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.

Созданию представления о целостной и одновременно динамической обменной системе клетки содействовали и исследования обмена липидов, в первую очередь представления о «метаболическом котле» Р. Шонхеймера, с работ которого началось широкое использование изотопов в биохимических исследованиях.

Существование природных жирных кислот с весьма длинной углеродной цепью представляло серьезную проблему при изучении их распада и синтеза в организме. В начале XX в. немецкий физиолог Ф. Кнооп заложил основу теории распада липидов в организме, получившую название теории β‑окисления. При скармливании собакам фенилзамещенных жирных кислот с углеродной цепью различной длины он обнаружил, что окислению в организме с образованием двухуглеродного фрагмента подвергается СН₂‑группа жирной кислоты, находящаяся в β‑положении по отношению к карбоксилу. Все природные жирные кислоты обладают четным числом углеродных атомов в цепи. В дальнейшем теория β‑окисления была развита в работах Г. Эмбдена и А. Маркса (1908). Подтверждение ее было получено также при исследовании образования так называемых «ацетоновых тел» у диабетиков – β‑оксимасляной и ацетоуксусной кислот и ацетона.

Гипотеза о синтезе жирных кислот была также основана на представлении, что главным строительным материалом для них служат двухуглеродные фрагменты. Еще в конце XIX в. М. Ненцкий высказал предположение, что основной реакцией образования жирных кислот в организме служит альдольная конденсация ацетальдегидных единиц, следующая за восстановлением гидроксильных групп и окислением концевой альдегидной группы.

В 20‑30‑х годах получила распространение гипотеза И. Смидли, согласно которой исходными компонентами синтеза жирных кислот являются пировиноградная кислота и ацетальдегид, а затем происходит надстраивание двухуглеродных единиц. Однако после открытия коэнзима А.Ф. Линеном (1951)[62] гипотеза Смидли была отброшена.

Прежде чем вопрос о деталях синтеза жирных кислот приблизился к разрешению, было сделано важное открытие, резко изменившее представления биохимиков и физиологов о принципах работы обменного аппарата. Когда в 1935 г. Р. Шонхеймер начал исследования процессов обмена веществ с использованием меченых атомов, одной из первых его задач было выяснение судьбы запасных жиров в организме животного. Считалось, что животные для удовлетворения своих энергетических потребностей окисляют свежепоглощенные жиры. Жировые отложения рассматривались как резерв, используемый лишь по мере обеднения диеты. Шонхеймер скармливал мышам, поддерживая при этом их постоянный вес, льняное масло, двойные связи жирных кислот которого были насыщены изотопом водорода – дейтерием. Эксперимент показал, что меченые жирные кислоты откладывались в запасных жирах и что последние постоянно участвуют в обмене веществ. В целом благодаря исследованиям Шонхеймера с мечеными углеводородами и аминокислотами было установлено, что все компоненты тела находятся в весьма активном динамическом состоянии, образуя так называемый «метаболический котел».

Если при первых опытах Шонхеймера принципы работы этого котла были еще не ясны, то обнаружение тесной связи между обменом липидов и аминокислот, с одной стороны, и углеводов (циклом трикарбоновых кислот), с другой, позволили впервые – сначала лишь гипотетически – наметить контуры сложной динамической системы обратимых и необратимых процессов взаимопревращения промежуточных продуктов обмена веществ и использования энергии в организме.

Таким образом, исследования обмена веществ и его энергетики, т. е. динамическое направление в биологической химии, к 40‑м годам XX в. стало главной линией развития этой отрасли биологии. В наши дни открытие новых составных биохимических компонентов организмов и уточнение строения и свойств ранее открытых продолжается.