Нейрохимия, 2022, T. 39, № 4, стр. 311-321

Началу изучения биохимии мозга в Санкт-Петербургском (Ленинградском, ЛГУ) государственном университете было положено в 1928 году с организацией кафедры биохимии. Первым заведующим кафедрой в 1929 году был избран профессор (позднее – заслуженный деятель науки, 1935) Ефим Семенович Лондон – крупный ученый, известный своими работами в области биохимии, физиологии, иммунологии, радиобиологии (рис. 1).

Е.С. Лондон – автор первой монографии по радиобиологии [1]; им разработан метод авторадиографии, широко используемый в разных областях биологии [2]. Он был первым ученым, который обнаружил принципиально важный для радиобиологии факт: под влиянием радиоактивного излучения наиболее ранние и выраженные патологические изменения происходят в кроветворных, половых и лимфатических органах животных, в то время как головной мозг, напротив, относительно радиорезистен [3].

Ефимом Семеновичем в ходе экспериментов, проведенных совместно с Ф.А. Левиным (Рокфеллеровский институт, США), впервые было установлено, что углеводным компонентом тимонуклеиновой кислоты является дезоксирибоза; это позволило дать изучаемому соединению так хорошо нам знакомое название – дезоксирибонуклеиновая кислота [4].

Разработанный Е.С. Лондоном метод ангиостомии [5] позволил впервые изучить некоторые стороны метаболизма углеводов, белков, аминокислот в органах животного in vivo. Особый интерес представляет модификация метода ангиостомии – синусостомия, которая дала возможность Е.С. Лондону и его сотрудникам первыми в мире в экспериментах на интактных животных количественно охарактеризовать чрезвычайно интенсивное потребление глюкозы головным мозгом [6]. Существенная разница в потреблении глюкозы мозгом и поглощении ее другими органами сохраняется при многих экспериментальных воздействиях. Эти работы под руководством Е.С. Лондона были первыми шагами в формировании нейрохимической школы нашего университета. Идеи, заложенные Е.С. Лондоном, успешно и плодотворно развивались его учениками и последователями не только в организованной им в 1929 году лаборатории обмена веществ (при кафедре биохимии ЛГУ), но и во многих других научно-исследовательских учреждениях. Данные, полученные Е.С. Лондоном более 90 лет назад, до сих пор приводятся в учебниках по нейрохимии, как одна из базовых характеристик метаболизма мозга.

Ефим Семенович был необычайно широко эрудированным человеком, разбиравшимся во многих областях биологии, медицины и других наук. Он обладал даром настоящего преподавателя, умея разъяснить студентам сложные вопросы и привлекать их к совместному обсуждению новых открытий. Уже с первых шагов в роли заведующего кафедрой биохимии Е.С. Лондон стал читать студентам-биологам большой лекционный курс по обмену веществ, который сопровождался специальным практикумом. Отдельные практические занятия проводились им на базе Института экспериментальной медицины, где он заведовал Отделом патофизиологии обмена веществ (рис. 2).

Выдающийся российский биохимик и физиолог Е.С. Лондон в начале 1939 г. был номинирован на Нобелевскую премию по физиологии и медицине, однако кончина Ефима Семеновича остановила процедуру рассмотрения его кандидатуры. Хочется отметить, что в “архиве Нобелевского комитета сохранился отзыв эксперта комитета – известного физиолога и фармаколога Ульфа Сванте фон Эйлера, который гласит, что в том году именно профессор Лондон (Ленинград) был ″priority nominee, number one″” [цит. по 7].

В 1940 году заведующим кафедрой биохимии ЛГУ был избран профессор (позднее академик АМН СССР) Георгий Ефимович Владимиров (рис. 3), известный своими работами в области биоэнергетики и нейрохимии и руководивший в это же время кафедрой биохимии в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова.

Под руководством Г.Е. Владимирова на кафедре биохимии в ЛГУ выполнены приоритетные исследования по определению свободной энергии гидролиза АТФ [8]. В 1934–1940 гг. Г.Е. Владимиров возглавлял биохимическую группу Эльбрусской экспедиции АН СССР. Во время пребывания в условиях высокогорья Георгий Ефимович вместе с коллегами на себе исследовали влияние разреженной атмосферы (гипоксии) на организм человека. Результаты этих работ были впоследствии дополнены многочисленными данными, полученными на лабораторных животных, которые подвергались воздействию гипоксии в барокамере. В совокупности, экспериментальный материал, полученный под руководством Г.Е. Владимирова, позволил выявить высокую чувствительность ЦНС к недостатку кислорода, а также обобщить представления о биохимических механизмах, участвующих в адаптации организма к гипоксии [9, 10].

Большой заслугой Георгия Ефимовича является то, что совместно с деканом биолого-почвенного факультета ЛГУ проф. М.И. Прохоровой он был инициатором использования в научной работе сотрудников кафедры (лаборатория химии белка и лаборатория обмена веществ) радиоактивных изотопов – [³²Р] и [¹⁴С]. Применение радиоизотопов в сочетании мгновенным замораживанием экспериментальных животных в жидком азоте было в то время новым, очень перспективным методическим подходом для изучения взаимосвязи между функциональным состоянием животного и скоростью метаболических процессов в головном мозге и других тканях in vivo [11–13]. Такой подход позволил Г.Е. Владимирову и сотрудникам (рис. 4) провести большой цикл экспериментов по изучению интенсивности обновления как фосфосодержащих соединений (АТФ, фосфопротеины, липопротеины, гексозофосфаты, рибонуклеопротеиды), так и других метаболитов при разных функциональных состояниях ЦНС – покой, возбуждение, наркотический сон, гипо- и гипертермия. В частности, было обнаружено резкое повышение скорости обновления фосфатных групп фосфопротеинов мозга при возбуждении и, напротив, замедление этих процессов при торможении ЦНС [14–16].

Использование аминокислот, содержащих радиоактивную метку, позволило выявить заметные отличия в скорости обновления белков в различных отделах головного мозга и изменение этих показателей при разных функциональных состояниях [17–19]. Эксперименты с гипотермией убедительно доказали, что резкое снижение скорости обновления фосфосодержащих соединений, в первую очередь фосфопротеинов и липопротеинов, в мозге при снижении температуры тела связано с торможением метаболических процессов, а не с повреждением ферментативных систем или структурных элементов [20]. Результаты этих приоритетных исследований, были обобщены Г.Е. Владимировым в ряде статей [21, 22] и в многочисленных докладах на всесоюзных и международных съездах и конференциях. Таким образом, в экспериментах с мечеными атомами, выполненных под руководством Г.Е. Владимирова сотрудниками кафедры биохимии и лаборатории нейрохимии Института физиологии им. И.П. Павлова (зав. Г.Е. Владимиров) были получены новые и неожиданные для того времени данные о чрезвычайно высокой интенсивности метаболизма в ЦНС по сравнению с другими органами и тканями. Значительный вклад в понимание биохимических процессов в головном мозге, внесенный Г.Е. Владимировым, был высоко оценен мировой наукой – в начале 1960 года он был избран членом президиума Международной организации по исследованию мозга (International Brain Research Organization, IBRO).

В 1959 году группе сотрудников лаборатории химии белка кафедры биохимии ЛГУ (Р.Г. Броун, В.П. Гончарова, В.И. Дюрнбаум, И.С. Степанова) Георгий Ефимович предложит новое направление исследований – изучение гетерогенности РНК мозга и сравнительный анализ нуклеотидного состава ДНК различных тканей. Эти работы послужили началом молекулярно-биологических исследований на кафедре биохимии, продолжающихся до настоящего времени. Под руководством Г.Е. Владимирова на кафедре биохимии Ленинградского университета было защищено несколько кандидатских диссертаций, посвященных нейрохимической тематике.

Много сил профессор Г.Е. Владимиров отдавал педагогической работе. Наряду с общим лекционным курсом “Биохимия” для всех студентов 2 курса биолого-почвенного факультета, для студентов кафедры биохимии он периодически читал специальные авторские курсы: “Новые методы биохимии”, “Элементы высшей математики для биохимиков”, “Энзимология с основами химической термодинамики и кинетики”, в последние годы жизни – курс “История биохимии”. Георгий Ефимович был прекрасным лектором. В его изложении даже самые трудные материалы становились понятными; он подсказывал студентам приемы мнемоники, позволяющие быстро и надолго запомнить сложнейшие термины и формулы (например, структуру гема). Кроме того следует отметить, что в свои лекции Георгий Ефимович всегда включал новейшие литературные данные и привлекал аудиторию к их обсуждению.

В 1955–1956 гг. Георгий Ефимович начал читать новый разработанный им курс лекций “Функциональная биохимия”, содержащий разделы “Биохимия мышц” и “Биохимия мозга”. Материалы этого курса были отражены в учебном пособии в соавторстве с Н.С. Пантелеевой “Функциональная биохимия (избранные главы)” (рис. 5) [23]. В 1958 г. соответствующий раздел был выделен в самостоятельный лекционный курс “Биохимия мозга” (лектор проф. М.И. Прохорова). Этот курс, постоянно пополняемый новыми темами и экспериментальными данными, читается преподавателями кафедры биохимии Университета по настоящее время.

Очень большой вклад в развитие нейрохимических исследований на кафедре биохимии ЛГУ и в подготовку молодых специалистов (студентов и аспирантов, интересующихся нейрохимией) был внесен профессором, заслуженным деятелем науки РСФСР Марией Илларионовной Прохоровой.

М.И. Прохорова – ученица профессора Е.С. Лондона и академика А.А. Ухтомского, с 1952 г. заведовала лабораторией обмена веществ, которая затем была объединена с организованной в 1963 г. проблемной лабораторией биохимии нервной системы (рис. 6). С 1982 г. заведующей этой лабораторией стала профессор Н.Д. Ещенко. Все годы трудовой деятельности профессора М.И. Прохоровой, начиная со студенческих лет и аспирантуры, были связаны с кафедрой биохимии биолого-почвенного факультета и с лабораторией обмена веществ и биохимии нервной системы, входившей в структуру Физиологического института им. А.А. Ухтомского ЛГУ (рис. 7).

Под руководством М.И. Прохоровой с применением углерода [¹⁴С] проводились углубленные исследования липидов и изучение особенностей углеводного и энергетического метаболизма головного мозга. Следует подчеркнуть, что применение радиоактивного углерода для изучения метаболизма в тканях животного организма in vivo впервые в нашей стране было начато именно в стенах университетской кафедры биохимии, в лабораториях химии белка и обмена веществ. Опыт работы с различными веществами, содержащими [¹⁴С], обобщен в специальном пособии и в статьях [см. 24]. Использование глюкозы, содержащей [¹⁴С], позволило обнаружить высокую скорость обновления гликогена мозга [24, 25] и продемонстрировать изменения этого показателя при различных функциональных состояниях и воздействиях [26]. Приоритетные результаты этих экспериментов убедительно доказали, что гликоген не пассивный структурный компонент клеток мозга, а, напротив, активно участвует в обеспечении функциональной деятельности ЦНС.

Заметным вкладом в нейрохимию являются результаты работ по всестороннему изучению липидов мозга, выполненных под руководством М.И. Прохоровой. В этих экспериментах использовался комплексный методический подход, сочетающий методы тонкослойной хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), количественного определения различных липидов c методом радиоактивной индикации. Применение соединений, содержащих радиоактивный углерод ([¹⁴С]-ацетат, [¹⁴С]-глюкоза и др.) позволило оценивать не только количественное содержание, но и интенсивность обновления того или иного представителя определенного класса липидов [24, 27].

Детально были исследованы представители основных классов липидов (фосфолипиды, гликолипиды, триглицериды, холестерин и его производные, жирные кислоты) в головном мозге взрослых и растущих животных, в норме и при ряде воздействий [28–31].

Новые данные о специфике изменений жирнокислотной компоненты в разных фракциях фосфолипидов мозга в ходе постнатального развития и при некоторых воздействиях были получены методом ВЭЖХ [32]. Пионерскими были и сравнительные исследования фосфолипидов мозга в обогащенной фракции нейронов и фракции глиальных клеток [33, 34]. Особый интерес представляют работы по изучению специфических гликолипидов нервной ткани; сюда относятся прежде всего ганглиозиды, а также липиды миелина – цереброзиды и сульфатиды. Приоритетные данные о различных представителях ганглиозидов мозга – об их структуре, интенсивности обмена в норме и при патологии, изменении соотношения в ходе постнатального развития и об их функциональной роли были получены в ходе многолетних исследований С.Ю. Тумановой [35–37].

Сведения о липидах мозга были бы неполными без изучения специфики процессов липогенеза и его регуляции. В середине 70-х годов в лаборатории биохимии нервной системы и обмена веществ эти исследования были инициированы проф. М.И. Прохоровой. В экспериментах с различными [¹⁴С]-содержащими предшественниками детально изучены источники углеродных атомов, используемых в мозге при синтезе представителей липидов различных классов, а также оценен вклад различных дегидрогеназных реакций, поставляющих восстановительные эквиваленты (НАДФН) для процесса липогенеза [38–40].

Вся совокупность результатов этих всесторонних исследований, проведенных под руководством профессора М.И. Прохоровой, позволила доказать, что липиды играют принципиально важную роль в функциональной деятельности ЦНС.

Еще одним направлением в работе сотрудников лаборатории биохимии нервной системы и обмена веществ было традиционное для кафедры биохимии ЛГУ изучение энергетического и окислительного обмена в мозговой ткани. М.И. Прохоровой был предложен способ расчета величины “энергетического потока” (“energy flux”, ΔP_i), характеризующий интенсивность энергетического обмена в мозге, то есть интенсивность образования и расходования макроэргических соединений. Этот способ расчета основан на полученных в лаборатории данных о скорости потребления равномерно меченной [¹⁴С]-глюкозы и окисления ее до СО₂ и воды [41]. Величина ΔP_i для мозга взрослых крыс по расчетам М.И. Прохоровой составляла 25.9 мкмоль P_i/г ткани за минуту, что хорошо совпадает с результатами других исследователей (24–28 мкмоль P_i/г ткани за минуту), полученных при использовании технически более сложных методических подходов [42].

Использование метода радиоактивной индикации в сочетании с методами определения активности ферментов и количества метаболитов дало возможность получить новые интересные данные о специфике протекания и регуляции реакций цикла Кребса в клетках головного мозга [43–45]. Было установлено, что интенсивность синтеза лимонной кислоты в головном мозге существенно выше, чем в других тканях; ведущим фактором контроля скорости цитратсинтазной реакции в мозге in vivo является соотношение адениннуклеотидов, в то время как в сердце, печени, почках – изменение концентрации оксалоацетата. Сопряженная одновременная и однонаправленная регуляция цитратсинтазной и НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназной реакций за счет изменения соотношения адениннуклеотидов характерна только для мозга [46–48].

Большой цикл работ, выполненный под руководством М.И. Прохоровой, посвящен изучению аминокислотного обмена в головном мозге. Особое внимание в этих исследованиях было обращено на аминокислоты “глутаминовой группы”, а также использование аминокислот как предшественников в липогенезе и глюконеогенезе при изменении функционального состояния ЦНС [49–51].

Несомненной заслугой профессора М.И. Прохоровой и существенным вкладом в изучение мозга можно считать то, что по ее инициативе весь огромный методический арсенал, накопленный сотрудниками лаборатории обмена веществ и биохимии нервной системы и преподавателями кафедры биохимии, был обобщен в двух методических пособиях [26, 52] (рис. 8). Отличительная особенность этих пособий заключается в том, что практически все описанные методики адаптированы для исследования нервной ткани и приведены конкретные примеры средних значений различных показателей для головного мозга взрослых крыс в сравнении с показателями для печени, сердца и других тканей.

Много внимания профессор М.И. Прохорова уделяла педагогической работе и подготовке молодых специалистов; под ее руководством на кафедре биохимии было защищено 28 кандидатских и 4 докторских диссертации по нейрохимической тематике. К чтению базового лекционного курса «Биохимия мозга» (впоследствии название курса – “Нейрохимия”) для студентов кафедры биохимии Мария Илларионовна привлекла сотрудников лаборатории обмена веществ и биохимии нервной системы, что было положено в основу первого в нашей стране учебника “Нейрохимия” [53] (рис. 8).

В 1963 году по инициативе М.И. Прохоровой руководством Ленинградского государственного университета на кафедру биохимии биолого-почвенного факультета был приглашен один из самых талантливых учеников Г.Е. Владимирова – профессор (позднее академик АМН СССР) Игорь Петрович Ашмарин, избранный в 1965г. заведующим кафедрой (рис. 9).

С приходом на кафедру биохимии профессора И.П. Ашмарина стало бурно развиваться молекулярно-биологическое направление, основы которого были ранее заложены проф. Г.Е. Владимировым. Талантливый ученый, яркий лектор, обаятельный человек, Игорь Петрович увлек своими идеями преподавателей и сотрудников кафедры и многочисленных учеников (рис. 10). Он разработал и с 1964 г. читал лекционный курс “Молекулярная биология”, слушать который собирались не только студенты-биохимики, но студенты и сотрудники многих кафедр биолого-почвенного факультета. Наряду с этим И.П. Ашмариным впервые на кафедре стали читаться такие курсы лекций как “Биохимия внутриклеточных структур”, “Биохимия вирусов”, “Теоретическая биохимия”, переработанный и расширенный курс “Химия белка”. Материалы этих лекционных курсов вошли в учебники и учебные пособия, в частности “Молекулярная биология. Избранные разделы” (1974 г.), второе издание которого, переработанное и дополненное новыми материалами, было опубликовано в 1977 г. Авторским коллективом во главе с И.П. Ашмариным выпущены также два учебника и учебное пособие по химии белка.

Традиционные лекционные курсы на кафедре биохимии профессор И.П. Ашмарин дополнял отдельными циклами лекций и докладами по биохимии онтогенеза, эволюционной биохимии, статистике и методам математического моделирования и планирования экспериментов. Особо необходимо отметить небольшой цикл лекций И.П. Ашмарина, посвященный проблемам памяти – одному из самых сложных и до сих пор до конца не исследованному разделу нейрохимии. Материалы этого лекционного цикла вошли в пособие “Загадки и откровения биохимии памяти” [54] (рис. 11).

Молекулярно-биологическое направление в научно-исследовательской работе, начатое в 1959 г. еще по инициативе профессора Г.Е. Владимирова на базе лаборатории химии белка, стало активно развиваться, благодаря новым идеям и предложениям И.П. Ашмарина. Основная тематика этих работ была связана с изучением гетерогенности РНК и гистонов в различных тканях, с выяснением роли ацетилирования гистонов и фосфорилирования негистоновых белков в транскрипционной активности хроматина и др. В результате изучения информационных РНК была впервые установлена более высокая степень экспрессии генов в головном мозге по сравнению с другими тканями.

Игорь Петрович обладал “даром предвидения”, способностью на основании анализа самых первых единичных публикаций выбрать такое направление исследований, которое в дальнейшем развивалось в важную и перспективную область биологии и медицины. Хорошим примером этого является изучение катионных белков клетки, обладающих антибактериальными свойствами, предложенное И.П. Ашмариным вначале как темы дипломных или диссертационных работ и начатое на кафедре биохимии. Впоследствии оно расширилось до широкомасштабных работ по выявлению, анализу и синтезу антибиотических пептидов. Эти исследования проводятся в настоящее время сотрудниками кафедры биохимии в контакте с Институтом экспериментальной медицины [55–57].

Следует подчеркнуть, что даже после перехода на работу в Москву, Игорь Петрович не прерывал контактов с кафедрой биохимии Ленинградского университета. Он постоянно принимал участие в обсуждении экспериментальных результатов, полученных сотрудниками кафедры, и новых литературных сведений, щедро делился новыми идеями. Поэтому смело можно сказать, что во многих публикациях сотрудников кафедры такие идеи нашли свое воплощение. Например, работа по поиску ядерных белков, способных участвовать в нейро-иммунных взаимодействиях [58] или исследование негистоновых катионных белков мозга, приведшее к обнаружению белка из группы нейротрофинов, способного поддерживать выживаемость и рост нейритов чувствительных нейронов в культуре [59], являются примерами таких публикаций.

По инициативе профессора И.П. Ашмарина были выпущены учебники “Нейрохимия” [60] и затем после переработки и внесения нового материала – “Биохимия мозга” [61], где сотрудники кафедры биохимии Ленинградского государственного университета (А.Е. Антипенко, Г.Г. Вольский, Н.Д. Ещенко, Л.М. Осадчая, С.Ю. Туманова) входят в состав авторских коллективов. Последнее учебное пособие “Нейрохимия в таблицах и схемах” [62] (рис. 11) вышло из печати уже после кончины Игоря Петровича.

После перехода в Санкт-Петербургском университете на двухуровневую систему образования (бакалавриат и магистратура) на кафедре биохимии возникла необходимость разработки новых учебных программ для магистратуры. В подготовке такой программы по нейрохимии для СПбГУ профессор И.П. Ашмарин принял активное участие – преподаватели кафедры обсуждали с ним тематику и план разработки новых лекционных курсов, возможных практикумов и тем для проведения семинаров. Все ценные советы, данные Игорем Петровичем, преподаватели кафедры приняли с глубокой благодарностью.

В настоящее время на кафедре биохимии биологического факультета Санкт-Петербургского госуниверситета реализуются следующие учебные дисциплины, связанные с направлением “Нейрохимия”:

– бакалавриат (4-й курс обучения): лекционный курс “Нейрохимия” (54 ч). В спецкурсе рассматриваются основные современные представления о метаболизме нервной ткани, липидах (в том числе о специфических липидах мозга), нейроспецифических белках, о работе основных нейромедиаторных систем; одна из лекций посвящена биохимии памяти. Лекции дополняются семинарскими занятиями.

– магистратура: для обучающихся читаются следующие курсы лекций: “Функциональная нейрохимия” (26 ч), “Биохимия развивающегося мозга” (38 ч) и “Биохимия психических и нервных болезней” (32 ч). Лекционные курсы для магистрантов слушают не только студенты кафедры биохимии, но и ряда других кафедр (физиологии, цитологии, генетики и др.).

– аспирантура: курс лекций “Функциональная нейрохимия” (68 ч) предназначен для аспирантов, которые окончили учебные учреждения, где не преподают нейрохимию.

Кроме перечисленных лекционных курсов на кафедре биохимии СПбГУ читаются лекции, в которых есть разделы, посвященные нейрохимии: “Биохимия липидов”, “Свободнорадикальное окисление”, а также лекционный курс “Биохимические механизмы патологии (биохимия наследуемых заболеваний)”. К большинству из вышеперечисленных курсов сотрудниками кафедры написаны и выпущены учебники и учебные пособия [63–67].

Экспериментальную часть выпускных квалификационных работ (ВКР), связанных с проблемами нейрохимии, студенты выполняют либо на кафедре, либо в лабораториях научно-исследовательских институтов (Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Институт экспериментальной медицины, Институт цитологии РАН и др.).

Подводя итоги данного обзора по истории развития нейрохимии на кафедре биохимии в Санкт-Петербургском (Ленинградском) государственном университете, можно сказать, что в настоящее время эта бурно развивающаяся область биологии стала привлекать внимание не только биохимиков, но и специалистов других кафедр.