CC BY
84
Зубаиров Д.М., Мустафин И.Г.
75-ЛЕТИЕ ОТКРЫТИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ В.А. ЭНГЕЛЬГАРДТОМ В КАЗАНИ
ГОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет Росздрава», г. Казань
Исполнилось 75 лет со времени открытия окислительного фосфорилирования выдающимся ученым В.А.Энгельгардтом. Открытие данного процесса в 1931 году положило начало новому направлению в биологической науке, совпало с казанским периодом жизни В.А.Энгельгардта. В 1929 -1934 гг. В.А.Энгельгардт - заведующий кафедрой биохимии Казанского университета (позднее Казанского медицинского института). Именно в этот период плодотворной работы были заложены основы наиболее значимых открытий В.А.Энгельгардта. Не напрасно академик А.А.Баев называл своего учителя «великим мастером биологического эксперимента». «Мое первое научное поприще - это Биохимический институт Народного комиссариата здравоохранения, мое профессорское звание связано с кафедрой
биохимии Казанского университета (ныне Медицинский институт) и мой первый академический титул - это звание действительного члена Академии медицинских наук СССР» - так писал о себе В.А.Энгельгардт в своих автобиографических воспоминаниях [1].
Владимиру Александровичу Энгельгардту принадлежат крупные открытия, обогатившие отечественную и мировую науку и снискавшие ему славу крупнейшего биохимика 20-го столетия. Им были заложены основы функциональной и динамической биохимии.
Лекционный курс, как вспоминал Владимир Александрович, отнимал у него не так много времени, и оставалась достаточно досуга, чтобы вести работу за лабораторным столом и предаваться размышлениям. «В 1929 году я принял приглашение Казанского универститета занять кафедру биохимии. Лабораторию пришлось организавывать совершенно заново, так как в ней не было даже самого скромного набора простейшего применявшегося в то время оборудования. Все чем я располагал для моей личной работы после длившихся целый год усилий, - это убогое воспроизведение респирометра Варбурга, сконструированного в скромной университетской мастерской, и простейший вид колориметра...». «Казанские мальчишки, естественно, не знали, чем мы занимаемся. Им было только известно, что этот дяденька покупает голубей и дает за них по трешке. Голубей они мне приносили и не догадывались, что они нужны были нам для изучения процессов клеточного дыхания, процессов окислительного фосфорилирования» - из воспоминаний В.А.Энгельгардта. Если казанские мальчишки не понимали для чего нужны дяденьке голуби, то и выдающиеся умы биохимической науки того времени не догадывались о роли дыхания в энергетическом обеспечении клеток и тканей.
Известие об открытии окислительного фосфорилирования появилось вначале в 1931 году в «Казанском медицинском журнале» [2], а затем более подробно в 1932 году в «Biochemische Zeitschrift». Открытие явления окислительного фосфорилирования Владимиром Александровичем Энгельгардтом так и не было по достоинству оценено мировой научной общественностью, несмотря на то, что данное открытие положило начало новому научному направлению биологии - биоэнергетике. Это открытие явилось одним из наиболее крупных вкладов советских ученых в сокровищницу мировой науки. Лишь много лет спустя в «Хронологии биохимии» известный американский ученый А. Ленинджер, перечисляя наиболее важные вехи в истории биохимии, обозначил: «1931 - В. А. Энгельгардт показал, что
фосфорилирование сопряжено с дыханием».
Всего в Казани В. А. Энгельгардтом было выполнено 7 работ. При нем в связи с отделением медицинского факультета от университета, кафедра
перешла в медицинский институт. В 30-е годы на медицинском факультете действовал семинар, на котором выдающиеся ученые микробиолог В. М. Аристовский, патофизиолог Н. Н. Сиротинин, биохимик В. А. Энгельгардт и др., обсуждали результаты исследований, а научная молодежь, среди которой были будущий академик АМН СССР А. Д. Адо, и будущий профессор патофизиологии М. А. Ерзин, училась у них. Недолгое, но яркое пребывание В. А. Энгельгардта в Казани повлияло на научную судьбу Александра Александровича Баева, изучавшего под его руководством превращения аминогруппы АТФ.
Спустя пятьдесят лет академик В.А. Энгельгардт получил предложение, которого удостаиваются только немногие ученые, внесшие революционный вклад в науку - опубликовать в ежегоднике “Annual Review of Biochemistry” биографический очерк [3]. Об исследовании, выполненном в Казани, в этом очерке он написал: «Результаты были в немалой мере утешительны: было обнаружено, что дыхание клеток может повлечь за собой синтез АТФ. В тот период было хорошо известно, что АТФ синтезируется в процессе неокислительного распада глюкозы, протекающего по путям брожения и гликолиза. Если оглянуться назад, может показаться удивительным, что ничего не было известно относительно возможного участия АТФ или вообще фосфата в другом крупнейшем энергодающем процессе, каким является дыхание».
В начале 1934 года профессор В.А. Энгельгардт, его жена, приват-доцент М.Н. Любимова и их дочь Алина, родившаяся в Казани, уехали сначала в Ленинград, а потом в Москву. Впоследствии они открыли АТФазное свойство миозина, за что стали обладателями Сталинской премии I степени. Владимир Александрович стал академиком, проявил себя блестящим организатором и администратором. В.А.Энгельгардт - крупнейший организатор науки. Благодаря его энтузиазму и дару предвидения (намного лет вперед понял роль молекулярной биологии для развития науки в стране) в СССР получила свое развитие молекулярная биология. Благодаря стараниям В .А.Энгельгардта был открыт Институт радиационной и физико-химической биологии (с 1965 года Институт молекулярной биологии РАН), который теперь по праву носит его имя.
Ученые Казани высоко чтят память В.А.Энгельгардта. Академия Наук Республики Татарстан для увековечивания памяти о нем учредила именную премию В.А.Энгельгардта, которая присваивается ученым за наиболее крупные достижения в биологии.
«Способность к творчеству - это высший дар, каким природа наградила человека на бесконечно длительном пути его эволюционного развития. Ничто в жизни и деятельности человека не является таким мощным источником счастья, как творчество. Торжество собственной победы сливается здесь с возвышенным сознанием того, что этой победой ты
обогащаешь человечество, вносишь вклад в мировую сокровищницу человеческих знаний» - эти слова В.А.Энгельгардта как нельзя лучше характеризуют самого автора, внесшего неоценимый вклад в мировую сокровищницу человеческих знаний.
В 1939 году, продолжая в московской лаборатории института экспериментальной медицины развивать работу В.А. Энгельгардта, В.А. Белицер вместе с Е.Т.Цибаковой впервые ввёл понятие коэффициента фосфорилирования — отношения связанного фосфата к поглощённому кислороду [4]. Обнаруженная количественная закономерность, казалось бы, противоречила законам химии — один электрон рождал не одну, а две или три молекулы АТФ. Какой же убежденностью должен был обладать человек, впервые заявивший миру: окислительное фосфорилирование -это не обычная химическая реакция! Это новое явление, характерный признак жизни. Информационная изоляция СССР от Запада и начавшаяся война не позволили этим результатам вовремя получить признание биохимиков в мире. Они стали известными только в послевоенные годы и тогда уже вошли в реестры крупнейших научных открытий.
Многие годы было непонятно, каким образом энергия, освобождаемая при биологическом окислении, трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. Лишь в 1961 году Питер Митчелл опубликовал статью «Сопряжение окисления и фосфорилирования механизмом хемиосмотического типа» [5]. П. Митчел открыл, что ток электронов вызывает выброс, катапультирование, протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Таким образом создается протонный градиент через мембрану. Иными словами рН внешнего пространства падает. Мембранный потенциал (или заряд), отрицательный внутри и положительный снаружи генерируется выталкиванием протонов и создает общий энергетический градиент или протон-двигательную силу пригодную для синтеза АТФ. Внутренняя митохондриальная мембрана для Н+ фактически непроницаема. Это необходимое предварительное условие для системы, но в мембрану внедрен специальный протон-проводящий канал. Протоны текут снаружи через этот канал обратно в митохондриальный матрикс и энергия этого потока запрягается в образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Механизм транслокации протонов комплексами I и IV не выяснен, но установлен в случае комплекса III. Это так называемый Q цикл Е. Слейтера [6].
Наконец, Пол Бойер и Джон Уолкер (Нобелевская премия 1997 г.) показали, что когда АДФ и Рн связаны в активном центре, образование АТФ тоже происходит в активном центре и не требует большого изменения свободной энергии, но освобождение АТФ представляет собой энергоемкий этап [7]. Предполагается, что это достигается изменением конформации белка движимым протонным потоком.
При этом происходит механическое вращение единицы F Обмен АТФ-АДФ стремится нейтрализовать мембранный потенциал. Около 25% общей энергии переноса электронов затрачивается на этот процесс. Иными словами, соотношение между выбросом протонов из матрикса митохондрий и возврат их по протонным каналам не приводит к синтезу АТФ в стехиометрическом соотношении. Поэтому нельзя однозначно ответить на вопрос, сколько молекул АТФ образуется при окислении цитоплазматической молекулы НАД-Н митохондриями эукариотических клеток. Современные исследователи пришли к согласию в том, что прежние значения коэффициента Р/O равные 3 и 2, явно завышены, а более реальными являются Р/O = 2,5 для полной и Р/O = 1,5 для укороченной дыхательной цепи.
Нестандартность в выборе объекта для исследования, нетрадиционный подход к разрешению, встающих перед исследователем вопросов, -отличительная черта В.А.Энгельгардта, В.А.Белицера, П. Митчелла и П. Бойера , каждый их которых внес свой вклад в решение проблемы окислительного фосфорилирования, для которого потребовались десятки лет работы ума.
Литература
1.Энгельгардт В.А. Познание явлений жизни. - М., 1984.
2.Энгельгардт В.А. Анаэробный распад и аэробный ресинтез пирофосфата в красных кровяных клетках птиц // Казанский медицинский журнал. - 1931. - № 4-5. С. 496-501.
3 .Engelhardt V A. Life and science. Ann. Rev. Biochem. 1982, v.51, p. 1-19.
4.Белицер В.А., Цибакова Е.Т. О механизме фосфорилирования, сопряженного с дыханием// Биохимия. 4, 5, С. 516-535.
5. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism// Nature. 1961, 191, p. 144-148.
6.Slater E.C. The Q cycle, an ubiquitous mechanism of electron transport. Trends Biochem. Sci. 1983, 8, p. 239-242.
7.Boyer, P.D. The ATP synthase - a splendid molecular machine// Ann. Rev. Biochem. 1997, v. 66, p. 717-749.
