Валерий Чолаков
Нобеловите награди (47) (Учени и открития (1901–1982))

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Година
(Пълни авторски права)
Форма
Документалистика
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,3 (× 3 гласа)

Информация

Сканиране
Диан Жон (2012 г.)
Разпознаване, корекция и форматиране
Ripcho (2013 г.)

Издание:

Валерий Чолакоа

Нобеловите награди. Учени и открития

Първо издание

Рецензенти: Азаря Поликаров, Юлиан Минков

Редактор: Цветан Старейшински

Художник: Марин Михайлов

Художествен редактор: Александър Хачатурян

Технически редактор: Борис Въжаров

Коректор: Айше Сеитова

Издателски № 7079. Дадена за набор на 4.I.1983 г. Подписана за печат на 19.IV.1983 г. Излязла м. май.

Печатни коли 20,50. Издателски коли 17,22. Условно-издателски коли 18,01. Формат 84×108/32. Тираж 10 110

Код 22/9531222411/1502–2–83.

Партиздат — София, бул. „В. И, Ленин“ №47

ДП „Д. Благоев“ — София, ул. „Н. Ракитин“ №2

© Валерий Чолаков, 1983, с/о Jusautor, Sofia

История

  1. — Добавяне

Биоенергетика

В началото на века шведският изследовател Бликс, използвайки термоелектричния ефект, създаде прецизна апаратура за измерване на отделянето на топлина от организмите. Тази техника бе усъвършенствувана от английския учен Арчибалд Вивиан Хил от Кембриджкия университет. Неговият термогалванометър измерваше промени в температурата от порядъка на една хилядна от градуса за една стотна от секундата. С този прибор бяха открити интересни явления при мускулното съкращение.

Хил установи, че при самото съкращение се отделя само част от топлината, която съпътствува превръщането на химичната енергия в организма. Останалата част, която може да бъде повече от половината, се отделя няколко минути по-късно. Цялата тази топлина е резултат от работата на мускула като термодинамична машина. Неговият коефициент на полезно действие е около 20–30 процента, като останалата част от енергията се разсейва под формата на топлина.

Английският изследовател провери и зависимостта на мускулното съкращение от кислорода. Оказа се, че през първия етап кислородът не е необходим, докато през втория от него зависи дали ще се отдели допълнителна топлина или не. Когато в камерата се пускаше азот и жабешкият мускул от препарата се лишаваше от кислород, допълнителна топлина въобще не се появяваше. Тези закономерности, свързани с фазите на действие и възстановяване в работата на мускула, се оказаха много полезни за биохимиците, тъй като им посочиха пътя за изследването на биоенергетичните реакции и интерпретацията на данните. Те бяха важни и за термодинамиката на мускулите, защото изучаването на термичните ефекти позволи да се правят конкретни изследвания за работата на тези живи машини.

В 1859 г. френският учен Дюбоа-Реймон откри в мускулите млечна киселина. Малко преди това той бе получил от Берцелиус писмо, в което шведският му колега пишеше, че е открил млечна киселина в месо от елен, убит след упорито преследване. Тези първи наблюдения поставиха основата на изследванията върху биохимизма на дишането и отделянето на енергия.

В началото на нашия век вече твърдо се знаеше, че при работата на мускула в него се натрупва млечна киселина. След това, при покой, тя се окислява и изчезва. Смяташе се, че това е някакъв страничен продукт от работата на мускулните клетки. Едва количествените изследвания на немския учен Ото Майерхоф разясниха картината. Най-напред той показа, че във фазата на покой, се окислява не повече от една трета от млечната киселина. Търсейки къде отива остатъкът, Майерхоф установи, че част от млечната киселина се възстановява обратно в захар и образува полизахарида гликоген, който е подобен на нишестето и играе ролята на резервоар на енергия в клетките на животните.

Така картината започна да се прояснява. През първия етап на мускулното съкращение отделянето на топлина, открито от Лил, е резултат от разпадането на гликогена до монозахарид и млечна киселина, както установи Майерхоф. При този процес се извършва трансформацията на химичната енергия в механично действие. През втория етап, когато мускулът си почива, млечната киселина отчасти се окислява, а отчасти се възстановява до гликоген. Двамата изследователи, които изследваха процесите от две страни, бяха наградени за своите открития с Нобеловата награда за физиология и медицина за 1922 г. — Майерхоф за изучаване на процесите на поглъщане на кислород и метаболизма на млечната киселина в мускула, а Хил за изследване на отделянето на топлина.

В нормални условия глюкозата и кислородът никога няма да реагират. При наличието на подходящи ензими обаче доста бързо захарта се превръща във въглероден двуокис и вода. Изучаването на тези биокатализатори е едно от големите постижения на известния биохимик Ото Варбург, работил в Хайделберг и в Института „Кайзер Вилхелм“ в Берлин — Далем. Тъй като ензимите се срещат в нищожни концентрации, той използваше за тяхното изследване индиректни методи, свързани предимно със спектроскопията.

Още в 80-те години на миналия век Макмън със спектроскопични методи откри в някои тъкани неизвестно вещество, което поглъщаше кислорода и показваше същите спектрални линии като хемоглобина. От това бе направен изводът, че в тъканите се съдържа ензим, подобен на него. Значението на тези открития бе разбрано едва през 20-те години, когато Ото Варбург се зае с клетъчното дишане. Той отново приложи спектроскопията и повторно откри сходството с хемоглобина. Това го доведе до извода, че дихателният ензим в своята белтъчна молекула има също порфириново ядро с един атом желязо, който улавя кислорода.

Тези дихателни ензими, забелязани по техния спектър, бяха наречени цитохроми — клетъчни цветове. За това откритие Ото Варбург получи през 1931 г. Нобеловата награда по физиология и медицина. Продължавайки да работи в тази област, на следващата година Варбург, заедно със своя сътрудник В. Кристиан, откри нов дихателен ензим с жълт цвят, който бе наречен флавин. Оказа се, че това е първият представител на голямата група на флавините — ензими, които не съдържат желязо и образуват дихателна верига, заедно с цитохромите.

През същата 1932 г. унгарският химик Алберт Сент-Гьорги реши да се заеме с тези „жълти“ ензими в своята лаборатория в Сегед. За разлика от мнозина учени, които изследваха окислителните процеси, той се насочи към ензимите, активиращи и транспортиращи водорода. За тези експерименти голямо влияние оказаха наблюденията на Хайнрих Виланд за въздействието на паладия върху някои органични вещества. Той откри, че влизайки в допир с този метал, съединенията губят водород, което се равнява на частично окисляване. Това много впечатли биохимиците и те се заеха да търсят ензими с подобно действие. Скоро бяха открити дехидрогеназите, които отнемат водород от молекулите.

Така картината започна да се събира в едно цяло. По линията на цитохромите — „червените“ ензими, се движи кислородът, а от другата посока дехидрогеназите доставят водорода. Така стъпало след стъпало се извършва окисляването на веществата и енергията се отделя постепенно. Тези изследвания показаха връзката между ензими и витамини. Съставна част на жълтите ензими се оказа рибофлавинът — витамин B2. Това откритие бе направено от Рихард Кун и Паул Карер. Самият Сент-Гьорги се зае с пипера, който винаги се е произвеждал в голямо количество около Сегед, и в знаменитата унгарска паприка откри богат източник на витамин С. Оказа се, че този витамин също участвува в процесите на пренос на водорода.

Един обичаен метод на работа за биохимиците е стриването на живите тъкани и получаването на хомогенна маса, в която се изследват биохимичните реакции. При такива опити над хомогенат от мускулна тъкан редица учени, между които и Сент-Гьорги, откриха, че при добавянето на янтарна, фумарова, ябълчна и оксалоцетна киселина дихателните процеси се засилват. Почти по същото време, в началото на 30-те години, шведският химик Т. Тунберг откри ензимите — дехидрогенази на тези киселини. Стана ясно, че киселините имат някакво каталитично действие и са звена от веригата на окислението, при което се отделя енергия. В тези открития решаваща е заслугата на унгарския учен Алберт Сент-Гьорги фон Награполт, който получи в 1937 г. Нобеловата награда по медицина и физиология за постиженията си във връзка с процесите на биологичното горене и особено за витамин С и катализата на фумаровата киселина.

Скоро след това английският биохимик Ханс Кребс установи, че този „ефект на Сент-Гьорги“, наблюдаван при добавяне на фумарова киселина към хомогенат от клетки, може да се получи и с две други органични киселини — кетоглутаровата и пирогроздената. В началото това само задълбочи хаоса от реакции, които биохимиците не можеха да обяснят. Пръв сред тях обаче Ханс Кребс се досети, че всички тези органични киселини са звена от една верига, която окислява органичните вещества до въглероден двуокис и вода. Той предложи следната схема за постепенното окисление на органичните вещества.

Отначало към оксалоцетната киселина се добавя съединение с два въглеродни атома и се образува трикарбоновата лимонена киселина, която под действието на различни ензими се превръща в други подобни органични киселини. На всеки етап се отделя вода, водород или въглероден двуокис, като енергията на активирания водород се включва в макроергичните връзки на аденозинтрифосфата (АТФ) — универсалния резервоар на енергия в живите организми. Ханс Кребс предложи този цикъл на трикарбоновите киселини в 1937 г. и отначало бе обект на доста критики. Постепенно обаче все повече учени оценяваха как с тази идея изведнъж се получава забележителна подреденост в известните тогава реакции.

Едно звено липсваше в цялата верига и това смущаваше много биохимиците. Не беше ясно как се въвежда двувъглеродното съединение. С този въпрос се зае Фриц Липман, също възпитаник на известния институт в Берлин — Далем, който през 1939 г. се премести в Корнелското медицинско училище — Ню Йорк. Той развиваше теорията, че в цикъла на Кребс се въвежда ацетилфосфат, но това не се връзваше с експерименталните данни и учените все повече губеха надежда, че реалното съществуване на тази хубава теория ще бъде доказано. Тъкмо когато повечето изследователи бяха готови въобще да изоставят идеята, Фриц Липман и неговите сътрудници откриха вещество, устойчиво на нагряване и със сравнително малко молекулно тегло. Това показваше, че веществото е коензим. Той бе означен с буквата A.

Коензим A се оказа липсващото звено от веригата. По своята структура той е близък до витамините от групата В. Неговата задача е да улови ацетилния остатък от пирогроздената киселина и да го съедини с оксалоцетната, при което се образува лимонената киселина — първото звено от цикъла на Кребс. Следват описаните вече процеси на бавно окисляване, при които от първоначалния въглероден скелет на пирогроздената киселина се образуват три молекули въглероден двуокис и пет двойни активирани водородни атоми, които се използват за енергетични нужди. Накрая на цикъла се образува отново оксалоцетна киселина, към която коензим A подава нова молекула пирогроздена киселина. Така се върти този конвейер и според нуждите на организма произвежда богати на енергия вещества или съединения, необходими за изграждането на макромолекулите. Решаваща заслуга в неговото откриване имаха Ханс Кребс и Фриц Липман. Това ги направи Нобелови лауреати по медицина и физиология за 1953 г. — Кребс за цикъла на лимонената киселина, а Липман за откриването на коензим A и неговото значение за междинния метаболизъм.

Пирогроздената киселина, която влиза в цикъла на Кребс, е резултат от гликолизата — анаеробното разграждане на въглехидратите. При този процес молекулата на глюкозата се фосфорилира, т.е. съединява се с фосфорна киселина и впоследствие се разцепва на две. От шестатомния пръстен се получават две съединения с три въглеродни атома, които след различни преобразования довеждат до пирогроздената киселина. Ако тя не влезе в цикъла на Кребс, от нея се образува млечна киселина или други вещества. Голямата заслуга на Ханс Кребс е, че успя да обедини в едно тези вериги.

Организмът има различни резервоари на енергия. Наред с АТФ, който се използва за непосредствени нужди, има и по-дълготрайни запаси във вид на добре известните на всички мастни тъкани. Освен тях като източник на енергия се използват полизахариди: в растенията — нишесте, а в животните — гликоген, които са близки по структура. Това са биополимери, изградени от голям брой глюкозни молекули. Съпрузите Карл и Герти Кори проучиха подробно процеса на разграждане на гликогена и което е по-важно, откриха ензимите, катализиращи реакциите на разграждане и синтез. Те установиха, че глюкозните молекули се отцепват, като се фосфорилират. Полученият глюкозо-1-фосфат отива по-нататък по линията на анаеробното разпадане, което води до пирогроздената киселина и цикъла на Кребс.

За своите открития във връзка с разграждането и синтеза на гликогена Карл Фердинанд и Герти Тереза Кори станаха Нобелови лауреати по медицина и физиология през 1947 г. Заедно с тях бе награден и аржентинският учен Бернардо Усай, работил върху хормоналната регулация на процеса.

Всички тези реакции стават единствено поради действието на подходящи ензими. Така смяташе още великият Йонс Берцелиус през 19 век. Случи се така, че един негов съотечественик, завършил същото училище в Линчопинг 124 г. по-късно, получи конкретни данни в тази насока. Това бе Хуго Теорел, ръководител на отдела по биохимия към Нобеловия медицински институт. През 1953 г. професорите от Каролинския институт имаха особеното удоволствие да дадат наградата по медицина и физиология на своя колега за големите му постижения в изследването на природата и механизма на действие на окислителните ензими. Варбург наричаше този свой способен ученик „майстор на ензимните изследвания“.

Изследванията на Хуго Теорел са свързани с цитохромите — ензимите от „червената система“, и флавопротеидите от „жълтата система“. Цитохромите активират кислорода, докато жълтите ензими, които са дехидрогенази, транспортират водорода. Тези два елемента накрая се срещат, като се образува вода и окислението завършва.

През 30-те години съветските биохимици В. А. Енгелхарт и В. А. Белицер показаха, че натрупването на полезна енергия в клетката е резултат на две реакции. При първата хранителните вещества се окисляват и се отделя енергия. Успоредно с това се синтезира аденозинтрифосфорна киселина, което поглъща енергия. Полученият аденозинтрифосфат има забележителното свойство да се транспортира лесно и да отделя енергията, където е необходимо. Той решава едновременно проблемите с пренасянето и складирането на енергията.

В 1949 г. американският биохимик А. Ленинджър свърза тези резултати с данните на цитологията. Той показа, че това окислително фосфорилиране се извършва в митохондриите. Тези клетъчни образувания имат удължена форма и са отделени с мембрана от клетъчната плазма. В началото на 60-те години стана ясно, че от вътрешната страна на митохондриалната мембрана се намират дихателните ензими. По това време един сътрудник на катедрата по зоология в Единбургския университет публикува в сп. „Нейчър“ малка статия, в която изказваше своите идеи за значението на мембраните за тези биохимични реакции. Той се казваше Питър Митчел и скоро след това се оттегли от университета, за да започне самостоятелни изследвания.

През 1966 г. Митчел, вече ръководител на собствена лаборатория с един щатен сътрудник, се зае отново с фундаменталната наука и установи, че никой не е обърнал внимание на статията му от 1961 г. Тогава той реши да изложи подробно възгледите си и написа книга, в която развиваше теорията, че химичната енергия, отделяща се при окислението в митохондриите, се превръща отначало в електрична енергия, проявяваща се като мембранен потенциал. След това електричната енергия отново се превръща в химична, този път под формата на АТФ. Тези възгледи станаха известни под названието „хемиосмотична теория за окислителното фосфорилиране“.

За съжаление нито един издател не се нае да отпечата книгата на Митчел и тогава в лабораторията бе докарана печатарска машина и ръкописът бе размножен и изпратен на биохимиците по света. Резултатът бе ожесточена критика от всички посоки. Времето обаче работеше в полза на Митчел. Подробните изследвания с най-различни методи разкриха фината структура на митохондриалната мембрана и потвърдиха, че в нея има верига от ензими — преносители на електрони. Други експерименти директно уловиха разликата в потенциалите между външната и вътрешната страна на мембраните и протичането на ток. Оригиналната идея на Питър Митчел се потвърди. Някои учени смятат, че той е накарал биохимиците да мислят по нов начин. Вече не е достатъчно да се знае каква е последователността на биохимичните реакции. Трябва, да се изследва и тяхната пространствена организация.

Този самотен изследовател, с една-единствена сътрудничка вероятно най-много би възхитил Алфред Нобел, който също е бил винаги сам в изследванията си. За своята хемиосмотична теория, която изведе на нов етап биоенергетиката, Питър Митчел получи Нобеловата награда по химия за 1978 г. Паричното възнаграждение и последвалата слава се отразиха доста добре на малката му лаборатория.