История биологии с начала XX века до наших дней

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.

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 α-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. Считалось, что основные элементы цикла — пировиноградная, α-кетоглутаровая и щавелевоуксусная кислоты — участвуют в реакциях переаминирования с образованием важнейших аминокислот — аланина, глутаминовой и аспарагиновой — и что дальнейшие реакции переаминирования с соответствующими кетокислотами приводят к образованию всего разнообразия аминокислот. Эти предположения получили подтверждение в исследованиях синтеза в организме животных так называемых незаменимых аминокислот (углеродный скелет которых не может быть синтезирован в животном организме). Введение соответствующих кетопроизводных животным, лишенным незаменимых аминокислот, предотвращало их гибель вследствие образования в организме соответствующих аминокислот. Эти работы содействовали развитию представлений об обмене азота в организме (А. Виртанен, Нобелевская премия, 1945; и др.).

Другим важным доказательством правильности упомянутых предположений послужили работы американского химика Р. Шонхеймера с использованием изотопа азота N¹⁵. Он показал, что после введения в организм глицина-N¹⁵ или лейцина-N¹⁵ в большинстве аминокислот организма быстро обнаруживается N¹⁵. Таким образом, цикл трикарбоновых кислот оказался как бы связующим звеном между обменом углеводов и азотных соединений.