История биологии с начала XX века до наших дней

Дальнейший прогресс в разработке проблемы окислительного фосфорилирования связан с именем английского биохимика П. Митчела, разработавшего в 1961–1966 гг. так называемую хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования. По Митчелу, химическая энергия процесса окисления в митохондриях превращается сначала в электрическую (мембранный потенциал), а затем вновь переходит в химическую форму и используется для фосфорилирования АТФ неорганическим фосфатом. В самые последние годы эта гипотеза была подтверждена работами советских и американских лабораторий. Оказалось, что цепь окислительных ферментов — переносчиков электронов располагается поперек внутренней мембраны митохондрий, в результате чего окислительная реакция приводит к переносу электронов от одной стороны мембраны к другой ее стороне и к появлению разности электрических потенциалов между вне- и внутримитохондриальными участками. Мембранный потенциал может быть образован также за счет гидролиза АТФ митохондриальной АТФазой, локализованной во внутренней мембране. Этот процесс обратим, что обеспечивает возможность использования энергии окисления, превращенной в мембранный потенциал, для синтеза АТФ.

В 1971 г. Э. Ракеру (США) удалось продемонстрировать самосборку мембранных пузырьков, способных к окислительному фосфорилированию. Пузырьки, образованные из фосфолипидов и очищенных ферментов дыхания и фосфорилирования, генерировали мембранный потенциал и синтезировали АТФ за счет энергии, освобождающейся при окислении аскорбиновой кислоты кислородом.

Изучение функций мембранного потенциала в митохондриях привело к выяснению природы осмотической работы целого ряда биомембран. Оказалось, что катионы, проникающие через мембрану митохондрий, накапливаются внутри этих органелл под действием электрического поля, которое генерируется дыханием или расщеплением АТФ. Обнаружилось также, что проникающие слабые кислоты аккумулируются митохондриями, двигаясь по градиенту pH, возникающему в результате работы тех же ферментативных систем, которые образуют мембранный потенциал.

Выяснение природы движущих сил ионного транспорта в митохондриях позволило продвинуться в понимании механизма осмотической работы мембраны хлоропластов и бактерий. Оказалось, что и в этих случаях химическая энергия субстратов окисления или АТФ, а также энергия света сначала превращается в электрическую и лишь затем используется для переноса целого ряда соединений против концентрационных градиентов.

Иной механизм обнаружился при изучении осмотической работы клеточной мембраны животных организмов. Оказалось, что в этом случае первичным процессом является, как правило, выход из клетки ионов Na⁺ в обмен на внешние ионы K⁺. Источником энергии служит гидролиз АТФ, который катализируется специальным мембранным ферментом — АТФазой, активизируемой ионами Na⁺ и К⁺ (Na, К-АТФазой). Перенос веществ в клетку против концентрационных градиентов происходит вместе с ионами Na⁺, которые движутся внутрь клетки по градиенту своей концентрации. Механизм этого явления, как и строение Na, К-АТФазы, остаются неясными.

Подобное положение характерно также для многих других явлений трансформации энергии в клетке, таких, как механическая работа актомиозина, сократительных белков сперматозоидов, бактерий и фагов, механическая работа рибосом, энергообеспечение процесса нервного возбуждения и т. д. Во всех этих случаях выяснена природа ферментов (или комплексов ферментов с небелковыми компонентами), осуществляющих акт трансформации энергии, но каким образом происходит этот акт, пока остается неизвестным. Сказанное относится даже к такому сравнительно простому случаю, как рассеяние энергии дыхания в виде тепла. Доказано, что этот процесс у теплокровных животных может оказываться биологически полезным в условиях внешнего охлаждения организма. Однако в цепи событий, происходящих между дыханием и повышенной продукцией тепла на холоду, еще остаются неясные моменты. Выяснение механизма действия ферментных систем — трансформаторов энергии является важнейшей задачей биоэнергетики на данном этапе ее развития.

* * *

Расцвет биологической химии после первой мировой войны выдвинул ее в число наиболее быстро развивающихся и перспективных, областей знания.

К концу 50-х годов биологическая химия приобрела черты сложной комплексной науки, выводы которой имеют первостепенное значение для обширного круга вопросов. Для изучения закономерностей биохимических процессов и проникновения в сущность жизненных явлений биохимики используют достижения физики, общей, органической и физической химии, фармакологии, патофизиологии и других отраслей медицины, развитие которых теперь в свою очередь зависит от успехов биологической химии.