Первые представления о тканевом дыхании связаны с Лавуазье, который один из первых указал на то, что жизнь поддерживается кислородом. Он назвал дыхание процессом биологического «горения», подобным горению угля, только очень медленным. Таким образом, Лавуазье были обнаружены сходство и отличия между процессами горения и биологического окисления, которые заключались в следующем:
Сходства:
1. Как горение, так и биологическое окисление идут с потреблением кислорода .
2. Конечными продуктами горения и биологического окисления являются вода и углекислый газ.
Отличия биологического окисления от горения заключаются в следующем:
1. Протекает при температуре человеческого тела .
2. Протекает в водной среде .
3. Отсутствует пламя.
Другой вопрос, который долгое время занимал ученых, был о происхождении энергии активации необходимой для взаимодействия водорода и кислорода. Дело в том, что в молекулярной форме кислород относительно малоактивен, поэтому «гремучую смесь» (смесь кислорода с водородом) необходимо нагреть, а водород выходящий из трубки генератора — поджечь. В условиях организма это невозможно, поэтому дискуссия о происхождении энергии активации в процессах биологического окисления получила дальнейшее развитие. В 1897 году была обоснована первая гипотеза тканевого дыхания, названная гипотезой перекисного (пероксидного) окисления. Ее разрабатывали независимо А.Н. Бах в России и Энглер в Германии. Суть данной гипотезы состоит в том, что при дыхании, как считали авторы, происходит активирование молекул О2 за счет энергии самоокисляющихся веществ, образование пероксидов и разложение их с участием другого вещества:
|
|
|
1. О = О – О – О – (активный кислород)
|
О
2. – О – О – + А (субстрат) А (пероксид)
О
|
О
3. А + В (второй субстрат) АО + ВО
О
Для указанных целей необходимо последовательное действие двух ферментов — оксигеназы и пероксидазы. Впоследствии оказалось, что это не главный, а частный случай окисления веществ при дыхании. В настоящее время известно, что это тип медленного окисления органических веществ имеет место в микросомах печени, а не в митохондриях.
Идея активирования кислорода как основного механизма тканевого дыхания разрабатывалась известным немецким ученым Варбургом, создавшим первые аппараты для изучения тканевого дыхания. Он считал, что активирование кислорода есть ключевой процесс в тканевом дыхании, в результате чего кислород соединяется с водородом и образуется вода.
В 1912 г. Варбург открыл гемосодержащий протеид, названный в последствии цитохромоксидазой, которая активирует кислород. Однако, после открытия в том же году Бателли и Штерном дегидрогеназ ученых захватила идея активирования не кислорода, а водорода субстрата как основного звена тканевого дыхания. В.И. Палладин (1912) предложил схему дыхания, по которой дегидрирование является важнейшим звеном дыхания:
|
|
|
|
А · Н2 (субстрат) ½ О2 Н2О
Вскоре Виланд и Тунберг доказали, что возможно активирование водорода субстрата с помощью дегидрогеназы. Гипотеза Палладина получила подтверждение. Примерить дегидрогеназную концепцию Палладина и оксидазную Варбурга в тканевом дыхании удалось после открытия в 1933 г. Кейлином цитохромов, являющихся промежуточными переносчиками электронов от водорода к кислороду. На самом деле Кейлин переоткрыл цитохромы, которые были впервые описаны Мак-Мунном в 1886 г. и названные им гистогематинами.
По современным представлениям, в реально работающей дыхательной цепи присутствуют как элементы активации водорода, так и активации кислорода.
Активация водорода достигается взаимодействием его с коферментами дегидрогеназ. Так редокс-потенциал (о природе и величине редокс-потенциала будет сказано ниже) газообразного водорода равен 0 (нулю), а когда водород в составе кофермента НАДН·Н+ редокс-потенциал снижается до величины -0,32 В, что говорит об резком увеличении восстанавливающих свойств водорода.
Активация кислорода достигается путем взаимодействия на уровне цитохромоксидазы двух электронов, идущих по дыхательной цепи с молекулой О2. В результате неполного восстановления молекулы О2 (для полного восстановления молекулы О2 необходимо 4 электрона) образуется активная форма кислорода — пероксидный свободный радикал. Таким образом, теория активации кислорода также нашла свое подтверждение.
Контрольные вопросы
1. Что такое тканевое дыхание?
2. В чем сходство и отличие между процессами горения и биологического окисления в организме?
3. В чем суть гипотез А.Н. Баха и В.И. Палладина?
