования, не входящих в цикл Кребса, вклад которых в процесс дыхания может быть значительным. Формировавшиеся представления об обмене веществ находили наглядное выражение в учебниках биохимии в виде свободных метаболических схем. Уже на первых метаболических схемах последовательность реакций пути гликолиза занимала доминирующее положение среди известной в то время скудной информации о превращениях различных органических кислот. В качестве примера таких схем на рис.1 приведена "Диаграмма взаимных превращений углеводов, жиров и белков", взятая из учебника биохимии, изданного в 1933 г. [9 с. 363]. Несколько позже, наряду с путем гликолиза, центральное положение на схемах занял цикл Кребса. Рядом расположились цикл мочевины и путь расщепления жирных кислот. Хотя позднее и было доказано, что гликолиз не единственно возможный путь анаэробного разложения углеводов [44], а цикл Кребса как окислительный путь также имеет ограниченное значение [59], они стали использоваться как основа для систематизации всего последующего материала. Такое положение становится понятным, если принять во внимание, что сведения о большинстве известных в настоящее время метаболических путей были получены после 1950 г., то есть намного позже, чем были изучены и сделались классическими путь гликолиза и цикл Кребса. Структура современных метаболических карт возникла в результате постепенного наслоения на первоначально сложившийся каркас реакций пентозофосфатного цикла, глиоксилатного цикла, спиралей синтеза и расщепления жирных кислот, многочисленных путей биосинтеза и распада аминокислот, нуклеотидов и т.д. Наиболее характерными картами этого типа являются карты Д.Никольсона ("Koch-Light", Великобритания) [242] и Г.Михала ("Boehringer", ФРГ) [230]. Исторически сложившиеся представления о центральных метаболических путях выражаются на картах не только способом размещения материала, но также различиями в шрифтах химических формул и толщине обозначающих реакций стрелок. Однако такое разделение вряд ли имеет глубокий смысл потому, что, во-первых, принятая иерархия метаболических путей весьма относительна, поскольку метаболические пути, не относящиеся к центральным, для существования организмов не менее важны, чем центральные; во вторых, само понятие метаболического пути довольно условно, так как идеализирует отдельные последовательности реакций как самостоятельные, в отрыве от общей метаболической системы; и, наконец, в третьих, выделение различных метаболических путей на общей схеме не может быть проведено строго из-за того, что они многократно пересекаются и сливаются по общим соединениям и реакциям. Вследствие этого как динамические характеристики метаболические пути оказываются при таком изображении несовместимыми друг с другом. Циклическая природа некоторых путей подчеркивается на картах изображением их в виде окружностей. Однако этот способ также не может быть применен во всех случаях, так как из двух смежных циклов по чисто геометрическим причинам в виде окружности может быть изображен только один. Таким образом, организация материала на картах на основе представлений о метаболических путях оказывается внутренне противоречивой. Как уже отмечалось во введении, классические представления не обеспечивают полноту систематизации информации о метаболизме. Это прежде всего проявляется в том, что обширный биохимический материал, не относящийся к известным метаболическим путям или с не выясненным физиологическим смыслом, в учебниках биохимии и на картах вообще не приводится. Поскольку в основе сложившихся представлений лежат результаты исследований, проводившихся на высших животных, то это, прежде всего, касается информации, полученной при изучении растений и микроорганизмов. Например, в объемном учебнике общей биохимии Ленинджера [46] и на универсальных метаболических картах Никольсона [242], Михала [230] сведения о метаболизме таких классов природных соединений, как разветвленные жирные кислоты, изомеры тирозина и его производных, другие непротеиногенные аминокислоты, высшие моносахариды и т.д., полностью отсутствуют. В других случаях описание превращений этих соединений оказывается слишком фрагментарным, чтобы составить какое либо определенное представление об их месте в общей системе метаболизма. Наиболее явным недостатком систематизации метаболического материала на основе классических представлений о метаболических путях является ее чрезмерная сложность. Это особенно заметно в случае метаболических карт. Они выглядят крайне запутанными и очень трудны для восприятия. При этом сложность карт непропорционально возрастает по мере включения в них нового материала. Начальными и конечными соединениями метаболических путей в отдельных организмах являются соответственно субстраты и продукты метаболизма. На ранних этапах развития биохимии в этом отношении были изучены лишь немногие соединения. Естественно, что и число метаболических путей также представлялось ограниченным. Однако по мере углубления исследований и их распространения на широкий круг объектов, относящихся главным образом к растениям и микроорганизмам, выяснилось, что субстратами и продуктами метаболизма могут быть почти все встречающиеся в живой природе соединения. В соответствии с этим число реализующихся метаболических путей, вообще говоря, может превышать число участвующих в метаболизме соединений. Уже поэтому использование метаболического пути как единицы систематизации информации о метаболизме является неудобным. Если рассматривать метаболизм не в связи с конкретными организмами, а как систему биохимических реакций биосферы, то понятие метаболического пути как последовательности реакций, ограниченной определенными соединениями, теряет смысл. Действительно, все субстраты метаболизма обязательно являются продуктами жизнедеятельности каких либо организмов, а продукты, в свою очередь, служат субстратами для других организмов. Благодаря этому метаболизм биосферы представляется непрерывной сетью биохимических реакций. Таким образом, становится совершенно ясным, что в качестве устойчивой характеристики этой сети удобнее использовать не динамическое понятие метаболического пути, а специфические особенности ее структуры. Эти особенности могут выражаться в виде структурно химических закономерностей строения, проявляющихся в симметрии. Возможности систематизации материала о метаболизме на основе выявления в метаболической сети симметрии и будут рассмотрены в последующих главах книги. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
 |
Понятие о метаболизме |
|
1 Историческая справка 2 Классификация 3 Этиопатогенез 4 Эпидемиология |
|
Основным путем передачи классических и новых венерических заболеваний является половой |
|
1 Историческая справка 2 Классификация 3 Диагностика неиммунных форм сахарного диабета у детей |
|
1 Основные отличия от классических препаратов 2 История, механизм действия и побочные эффекты 3 Представители |
|
Исходный уровень знаний и навыков Цель занятия: изучить специфические биохимические функции витаминов, их роль в метаболизме |
|
Примерная тематика курсовых работ Культурно-историческая теория Л. С. Выготского и психологические теории деятельности |
|
Формирование пространственных представлений |
|
Расстройства ощущений, восприятий, представлений |
|
Использование подвижных игр как средства коррекции пространственных представлений детей страдающих |
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям