Читать книгу 100 великих научных открытий - Коллектив авторов, Ю. Д. Земенков, Koostaja: Ajakiri New Scientist - Страница 7

В 1930 г. немецкий биолог, сын еврейского врача Ханс Кребс (1900—1981) вместе со своим студентом открыл процесс обезвреживания аммиака в организме. Цикл образования мочевины (именно в этом состоял данный процесс) позже получил название «цикл Кребса № 1». Но главное открытие ученого было еще впереди. В середине 1930-х он бежал из нацистской Германии в Британию, там нашел место в лаборатории Кембриджского университета и занялся изучением механизма превращения организмом пищи в энергию.

В 1935 г. А. Сент-Дьёрди заметил, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все четыре – естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя, где метаболические процессы идут с наибольшей скоростью.

Два года спустя Ф. Кнооп и К. Мартиус обнаружили, что лимонная кислота превращается в изолимонную через промежуточный продукт – цис-аконитовую кислоту. Кроме того, изолимонная кислота может превращаться в α-кетоглутаровую, а та – в янтарную.

Кребс попробовал измельчить образец животной ткани, сделал жидкость из этих клеток, пропустил содержимое через ряд химических реакций – и заметил, что кислоты определенным образом влияют на поглощение кислорода грудной мышцей голубя, а также способствуют окислению пировиноградной кислоты и образованию ацетил-коэнзима А. При этом малоновая кислота угнетала процессы в мышце и подавляла действие ферментов – белковых катализаторов, которые позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее, в частности во взаимодействии с янтарной кислотой. Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, начиналось накопление α-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Так стало понятно, что совместное действие α-кетоглутаровой и лимонной кислот приводит к образованию янтарной.

Затем Ханс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, ученый выявил последовательный процесс, который назвал циклом трикарбоновых кислот (поскольку поначалу не мог точно сказать, с какой кислоты начинается процесс: лимонной или изолимонной). Сейчас уже известно, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно называть открытие Кребса цитратным циклом или циклом лимонной кислоты.

В общих чертах этот процесс можно описать так: молекулы сахара (глюкозы) из переваренной пищи проходят через ряд различных химических реакций внутри самой клетки, что приводит к образованию богатой энергией молекулы, а та, в свою очередь, снабжает энергией весь организм.

Как же все это происходит? Внутри каждой клетки находятся митохондрии – отдельные органеллы («органы» клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии – АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ как источник питания универсальна и очень удобна в использовании: в белки она встраивается напрямую, потому очень быстро насыщает их энергией. Самый простой пример – белок миозин, который обеспечивает сокращение мышц.

Однако, несмотря на то что в сахаре содержится очень много энергии, сделать из глюкозы АТФ попросту невозможно. Как же извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к «варварским» методам вроде сжигания? Нужно задействовать ферменты.

Первый этап – расщепление молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) или молочной кислоты (лактата) с выделением небольшой части, примерно 5 %, энергии, запасенной в сахаре. Лактат получается при анаэробном окислении – в отсутствие кислорода. А превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно.

В результате окисления пирувата отщепляется двуокись углерода (СО₂) и образуется ацетильный остаток ацетил-КоА (кофермент А). Затем к реакции присоединяются ацетилы, образованные в процессе расщепления жиров, а дальше происходит цепочка реакций, для удобства запоминания которых была придумана детская считалочка: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед» – то есть выделяется цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, кетоглутарат, сукцинил-КoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Ацетил-КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата и дает цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. От цитрата отщепляется водород, и получается цис-аконитат – вторая трикарбоновая кислота в цикле. Цис-аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту (изоцитрат). Та теряет двуокись углерода (СО₂) и одновременно окисляется специфическим ферментом с коферментом НАД, давая кетоглутаровую кислоту. При этом НАД, восстанавливаясь, превращается в другой кофермент – НАДХ. Затем от кетоглутаровой кислоты отщепляется СО₂ и образуется сукцинил-КоА, который на следующей стадии вступает в реакцию с водой и превращается в сукцинат, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

Далее сукцинат, отбрасывая водород, преобразуется в фумарат, тот присоединяет воду и превращается в яблочную кислоту (малат), а последующее окисление снова дает оксалоацетат. Круг замыкается. Одновременно образуется еще одна молекула НАДХ и молекула ФАДХ₂ (кофермент, отличный от НАД, который, однако, тоже может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию). Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор, не накапливаясь и не расходуясь в процессе, – его концентрация в митохондриях поддерживается на низком уровне. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла? Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы – своего рода отрицательная обратная связь. Как только концентрация какого-либо продукта превышает норму, работа фермента, ответственного за его синтез, блокируется.

Весь этот процесс, названный циклом Кребса № 2, стал великим открытием для биохимии, поскольку открыл дорогу к пониманию того, как работают клетки внутри человеческого организма.

Результаты исследований ученый послал в журнал Nature, но редакция не захотела печатать статью, и тогда Ханс переправил текст в голландский журнал Enzymologia. В 1953 г. Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.