Сущность биологического окисления стала проясняться к концу XVIII в., благодаря работам великого французского ученого Антуана Лавуазье. Он установил, что дыхание животных сопровождается потреблением кислорода воздуха, которому сопутствует образование С02 и воды. Так возникло представление о тождественности процессов дыхания горению веществ вне организма. Позднее это подтвердили и опыты со срезами живых тканей. Однако очевидными были и «странности»: тканевое дыхание протекало в водной среде и не вело к воспламенению. Его назвали поэтому «медленным горением».
Более века прошло до первых попыток раскрыть механизм необычного «горения».
Выдающуюся роль в этом сыграл Алексей Николаевич Бах (1857-1946).
В молодости А.Н.Бах увлекся идеями борьбы с самодержавием. За участие в революционном движении был отчислен нз Киевского университета, отбыл ссылку, затем стал народовольцем (подпольная кличка - «Кащей бессмертный»), Автор знаменитой брошюры «Царь- голод» (1883). Вынужденный эмигрировать, занимался в химической лаборатории в Париже, затем трудился в США. В почти 40-летнем возрасте поселился в Женеве, где занялся экспериментами в созданной им домашней лаборатории. На их основе разработал оригинальную концепцию, получившую название переписной теории А.НБаха. В канун 60-летия ему был вручен диплом почетного доктора Лозаннского университета. Вскоре он вернулся в Россию, где продолжил активную деятельность, стал академиком, основал ряд научных учреждений. Имя А.Н. Баха носят два крупнейших института биохимии (в Москве и Киеве), а также организованный им журнал «Биохимия», один из ведущих в России.
Учитывая изрядную инертность молекулярного кислорода, А.Н.Бах исходил из тезиса о необходимости его предварительной активации. Он предположил, что в живых объектах есть особые легкоокисляемые вещества — оксигеназы. В их структуре содержится ненасыщенная связь, по месту которой сравнительно легко присоединяется молекула 02:
Образовавшаяся перекись высокореактивна и способна окислять другие, более стойкие вещества. Иными словами, образование перекиси рассматривается как явление активации кислорода. С участием особых ферментов - пероксидаз — он передается затем окисляемым субстратам, которые сами по себе неспособны окисляться молекулярным кислородом в условиях живой клетки.
Концепция А.Н.Баха получала подтверждения и в работах других исследователей. Особенно значительными были результаты, которых достиг выдающийся немецкий ученый Отто Варбург (1883-1970). В 1926 г. он открыл особый фермент, участвующий непосредственно в активации кислорода. За открытие этого «железосодержащего дыхательного фермента» О.Варбург был удостоен Нобелевской премии 1931 г. Одновременно английский исследователь Дэвид Кейлин (1887-1963) показал, что такого рода ферментов много разных и что они по строению простетической группы сходны с гемоглобином (и потому тоже имеют окраску). Он предложил называть их цитохро мами; этот термин общепринят до настоящего времени.
Почти сразу же после публикаций А.Н.Баха возникли и альтернативные взгляды. Первым их сформулировал и обосновал Владимир Иванович Палладии (1859-1922).
Выпускник Московского университета В.И. Палладии работал под руководством К.А. Тимирязева, изучая разные аспекты роли кислорода в растениях. После защиты докторской диссертации возглавлял кафедры физиологии растений в Харьковском, затем в Варшавском и с 1901 г. - в Петербургском университете, где и разработал концепцию, обозначенную как «теория активации водорода». Академик с 1914 г.
В.И. Палладии экспериментально продемонстрировал, что процессы биологического окисления могут заключаться не в присоединении кислорода, а в отнятии водорода от окисляемого вещества. Соответствующие ферменты он назвал редуктазами. Водород, отнимаемый от субстрата, они способны передавать не только на кислород, но и на другие вещества. Их он назвал «дыхательными хромогенами». Эти пигменты после восстановления (присоединения водорода) становятся бесцветными, что позволяет визуально оценивать их участие в процессах биоокисления. В отсутствие кислорода восстановленные пигменты так и остаются неокрашенными. Если же открыть доступ кислороду, то дыхательные хромогены вновь перейдут в окрашенную форму. Отсюда следовало, что при тканевом дыхании кислород не присоединяется к окисляемым органическим веществам, а служит лишь конечным акцептором для отнимаемого от них водорода. Если в систему ввести другой акцептор, то окисление субстратов может протекать в отсутствие кислорода (в анаэробных условиях).
Среди наиболее известных сторонников теории активации водорода был крупный немецкий ученый Генрих Виланд (1877—1957). Еще в начале XX века он выполнил выдающие-* ся работы по исследованию желчных кислот, за что в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии. Однако к этому времени он уже перешел на изучение механизмов тканевого дыхания и получил новые свидетельства того, что процессы биоокисления начинаются с отнятия водорода от окисляемого вещества. Ученый дал более точное название соответствующим ферментам - дегидрогеназы. Он экспериментально доказал, что обогащение субстрата кислородом может происходить не путем внедрения этого окислителя, а путем присоединения молекулы воды с последующим отнятием двух атомов водорода. Так спирт и альдегид могут превращаться в карбоновую кислоту (рис. 5-1).
Дискуссии между сторонниками двух направлений в изучении тканевого дыхания были очень острыми. Кульминации они достигли в начале 30-х годов. Отто Варбург, внесший крупный вклад в обоснование теории активации кислорода и именно за эти работы удостоенный Нобелевской премии (1931 г.), уже в 1932 г. обнаружил (вместе с В. Христианом) новый фермент, названный «желтым дыхательным ферментом Варбурга» («флавиновый фермент», по современной терминологии). Но самое главное - оказалось, что этот белок является переносчиком атомов водорода! Открытие было «ужасным»: оно опровергало прежние взгляды ученого и доказывало правоту его оппонентов. Одно время авторы даже считали его артефактом. Однако вскоре О. Варбург выявил еще одну группу ферментов - никотина- мидные дегидрогеназы. Более того, именно они первыми отнимают водород от ряда субстратов и передают его затем на флавиновые ферменты.
Рис. 5-1. Окисление спирта до кислоты путем последовательных реакций дегидрогенирования с промежуточным присоединением молекулы воды.
Постепенно стало окончательно ясным, что реакции биологического окисления протекают, как правило, путем отнятия водорода от субстрата и постепенного переноса его через серию посредников в конечном счете на кислород с образованием воды. Соответствующие ферменты сосредоточены во внутренней мембране митохондрий. Поэтому процесс в целом стали обозначать терминами «дыхательная цепь» и «митохондриальное окисление» (МтО). Освобождаемая при этом энергия используется для преобразования АДФ в АТФ. Заключительную стадию - перенос водорода непосредственно на молекулу кислорода - некоторое время еще называли «активацией кислорода», но это было скорее лишь данью уважения к приверженцам перекисной теории.
Эта «дань» оказалась нелишней. Со временем было установлено, что в митохондриях утилизируется примерно 90-95% кислорода, потребляемого организмом. Остальная часть используется в процессах внемитохондриаль- ного окисления. Их называют обычно «микро- сомалъным окислением», поскольку многие из них сосредоточены в ЭР (обрывки которого и составляют фракцию микросом, см. раздел
. Соответствующие реакции не высвобождают нужную организму энергию в виде АТФ или других макроэргов. Они используются в иных целях. В основном - для крайне необходимых преобразований очень устойчивых веществ, именуемых трудноокисляемыми. К их числу относятся превращение пролина в окси- пролин (необходимый этап биосинтеза коллагена), образование или инактивация некоторых гормонов, разрушение чужеродных веществ (в том числе - многих лекарственных препаратов). Очень часто микросомальное окисление сводится именно к внедрению кислорода в молекулу окисляемого вещества. Это - прямое подтверждение обоснованности воззрений А.Н. Баха и его последователей. Более того, во многих таких реакциях образуется или используется перекись водорода, для регистрации которой ученый разработал специальный метод. Значит, представления, зародившиеся под названием «перекисной теории», и в современной науке сохраняют свою особую нишу, претерпев, естественно, соответствующее развитие. В настоящее время очень много исследований посвящено так называемому перекисному окислению липидов.
Таким образом, в животном мире можно выделить два типа процессов биологического окисления. Один из них — митохондриальное окисление - сильно преобладает и может быть назван энергетическим типом окисления, т.к. поставляет почти всю энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности (энергию в форме АТФ и его аналогов). Другой тип - вне- митохондриальное («микросомальное») окисление - не может служить источником энергии и используется во множестве разнообразнейших реакций, которые в совокупности потребляют, однако, лишь 5-10% кислорода, утилизируемого клетками. Эти реакции имеют либо биосинтетическую направленность (включая образование биологически активных веществ), либо разрушающую, катаболическую (деградация, в частности, чужеродных соединений).
