История биологии с начала XX века до наших дней

После провозглашения Л. Пастером физиологической теории брожения химизм и энзимология процессов брожения стали предметом исследований английской, немецкой, американской и русской школ биохимиков, и микробиологов.

Изучение биохимии различных брожений дало представление о диссимилятивной деятельности микроорганизмов и выявило большое разнообразие форм метаболизма в мире микробов.

Решающее значение для выяснения биохимической сущности процессов диссимиляции имела разработка Э. и Г. Бухнерами[63] (1897) метода бесклеточного спиртового брожения.

Продолжая работы Бухнеров, английские биохимики А. Гарден, и В. Юнг (1904) сообщили об успешном разделении бесклеточного дрожжевого сока на две фракции, каждая из которых в отдельности не обладала способностью сбраживать глюкозу. Это открытие повлекло другое, не менее важное: было установлено, что сбраживание углеводов сопровождается образованием фосфорилированных производных, которые Гарден[64] и Юнг отнесли к промежуточным продуктам процесса брожения. Таким образом была открыта физиологическая функция фосфора в процессах диссимиляции углеводов.

В результате этих исследований Гарден и Юнг вывели (1908) уравнение спиртового брожения:

2С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РO₄ → 2СН₃СН₂ОН + 2СО₂ + С₆Н₁₀O₄(Н₂РO₄)₂.

В 1905 г. Л.А. Иванов независимо от Гардена и Юнга пришел к тем же выводам, установив, что прибавление неорганического фосфата к дрожжевому соку ускоряет сбраживание глюкозы, причем фосфат из сока исчезает. В 1911 г. К. Нейберг с помощью разработанного им метода «ловушки» впервые выделил промежуточный продукт распада глюкозы — ацетальдегид. В 1913 г. А.Н. Лебедев разработал эффективный метод получения бесклеточного дрожжевого сока — метод мацерации, обеспечивающий успешное исследование механизма разложения углеводов. Дальнейшему прогрессу в этой области способствовало изучение биохимии и биоэнергетики окисления гликогена в мышцах школой О. Мейергофа (Нобелевская премия, 1922), Г. Эмбденом и Я.О. Парнасом (см. об этом также в главах 3 и 6).

Изучение природы и механизма действия ферментов аэробной и анаэробной диссимиляции углеводов О. Варбургом (Нобелевская премия, 1931) и Г. Эйлером привело в конце 30-х годов к построению схемы, отражающей в основных чертах биохимию гликолиза. Она получила название схемы Эмбдена-Мейергофа-Парнаса. Ее окончательная детализация завершилась в 50-х годах.

Применение ферментных препаратов и радиоактивных изотопов позволило установить наличие у микроорганизмов и других механизмов разложения углеводов. Было выяснено, что реакции, характерные для схемы Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, встречаются также и при других бродильных и окислительных процессах.

Одно из первых подтверждений достоверности этих положений дало детальное изучение механизма молочнокислого брожения. Для той формы брожения, которое сопровождается образованием только молочной кислоты, А. Клюйвер и Г. Донкер (1924) предложили термин «гомоферментативное брожение», противопоставив его «гетероферментативному брожению», завершающемуся образованием еще летучих кислот, этилового спирта и СО₂. Механизм микробного молочнокислого брожения по аналогии с мышечным гликолизом первоначально рассматривался как гликолиз типа Эмбдена-Мейергофа-Парнаса. Исследованиями М. Гиббса с сотрудниками (1950) было показано, что гомоферментативное брожение протекает по гликолитической схеме, а гетероферментативное — по гексозомонофосфатному пути.

Подробное изучение динамики гомо- и гетероферментативного молочнокислого брожения предприняли В.Н. Шапошников и его ученики. В 50-е годы они пришли к выводу, что при гомоферментативном брожении непосредственным предшественником молочной кислоты является не пировиноградная кислота, а глицериновый альдегид. Изучение с помощью энзимологических и изотопных методов брожений, вызываемых клостридиями и некоторыми бациллами, подтвердили наличие в их механизме элементов классического пути брожения (Ч. Веркман, 1937; О. Осборн, 1937; и др.).

Среди брожений, протекающих по гексозомонофосфатному пути, в частности по схеме Варбурга-Диккенса-Хоррекера, наиболее интенсивно изучались брожения, идущие с превращением пентозофосфата в гексозофосфат и с расщеплением пентоз на двух- и трехуглеродные соединения. Кроме того, изучение брожений, вызываемых Pseudomonas, позволило выявить еще одну разновидность брожений гексозомонофосфатного пути, протекающих по схеме Энтнера-Дудорова. Исследованиями К. Ван-Ниля (80-е годы XIX в.), С. Орла-Иенсена (1898) и особенно Г. Вуда и Ч. Веркмана (40-е годы XX в.) был выявлен химизм брожений, характеризующихся множественностью путей преобразования углеродной цепи и гетеротрофной ассимиляцией СO₂. Исследование окислительных брожений обнаружило наличие у микроорганизмов способности к циклическим механизмам окисления.