Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

О том, как электроны встречаются с кислородом, как при этом образуется ATR и о некоторых родственных явлениях
История вопроса

Дыхание животных стало серьезно привлекать внимание химиков с 1777 г., когда Лавуазье установил, что пищевые продукты подвергаются в организме медленному сгоранию, как он полагал, в крови. Вероятно, наблюдения Спалланцани, выполненные в 1803—1807 гг., впервые показали, что истинным местом процессов дыхания являются ткани, но, к сожалению, его наблюдения не привлекли к себе внимания. В 1884 г. Мак-Мунн обнаружил, что в клетках имеются гемовые пигменты, которые теперь известны как цитохромы. Однако ведущие биохимики того времени сочли, что наблюдения Мак-Мунна являются следствием ошибок эксперимента, так что фактически период серьезного изучения химии биологического окисления начинается лишь с нынешнего столетия [1].

Вывод о том, что субстраты окисляются путем дегидрирования, обычно связывают с именем Виланда. В период с 1912 по 1922 гг. он показал, что процессы внутриклеточного «дыхания» могут осуществляться и в отсутствие кислорода, но при наличии различных синтетических красителей, например метиленового синего. Последующие эксперименты (гл. 8, разд. 3) привели к выделению растворимых пиридин-нуклеотидов и флавопротеидов и к развитию представлений о наличии цепи переноса электронов. Изучая процессы на другом конце дыхательной цепи, Варбург отметил (1908 г.), что все аэробные клетки содержат железо. Более того, оказалось что железосодержащий уголь, полученный сжиганием крови, катализирует неферментативное окисление многих веществ, тогда как не содержащий железа уголь из тростникового сахара такими свойствами не обладает. Было обнаружено, что тканевое дыхание ингибируют такие же низкие концентрации цианида, какие нужны для ингибирования неферментативного каталитического действия солей железа. Исходя из этих наблюдений, Варбург в 1925 г. предположил, что в аэробных клетках имеется железосодержащий дыхательный фермент (Atmungsferment); позднее он был назван цитохромоксидазой. Было показано, что этот фермент ингибируется окисью углерода.

Было известно, что комплексы гема с окисью углерода диссоциируют под действием света; учитывая это, Варбург и Негелейн (1928 г.) сняли фотохимический спектр действия (см. примечание к гл. 13, разд. В) для обращения ингибирующего действия окиси углерода на дыхание дрожжей Torula utilis. Этот спектр был сходен со спектром поглощения других производных гема. Так возникло предположение о том, что О₂, так же как и СО₂ соединяется с железом гемогруппы, входящей в состав дыхательного фермента.

Тем временем в период с 1919 по 1925 г. Д. Кейлин изучал грудные мышцы мух и других насекомых, рассматривая их в микроскоп, снабженный спектроскопическим окуляром. При этом он обнаружил пигмент, имевший четыре полосы поглощения, и вначале решил, что они обусловлены какой-то модификацией гемоглобина. Однако, обнаружив далее тот же пигмент в свежих пекарских дрожжах, он понял, что имеет дело с новым веществом. Важная роль этого вещества была установлена следующим образом (цитируем воспоминания Кейлина [2]):

«Однажды, исследуя свежеприготовленную суспензию дрожжей, полученную из комочков дрожжевой пасты энергичным встряхиванием в пробирке с небольшим количеством воды, я не смог обнаружить характерный четырехполосный спектр поглощения. Но не успел я убрать суспензию из поля зрения микроспектроскопа, как эти четыре полосы внезапно опять появились. Этот эксперимент я повторял снова и снова и всегда с одним и тем же результатом: полосы поглощения исчезали после встряхивания суспензии на воздухе и появлялись снова через несколько секунд после того, как встряхивание было прекращено.

Должен признаться, что это первое зрительное восприятие внутриклеточного дыхательного процесса было для меня одним из наиболее впечатляющих зрелищ, какие мне приходилось видеть в моей работе. Теперь у меня уже не было никаких сомнений, что цитохром, помимо того, что он повсеместно распространен в природе и является по отношению к гемоглобину совершенно независимым веществом, представляет собой внутриклеточный дыхательный фермент, значительно более важный, чем гемоглобин».

Вскоре Кейлин установил, что три полосы поглощения, наблюдаемые при 604, 564 и 550 нм (а, b и с), обусловлены тремя различными пигментами, тогда как полоса при 521 нм оказалась общей для всех трех. Кейлин предложил называть эти пигменты цитохромами а, b и с. Представление о переносе электронов по дыхательной цепи [2] возникло почти сразу же после того, как была установлена роль флавин- и пиридиннуклеотидсодержащих коферментов на уровне дегидрирования субстратов. Атомы водорода, поступающие на эти переносчики, могли быть использованы для восстановления окисленных цитохромов. Последние могли бы окисляться кислородом при участии цитохромоксидазы.

В 1929 г. Фиске и Суббароу [2а], заинтересовавшиеся присутствием в мышечных экстрактах пуриновых соединений, открыли и охарактеризовали АТР. Вскоре было показано (главным образом работами Лундсгарда и Ломана), что гидролиз АТР служит источником энергии для мышечного сокращения. Примерно в это же время стало известно, что гликолиз сопровождается синтезом АТР. Возможность образования АТР в ходе переноса электронов стала очевидной после того, как Энгельгардт в 1930 г. установил, что метиленовый синий стимулирует синтез АТР в тканях.

Серьезное исследование цепи переноса электронов и окислительного фосфорилирования началось вслед за тем, как Кеннеди и Ленинджер в 1949 г. показали, что митохондрии являются не только местом синтеза АТР, но также местом функционирования цикла трикарбоновых кислот и окисления жирных кислот. Чанс (1959 г.) завершил разработку новой элегантной спектрофотометрической установки. Полученные данные позволили ему постулировать следующую последовательность переносчиков в дыхательной цепи:

Субстрат → Пиридиннуклеотиды → Флавопротеид → Цитохром b →

→ Цитохром с → Цитохром а → Цитохром а₃→ O₂.----- (10-1)

С тех пор было обнаружено несколько новых компонентов дыхательной цепи, прежде всего убихиноны и белки, содержащие негемовое железо.

Ниже приведены некоторые детали этой схемы, причем вначале рассматриваются свойства гемопротеидов и самого кислорода.