HISTORIA KATEDRY I ZAKŁADU BIOCHEMII LEKARSKIEJ

prezentacja
 

             Wiodącą tematyką badawczą naukowców Katedry i Zakładu Biochemii Lekarskiej od czasu jej powstania było badanie enzymów glikolizy. Zapoczątkował ją Jakub Karol Parnas na początku XX wieku, kiedy cała wiedza o metabolizmie glikogenu i glukozy sprowadzała się do faktu, że powstaje z nich mleczan, a istnienie enzymów glikolitycznych postulowano. Po raz pierwszy stereospecyficzność niektórych z enzymów glikolizy wykazał Jakub Parnas, w pracowni Hofmeisterana, wykonując proste doświadczenia z izomerami mleczanu. Wykonał on również pionierskie badania udowadniające powstawanie glikogenu z aldehydu glicerynowego, co dało początek nauce o glukoneogenezie. Jakub Parnas swoje badania nad produkcją mleczanu w mięśniu prowadził  w Strassburgu, Anglii i Warszawie.  Następnie, w latach 20 i 30 XX wieku przemiana cukrowa w mięśniu oraz produkcja amoniaku i przemiana nukleotydów stały sie głównymi zagadnieniami Zakładu Chemii Lekarskiej we Lwowie, kierowanego przez Profesora Jakuba Karola Parnasa. Warto zaznaczyć, że choć Zakład Chemii istniał na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Jana Kazimierza we Lwowie od 1894 roku, to jego pełny rozwój zaczął się w 1921r., po objęciu kierownictwa przez profesora J.K.Parnasa. Pod jego kierownictwem rozwinęła się prężna placówka naukowa, w której pracował znakomity zespół.
         Wyniki w obu dziedzinach pozwoliły Parnasowi połączyć dane, dotychczas obserwowane oddzielnie i wykazać, że to glikogenoliza i glikoliza umożliwiają resyntezę ATP w procesie przenoszenia fosforanu z fosfoglicerynianu i pirogronianu. Parnas odkrył fosforolizę glikogenu, był pierwszym naukowcem, który zastosował radioaktywny fosforan w badaniach biologicznych. W jego pracowni zidentyfikowano metabolity glikolizy i kilka reakcji enzymatycznych, nie zawsze nadając nazwę enzymom, np. fosfofruktokinazie. Glikoliza uzyskała nazwę szlaku Embdena - Meyerhoffa - Parnasa. W pracach nad fosforylazą i przenoszeniem grup fosforanowych uczestniczył Tadeusz Baranowski - twórca i kierownik Katedry Chemii Fizjologicznej we Wrocławiu. Fosforylaza była przedmiotem jego pracy habilitacyjnej.
             Profesor Tadeusz Baranowski tworząc po wojnie Katedrę Chemii Fizjologicznej we Wrocławiu, przeniósł tematykę ze Lwowa i rozwinął ją tak, że powstała enzymologiczna szkoła wrocławska. Badania objęły z czasem i inne placówki biochemicze. W 1939 roku Tadeusz Baranowski jako pierwszy przeprowadził krystalizację białek, w tym – miogenu A, którego aktywność aldolazową wykazał już po wojnie w pracowni Corich. Tam też odkrył i skrystalizował nowy enzym – dehydrogenazę fosfoglicerolu, zwaną enzymem Baranowskiego. Właśnie krystalizacja enzymów stała się w latach 60 i 70 wizytówka zakładu. Novum odtąd stała się ich izolacja z tkanek ludzkich. W 1963 roku skrystalizowano dehydrogenazę aldehydu 3-P glicerynowego i enolazę (E. i M. Wolny), w 1973 roku – kinazę pirogronianową (A. Morawiecki), w 1974 roku aldolazę (A. Dżugaj) oraz w  1975 roku – izomerazę fosfotrioz (I. Kamrowska). Badanie oczyszczonych enzymów przybrało charakter porównawczy, a wyniki znajdują zastosowanie w badaniach ewolucyjnych. Izolowano i opisano aldolazę i dehydrogenazę aldehydu 3P-glicerynowego z glisty świńskiej  (Ascaris suum), fosfofruktokinaę i LDH z mięśni raka, dehydrogenazę aldehydu 3P-glicerynowego i enolazę z ryb, oraz większość enzymów glikolitycznych z mięśni, serca, mózgu i erytrocytów ssaków.
            Badania prowadzono w rożnych kierunkach i miały one swoją specyfikę. Dotyczyły one głównie struktury pierwszorzędowej białek np.  ludzkiej dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPDH). Objęły one strukturę podjednostkową, konformację, denaturację i renaturację, kinetykę i w dużej mierze – regulację tego enzymu. Ponadto badano zmiany kinetyki i regulacji w rozwoju oraz enzymopatie fosfofruktokinazy i dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej u ludzi,  zmienność sezonową i wiekową enzymów ryb, ujawniano nowe reakcje, jak np.: powstawanie pirofosforanu w reakcji kinazy pirogronianowej, oddziaływanie kinazy pirogronianowej i LDH z lipidami i błonami. Wykazano udział enzymów w procesach nie związanych z funkcją katalityczną. Okazalo się na przykład, że peptyd dehydrogenazy aldehydu 3P-glicerynowego jest inhibitorem enzymu konwertujacego angiotensynę, a peptyd obecny na powierzchni cząsteczki enolazy grzybów jest epitopem w reakcjach alergicznych. Z zespołu kierowanego przez prof. T. Baranowskiego wywodzą się twórcy i pierwsi kierownicy placówek biochemicznych we Wrocławiu i innych miastach Polski.
                Na uwagę zasługują prace Mariana Kochmana wykonane w czasie jego pobytu na stypendium w Seatle w Stanach poświęcone strukturze i właściwościom aldolazy, należące obecnie do klasycznych prac enzymologicznych, wielokrotnie cytowanych w publikacjach naukowych. Profesor Marian Kochman, wybitny biochemik i biolog molekularny, należy również do elitarnego klubu „tysiączników”, uczonych, których prace były ponad 1000 - krotnie cytowane w literaturze naukowej.       

 


Jakub Karol Parnas

            Jakub Karol Parnas był  wybitnym biochemikiem o światowej renomie w dziedzinie enzymologii i przemiany cukrowej w tkankach zwierzęcych, wykształconym w Berlinie, pracującym w Zurichu, Strassburgu i Cambridge. Zmarł tragicznie w moskiewskim więzieniu w 1948 r., w do tej pory niewyjaśnionych okolicznościach (Barańska i wsp., 2007, 2008). Odkrycie glikolizy było kamieniem milowym w rozwoju biochemii w XX wieku, a udział Parnasa i jego zespołu w tym odkryciu jest bezsporny. Parnas jest uważany za twórcę polskiej szkoły biochemii. W powojennej Polsce badanie enzymów glikolitycznych było kontynuowane przez Tadeusza Baranowskiego, kierownika Zakładu Biochemii na Akademii Medycznej we Wrocławiu oraz jego współpracowników. Jakub Karol Parnas wywarł  głęboki wpływ na polskich i ukraińskich biochemików. Mimo upływu lat pamięć o nim pozostaje wciąż żywa. W roku 1995, Polskie Towarzystwo Biochemiczne wystąpiło z inicjatywą organizowania wspólnychpoświęconych pamięci Parnasa. Inicjatywa ta spotkała się z entuzjastycznym przyjęciem polskich i ukraińskich biochemików i od 1996, co dwa lata, na przemian w Polsce i na Ukrainie, organizowane są Konferencje Parnasa, w których uczestniczą nie tylko Polacy i Ukraińcy, ale również uczeni z całego  świata. Warto także zaznaczyć, że odkrycie fosfofruktokinazy w laboratorium Parnasa miało także wymiar symboliczny. Odkrywcami byli obywatele polscy trzech narodowości: Guthke był Polakiem, Ostern Żydem, a Terszakoweć Ukraińcem. Nawiązując do tego odkrycia Polskie Towarzystwo Biochemiczne postanowiło w roku 2011 zorganizować w Warszawie, trójstronną, Polsko-Ukraińsko-Izraelską, Konferencję Parnasa.

więcej informacji:
http://www.actabp.pl/pdf/Supl2_07/OL.pdf
http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2008/1-ang.pdf
 


          
           

Odkrycie glikolizy

            Odkrycie glikogenu przez Bernarda w roku 1857 przyjęto umownie za początek badań metabolizmu węglowodanów. Odkrycie  metabolizmu glukozy, czyli glikolizy, nastąpiło jednak dopiero w latach trzydziestych minionego stulecia. Odkrycie to stanowi fascynujący przykład jednoczesnych badań prowadzonych w wielu europejskich laboratoriach, których cząstkowe wyniki umożliwiły złożenie w jedną całość kolejnych etapów przemiany glukozy, a których końcowym produktem jest pirogronian. Sądzę, że jest to ważna informacja, że w tym swoistym wyścigu istotną rolę odegrał zespół kierowany przez polskiego uczonego, Jakuba Karola Parnasa. W badaniach, w których brało udział dziesiątki uczonych najbardziej istotną rolę przypisuje się trzem, Meyerhofowi, Embdenowi i właśnie Parnasowi (Barańska i wsp. 2007, 2008). Badania obejmowały wiele etapów i jednym z pierwszych było wykazanie  ścisłej zależności pomiędzy pochłanianiem tlenu a powstawaniem mleczanu, za co w 1922 roku Meyerhof otrzymał nagrodę Nobla.
           
            W latach trzydziestych minionego stulecia laboratorium Parnasa na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie było dobrze wyposażone. Współpracownikami Parnasa byli młodzi znakomicie wykształceni ludzie, głównie lekarze o dobrej znajomości chemii, którzy umieli syntetyzować estry fosforanowe  cukrów, prawdopodobne metabolity glikolizy, jak również kwas adenylanowy i ATP, oraz umieli zidentyfikować je w homogenatach mięśniowych. Kwas adenylanowy wytwarzany w laboratorium Parnasa był wysokiej jakości -  prawdopodobnie w tamtym czasie był najlepszy na świecie. Parnas i jego współpracownicy prowadzili badania na mięśniach szkieletowych kręgowców takich jak  żaby, króliki, psy i konie. Prowadzono również badania na drożdżach piwowarskich. Prowadzenie badań na tak szerokim spektrum organizmów okazało się bardzo korzystne. Identyfikacja tego samego metabolitu u różnych zwierząt wskazywała na uniwersalny charakter metabolizmu glikolizy. Mięśnie szkieletowe były rozdrabniane przy użyciu maszynki do mięsa i zawieszane w wodzie. Następnie zawiesinę odsączano i otrzymywano wodny roztwór wszystkich rozpuszczalnych w wodzie substancji, w tym enzymy oraz estry fosforanowe cukrów pochodnych glikozy, jak również nukleotydy takie jak ATP.
            Enzymy glikolizy są białkami globularnymi rozpuszczalnymi w wodzie i zachowującymi zdolność do katalizowania reakcji. Po dodaniu kwasu trichlorooctowego następowała denaturacja i wytrącanie enzymów, natomiast niskocząsteczkowe związki pozostawały w roztworze wodnym. Z roztworu wodnego w sposób selektywny wytrącano poszczególne estry i nukleotydy. A ATP wytrącano w postaci soli barowej. Parnas i jego zespół byli pionierami w badaniach nad fosforylacją. W badaniach tych stosowali radioaktywny fosfor. Współpracowali w tej dziedzinie z Hevesym. Radioaktywny fosfor otrzymywali z laboratorium Nielsa Bohra z Kopenhagi. Z uwagi na krótki okres półtrwania fosforu (14 dni), konieczne było przesyłanie go samolotem do Lwowa. Radioaktywny fosfor służył do otrzymywania estrów fosforanowych metabolitów glikolizy oraz do  śledzenia losów fosforanu w kolejnych etapach  glikolizy. Estry fosforanowe wytrącano i spalano otrzymując kwas ortofosforowy, z którego otrzymywano mieszaninę zawierającą fosforany magnezowo-amonowe. Następnie wysyłano je do Kopenhagi, gdzie mierzono ich radioaktywność. Zastosowanie radioaktywnego fosforu miało ogromne znaczenie dla dalszego rozwoju biochemii. Hevesy za swoje prace otrzymał w 1943 roku nagrodę Nobla. Współcześnie wiadomo, że pirogronian z glukozy powstaje na drodze kolejnych 10 reakcji enzymatycznych. W owym czasie ani Parnas ani jego współpracownicy o tym nie wiedzieli, niemniej jednak domyślali się, że przemiany glukozy są wieloetapowym procesem. Stosując inhibitory poszczególnych enzymów mogli zatrzymywać proces glikolizy na określonym etapie. Kwas jodooctowy jest inhibitorem dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego, natomiast fluorek inhibitorem enolazy. Stosując te inhibitory Parnas i jego współpracownicy byli w stanie wykazać,  że w obecności kwasu jodooctowego nie powstaje ATP, natomiast pojawia się, gdy w roztworze są fluorki. Umożliwiło to określenie, na jakim etapie glikolizy powstaje ATP. Wiążąc w całość otrzymane wyniki Parnas w swej pracy opublikowanej w Nature w 1934 roku stwierdził,  że syntezie mleczanu w mięśniach towarzyszy synteza ATP, a końcowa konkluzja brzmiała: „glikoliza jest to rozpad glukozy do mleczanu, w wyniku tego procesu powstaje ATP”. Badania wykazały, że ten szlak metaboliczny występuje niemal we wszystkich komórkach i, że jest jedynym źródłem energii w anaerobowych warunkach. W komórkach poszczególnych tkanek np. takich jak mięśnie i wątroba znaleziono różne izoenzymy glikolizy, które katalizują te same reakcje. Badania wykazały również,  że glikoliza jest precyzyjnie regulowana. Stwierdzono, że trzy enzymy regulują glikolizę: heksokinaza, 1,6-fosfofruktokinaza i kinaza pirogronianowa. Heksokinaza została odkryta przez Meyerhofa, dwa pozostałe enzymy regulatorowe przez Parnasa i jego współpracowników. Ostern, Guthke i Terszakoweć odkryli fosfofruktokinazę w 1936 r. (Ostern i wsp., 1936), natomiast odkrycie kinazy pirogronianowej przypisuje się przede wszystkim Parnasowi (Parnas, Ostern, Man, 1934). 
           
            Według wspomnień uczniów, praca z Parnasem nad rozszyfrowaniem glikolizy była fascynującą przygodą intelektualną. Izolowano z badanych materiałów fosforanowe pochodne cukrowe, identyfikowano ich budowę, którą często potwierdzano syntezą chemiczną, a następnie otrzymane elementy usiłowano złożyć w jedną całość, w jeden szlak metaboliczny. Przypominało to układanie puzzli z poszczególnych elementów. W czasie Kongresu (Congress of Biological Chemistry) w Brukseli w 1935 roku, Parnas przedstawił wyniki badań swego zespołu, które następnie opublikował w roku 1936. Ich przesłaniem była rewelacyjna informacja,  że ATP może być syntetyzowany w wyniku przeniesienia reszty fosforanowej z glikolitycznego metabolitu na ADP i  że w tej reakcji drugim produktem jest pirogronian. Doniesienie Parnasa zostało potwierdzone przez Lehmana, który wykazał, że reszta fosforanowa zostaje przeniesiona z fosfoenolopirogronianu. Badania glikolizy obejmowały zarówno odkrywanie poszczególnych metabolitów, jak i enzymów katalizujących poszczególne etapy. Podobne badania, jakie prowadzono w  laboratorium Parnasa, prowadzono jednocześnie w wielu innych europejskich ośrodkach badawczych.               
W oparciu o badania własnego zespołu jak również biorąc pod uwagę wyniki badań innych uczonych, Parnas w 1938 r. zaproponował w pracy opublikowanej w czasopiśmie Enzymologia szlak metaboliczny glikolizy powszechnie zaakceptowany przez innych badaczy.

           
            Prowadzone przez Parnasa i współpracowników badania wykazały, że w metabolizmie glukozy można wyróżnić sześć typów reakcji: 
 

  1. Fosforylacje – przeniesienie reszty fosforanowej z ATP na cukier lub z metabolitu na ADP, katalizowane przez kinazy;
  2. Izomeryzacje aldozy do ketozy oraz ketozy do aldozy katalizowane przez izomerazy;
  3. Mutacje – przeniesienie reszty fosforanowej w obrębie tej samej cząsteczki z jednego tlenu na inny, katalizowane przez mutazy;
  4. Rozszczepienie wiązania kowalencyjnego węgiel-węgiel pomiędzy 3 a 4 węglem fruktozo-1,6-bisfosforanu katalizowane przez aldolazę, jak również katalizowane przez ten sam enzym reakcje kondensacji aldehydu 3- fosfoglicerynowego i fosfohydroksyacetonu;
  5. Utlenianie aldehydu katalizowane przez dehydrogenazę przy udziale NAD;
  6. Pozbawienie 2-fosfoglicerynianu cząsteczki wody katalizowane przez enolazę;

 

Zdjęcia archiwalne

1 jpg
2 jpg