Текст книги "100 великих научных открытий"

Гомеостаз

Гомеостаз – один из четырех важных принципов современной биологии, наряду с эволюцией, генетикой и клеточной теорией. Основная идея умещается в короткую фразу: организмы сами регулируют свою внутреннюю среду.

Впервые идею гомеостаза выдвинул Клод Бернар (1813– 1878), плодовитый ученый, который добился серьезных успехов в понимании физиологии, невзирая на то, что любовь к вивисекции разрушила его первый брак. Однако истинная важность гомеостаза, названного им milleu interieur, была признана спустя десятилетия после смерти Бернара.

В чем же состояло открытие ученого? Он считал, что для живого организма существуют «две среды: внешняя, в которую помещен организм, и внутренняя, в которой живут элементы тканей». В 1878 г. Бернар сформулировал концепцию, согласно которой внутреннюю среду составляет не только кровь, но также все происходящие из нее плазматические и прочие жидкости. «Внутренняя среда, – писал ученый, – образуется из всех составных частей крови: азотистых и безазотистых, белковины, фибрина, сахара, жира… за исключением кровяных шариков, которые являются самостоятельными органическими элементами». Главным свойством внутренней среды Бернар считал то, что она находится «в непосредственном соприкосновении с анатомическими элементами живого существа». А значит, изучая физиологические свойства этих элементов, необходимо учитывать их зависимость от окружающей внутренней среды.

Ученый справедливо считал, что все явления жизни обусловлены конфликтом между существующими силами организма (конституцией) и влиянием внешней среды. В любом организме постоянно происходят процессы синтеза и распада, в результате чего мы приспосабливаемся, адаптируемся к условиям среды.

Согласно работам Бернара, все физиологические механизмы служат сохранению постоянства условий во внутренней среде. То есть организм должен совершенствоваться так, чтобы внешние изменения в каждое мгновение компенсировались бы и уравновешивались. А для этого ему необходимы вода, кислород, питательные вещества и определенная температура.

Правда, независимость от внешней среды, о которой говорил Бернар, весьма относительна. Внутренняя среда тесно связана с внешней. Более того, она сохранила многие свойства той первичной среды, в которой зародилась жизнь. Земные существа словно «замкнули» морскую воду в кровеносные сосуды, превратив изменчивую внешнюю среду во внутреннюю, постоянство которой охраняется специальными механизмами.

Бернар объяснял, что между внутренней средой и тканями идет безостановочный обмен разнообразных веществ. Внутренняя среда создается самим организмом, и постоянство ее состава поддерживается органами пищеварения, дыхания, выделения, которые «готовят для клеток общую питательную жидкость». Деятельность этих органов регулируется нервной системой с помощью специально вырабатываемых веществ. В этом «заключается круг взаимных влияний, образующих жизненную гармонию».

Таким образом, Бернар еще во второй половине XIX в. дал правильное научное определение внутренней среды организма, выделил ее элементы, описал состав, свойства, эволюцию и подчеркнул ее значение в обеспечении жизнедеятельности организма.

Впрочем, чтобы оценить эту идею, науке понадобилось почти 50 лет. В статье о Бернаре в энциклопедии «Британника» за 1911 г. вообще не упоминается о гомеостазе, а шестью годами позже в той же обновленной энциклопедической статье гомеостаз называется «важнейшим достижением эпохи».

В отличие от Бернара, чьи выводы базировались на биологических обобщениях, американский физиолог Уолтер Кеннон (1871—1945) действовал на основе экспериментов. Ученый обратил внимание на то, что жизнь животного и человека, несмотря на довольно частые неблагоприятные воздействия, протекает нормально в течение многих лет. По его мнению, постоянные условия, поддерживаемые в организме, можно было бы назвать равновесием, однако за этим словом уже закрепилось другое значение. Термином «равновесие» обозначают такое состояние изолированной системы, в котором все силы взаимно сбалансированы, а потому параметры системы не зависят от времени, к тому же там отсутствуют потоки вещества или энергии. В организме же протекают сложные физиологические процессы, обеспечивающие устойчивость его состояний, – примером может служить согласованная деятельность мозга, нервов, сердца, легких, почек и других органов и систем. Такие состояния Кеннон предложил называть гомеостазом.

Это слово вовсе не предполагает нечто застывшее и неподвижное. Оно означает условия, которые могут меняться, но все же оставаться относительно постоянными. О полной стабильности тут речи не идет, наоборот, все процессы в организме динамичны и изменчивы, однако в норме колебания физиологических показателей жестко ограничены. Кеннон показал, что все обменные процессы – температура тела, концентрация глюкозы и минеральных солей в плазме крови, давление в сосудах – колеблются в очень узких пределах вокруг некоторых средних величин (физиологических констант). Поддержание этих констант в организме и есть обязательным условием существования.

Кроме того, ученый выделил основные компоненты гомеостаза: материалы, необходимые для роста, восстановления и размножения (глюкоза, белки, жиры, вода, хлориды натрия, калия и другие соли; кислород; регуляторные соединения), а также физико-химические факторы, влияющие на клеточную активность (осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов и пр.). Не так давно к этой классификации были добавлены механизмы, обеспечивающие структурное постоянство внутренней среды и структурно-функциональную целостность всего организма: наследственность, регенерация, иммунитет.

В теории Кеннона особенно ценно то, что живые организмы рассматриваются как открытые системы, имеющие множество связей с окружающей средой. Эти связи осуществляются посредством органов дыхания и пищеварения, поверхностных рецепторов, нервной и мышечной систем и др. Изменения в окружающей среде прямо или косвенно воздействуют на указанные системы, вызывая в них соответствующие изменения. Однако эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы и не вызывают серьезных нарушений в физиологических процессах.

Впоследствии теорию Кеннона развивали Э. Пфлюгер, Ш. Рише, И. Сеченов, Л. Фредерик, Д. Холдейн, а также Л. Штерн, которая обнаружила гистогематические барьеры – физиологические преграды, разделяющие кровь и ткани. Этот механизм обеспечивает регуляцию состава и свойств собственной среды органа и клетки, а также защищает ее от поступления из крови веществ, чуждых данному органу или всему организму. Предложенная и обоснованная Штерн теория барьерных механизмов стала принципиально новым вкладом в учение о внутренней среде.

Белки

Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных времен использовался человеком в пищу и применялся как лечебное средство. Однако подлинная история этого вещества началась с появлением сведений о химических свойствах белков (свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Образование сгустков крови при ее свертывании было описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки, которую впервые получил Я. Беккари, отметив сходство клейковины с веществами животной природы.

Впервые термин «белковый» (albumineise) в значении «жидкость животного организма» был введен французским физиологом Ф. Кене в 1747 г. и в таком толковании вошел в «Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д’Аламбера. С той поры исследования белков приобрели систематический характер. В 1759 г. А. Кессель-Майер описал выделение клейковины из растений и охарактеризовал ее свойства. В 1762 г. А. Галлер исследовал процесс образования и свертывания казеина (молочного белка), а в 1777 г. А. Тувенель назвал творог белковой частью молока. В то же время французский химик А. Фуркруа доказал единую природу белков, выделенных из растительных и животных организмов, а также обозначил три главных белковых компонента крови: альбумин, желатин и фибрин.

В 1803 г. Дж. Дальтон вывел первые формулы альбумина и желатина, показав, что эти вещества содержат азот. Семь лет спустя Ж. Гей-Люссак провел химические анализы фибрина крови и казеина и пришел к выводу, что все белки содержат общую основу – протеин (в переводе с греческого «самый важный»), который имеет формулу C₄₀H₆₂N₁₀O₁₂ и связан в различных пропорциях с атомами серы и фосфора. Эта теория получила всеобщее признание и привлекла интерес к аналитическим исследованиям белков, для чего ученые стали использовать щелочной и кислотный гидролиз – реакции с водой в присутствии кислот и щелочей. Чуть позже путем экстракции растворами нейтральных солей был получен кристаллический гемоглобин, а также некоторые растительные белки.

Создание теории протеина совпало с формированием представлений о функции белков в организме. В 1835 г. Й. Берцелиус высказал идею о важнейшей функции белка – ускорять химические реакции в организме. Год спустя Т. Шванн открыл первый белковый фермент – пепсин, а через 20 лет Ж. Корвизар обнаружил трипсин. Эти открытия подогрели интерес биохимиков к физиологии пищеварения, а следовательно, к продуктам переваривания белков. К середине XIX в. было доказано, что под действием ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептонов.

Решающим для понимания химической природы белков стало выделение из них аминокислот в процессе гидролиза. В 1806 г. Л. Воклен выделил из сока спаржи аминокислоту аспарагин. В то же время Ж. Пруст получил лейцин из сыра и творога. В 1820 г. А. Браконно вскипятил белки с серной кислотой и получил «клеевой сахар», или глицин. Далее путем гидролиза фибрина из мяса ученый выделил лейцин, а при разложении шерсти – лейцин и смесь других продуктов гидролиза. Чтобы не путаться, было решено называть аминокислоты в честь «первоисточников». Так, аспарагин был обнаружен в соке аспарагуса (спаржи), глутаминовая кислота – в клейковине пшеницы (от лат. gluten ― клей), цистеин – в камнях мочевого пузыря (от греч. «цистис» – пузырь), а аргинин получен в виде соли серебра (от лат. argentum ― серебро).

В начале ХХ в. значительный вклад в изучение белка внес Э. Фишер. Впервые применив методы органической химии (в частности, встречный синтез, предполагающий создание одних и тех же веществ разными способами), Фишер доказал, что белки построены из остатков α-аминокислот, соединенных пептидной связью.

В 1920—1940-е получили развитие физико-химические методы анализа, которые помогли определить молекулярные массы многих белков, открыть сферическую форму молекул глобулярных белков, выполнить первые рентгеноструктурные анализы аминокислот и их связующих звеньев – пептидов, молекулы которых построены из двух и более аминокислотных остатков – C(O)NH, – соединенных в цепь.

В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А. Мирски сформулировал теорию строения и функций белка, а два года спустя начал изучать атомную и молекулярную структуру белков и аминокислот с применением рентгеновской кристаллографии. В 1942 г. Полингу удалось получить первые искусственные антитела (белки, призванные защищать организм от вирусов, токсинов и пр.) и изменить химическую структуру некоторых глобулинов, содержащихся в крови.

В 1937 г. М. Перуц начал изучать строение молекулы гемоглобина, а позже к нему присоединился Дж. Кендрю, заинтересованный структурой молекулы миоглобина – белка, связывающего кислород в мышцах. Длительное время ученые исследовали эти вещества, играющие огромную роль в окислительных процессах, и в 1957 г. Кендрю впервые смог представить структуру белка в системе трех координат. Подкрепив свои выводы рентгеноструктурным анализом и обработав результаты на ЭВМ, ученые создали полноценные трехмерные модели миоглобина и гемоглобина и в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии по химии.

В 1951 г. Карл и Герти Кори опубликовали первое полное описание молекулярной структуры белков. Применяя рентгеновскую кристаллографию для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, супруги Кори обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой в виде спирали. В то же время К. Линнерстрём-Ланг высказал идею о трех уровнях организации белковых молекул, и тогда уже все убедились, что белки – это сложные органические вещества, представляющие собой полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

В природе известно 150 аминокислот, но в построении белков живых организмов участвуют только 20. Благодаря особенностям своего химического состава аминокислоты способны соединяться, образуя так называемую первичную структуру, которая определяет уникальность белка. У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH₂), что обусловливает способность белка вступать в разнообразные химические реакции. Соединяются аминокислоты, как уже упоминалось, химической пептидной связью, в результате чего образуется остаток – пептид.

Позднейшие исследования показали, что одни аминокислоты, заменимые, могут быть синтезированы в клетках самого организма, а другие, незаменимые, должны поступать в готовом виде из пищевых продуктов. Например, для белой крысы незаменимыми являются 10 аминокислот, для молочнокислых бактерий – 16, для человека – 8 (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, треонин, лизин).

Открытие и изучение белков оказалось очень важным для всех сфер человеческой жизни, особенно медицины, ведь эти соединения выполняют в организме множество функций. Как строительный материал входят в состав всех клеток. Обеспечивают сокращение мышечных волокон, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом. Переносят внутри организма различные вещества (кислород, липиды, жирные кислоты). Распознают и уничтожают вредоносные микроорганизмы. При расщеплении служат источником энергии. В десятки и сотни тысяч раз ускоряют течение химических реакций. Наконец, особые белки, гормоны, поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах.

В 2012 г. австралийские ученые обнаружили в человеческом организме белок, с помощью которого происходит регуляция размера мышц. Результаты опытов на мышах показали, что при блокировке белка Gbr10, получившего прозвище «Халк», мышцы начинают расти как на дрожжах. По мнению биологов, это поможет восстановлению утерянных или атрофировавшихся мышц, заживлению ран, лечению диабета и многих заболеваний, связанных с необходимостью регулирования объемов мышечной ткани.

А не так давно британские ученые определили, что за возникновение боли в случае солнечных ожогов и других воспалений отвечает протеин CXCL5. Данное открытие может быть полезным для создания новых обезболивающих средств, которые будут обладать гораздо меньшим количеством побочных эффектов, чем ныне существующие.

Очевидно, что в дальнейшем изучение процесса биосинтеза белков в живой клетке поможет решать огромное количество самых разных задач в области промышленности, сельского хозяйства, медицины и охраны природы.

Цикл Кребса

В 1930 г. немецкий биолог, сын еврейского врача Ханс Кребс (1900—1981) вместе со своим студентом открыл процесс обезвреживания аммиака в организме. Цикл образования мочевины (именно в этом состоял данный процесс) позже получил название «цикл Кребса № 1». Но главное открытие ученого было еще впереди. В середине 1930-х он бежал из нацистской Германии в Британию, там нашел место в лаборатории Кембриджского университета и занялся изучением механизма превращения организмом пищи в энергию.

В 1935 г. А. Сент-Дьёрди заметил, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все четыре – естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя, где метаболические процессы идут с наибольшей скоростью.

Два года спустя Ф. Кнооп и К. Мартиус обнаружили, что лимонная кислота превращается в изолимонную через промежуточный продукт – цис-аконитовую кислоту. Кроме того, изолимонная кислота может превращаться в α-кетоглутаровую, а та – в янтарную.

Кребс попробовал измельчить образец животной ткани, сделал жидкость из этих клеток, пропустил содержимое через ряд химических реакций – и заметил, что кислоты определенным образом влияют на поглощение кислорода грудной мышцей голубя, а также способствуют окислению пировиноградной кислоты и образованию ацетил-коэнзима А. При этом малоновая кислота угнетала процессы в мышце и подавляла действие ферментов – белковых катализаторов, которые позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее, в частности во взаимодействии с янтарной кислотой. Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, начиналось накопление α-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Так стало понятно, что совместное действие α-кетоглутаровой и лимонной кислот приводит к образованию янтарной.

Затем Ханс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, ученый выявил последовательный процесс, который назвал циклом трикарбоновых кислот (поскольку поначалу не мог точно сказать, с какой кислоты начинается процесс: лимонной или изолимонной). Сейчас уже известно, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно называть открытие Кребса цитратным циклом или циклом лимонной кислоты.

В общих чертах этот процесс можно описать так: молекулы сахара (глюкозы) из переваренной пищи проходят через ряд различных химических реакций внутри самой клетки, что приводит к образованию богатой энергией молекулы, а та, в свою очередь, снабжает энергией весь организм.

Как же все это происходит? Внутри каждой клетки находятся митохондрии – отдельные органеллы («органы» клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии – АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ как источник питания универсальна и очень удобна в использовании: в белки она встраивается напрямую, потому очень быстро насыщает их энергией. Самый простой пример – белок миозин, который обеспечивает сокращение мышц.

Однако, несмотря на то что в сахаре содержится очень много энергии, сделать из глюкозы АТФ попросту невозможно. Как же извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к «варварским» методам вроде сжигания? Нужно задействовать ферменты.

Первый этап – расщепление молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) или молочной кислоты (лактата) с выделением небольшой части, примерно 5 %, энергии, запасенной в сахаре. Лактат получается при анаэробном окислении – в отсутствие кислорода. А превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно.

В результате окисления пирувата отщепляется двуокись углерода (СО₂) и образуется ацетильный остаток ацетил-КоА (кофермент А). Затем к реакции присоединяются ацетилы, образованные в процессе расщепления жиров, а дальше происходит цепочка реакций, для удобства запоминания которых была придумана детская считалочка: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед» – то есть выделяется цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, кетоглутарат, сукцинил-КoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Ацетил-КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата и дает цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. От цитрата отщепляется водород, и получается цис-аконитат – вторая трикарбоновая кислота в цикле. Цис-аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту (изоцитрат). Та теряет двуокись углерода (СО₂) и одновременно окисляется специфическим ферментом с коферментом НАД, давая кетоглутаровую кислоту. При этом НАД, восстанавливаясь, превращается в другой кофермент – НАДХ. Затем от кетоглутаровой кислоты отщепляется СО₂ и образуется сукцинил-КоА, который на следующей стадии вступает в реакцию с водой и превращается в сукцинат, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

Далее сукцинат, отбрасывая водород, преобразуется в фумарат, тот присоединяет воду и превращается в яблочную кислоту (малат), а последующее окисление снова дает оксалоацетат. Круг замыкается. Одновременно образуется еще одна молекула НАДХ и молекула ФАДХ₂ (кофермент, отличный от НАД, который, однако, тоже может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию). Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор, не накапливаясь и не расходуясь в процессе, – его концентрация в митохондриях поддерживается на низком уровне. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла? Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы – своего рода отрицательная обратная связь. Как только концентрация какого-либо продукта превышает норму, работа фермента, ответственного за его синтез, блокируется.

Весь этот процесс, названный циклом Кребса № 2, стал великим открытием для биохимии, поскольку открыл дорогу к пониманию того, как работают клетки внутри человеческого организма.

Результаты исследований ученый послал в журнал Nature, но редакция не захотела печатать статью, и тогда Ханс переправил текст в голландский журнал Enzymologia. В 1953 г. Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.