Корни и кроны биохимии

А годом раньше выдающийся химик того времени И. Берцелиус подметил определенное сходство между действием ферментов при брожении и ускорением хода химических реакций под действием различных факторов. Именно он высказал предположение, что ферменты являются катализаторами. Вскоре был выяснен и другой важный факт, что количество и состав катализатора после завершения реакции не меняются.

Понятие «фермент» прочно утвердилось в химической науке. Но спокойствие здесь было нарушено в 1856 году Л. Пастером, который начал свои работы, посвященные природе спиртового брожения. Он безуспешно пытался получить бесклеточный дрожжевой сок и из своей неудачи сделал категорический вывод: брожение может происходить только в присутствии живых микроорганизмов, например, дрожжевых клеток.

Представителями другого направления были известные химики Ю. Либих и М. Бертло. Они утверждали, что процессы брожения являются чисто химическими, а ферменты играют лишь роль катализаторов. С их точки зрения, естественным был совершенно противоположный вывод: процессы брожения могут протекать без присутствия живых дрожжевых клеток.

Когда в науке нет бесспорных экспериментальных данных, побеждает бесспорный научный авторитет. А он был на стороне Л.Пастера. Его ошибочное мнение на время стало научной истиной. Вот тогда-то и появилось деление на «организованные» и «неорганизованные» ферменты. К первым отнесли те, активность которых проявляется лишь при наличии живых организмов (например, ферменты, вызывающие различные виды брожения). К «неорганизованным» же отнесли те ферменты, которые структурно не были связаны с клетками, в частности, содержавшимися в желудочном и кишечном соке. Их-то и назвали энзимами.

Спор между двумя научными школами был разрешен русской исследовательницей М. Манассеиной и немецким ученым Э. Бухнером. По этому поводу К. Тимирязев писал, что наконец-то «пал искусственный дуализм – деление ферментов на организованные и неорганизованные, на ферменты-существа и ферменты-вещества, который всегда был результатом непоследовательности научного мышления его защитников».

Сегодня известно около 1000 ферментов и более ста из них выделено в кристаллическом виде. Ферментам ежегодно посвящается несколько десятков тысяч публикуемых работ. И энзимология, или учение о ферментах, как по своему значению, так и по «массиву» публикаций, бесспорно, вышла на первое место в биохимии.

– Чем же объясняется такой интерес многих исследователей именно к этой области биохимии?

– Прежде всего, уникальностью самого изучаемого объекта – фермента. Практически ни один процесс в организме человека, животного, растения

или микроба не проходит без участия ферментов. Именно благодаря участию ферментов в химических превращениях они могут происходить при обычных температурах, давлениях и с очень малой затратой энергии. И в то же время с очень большой скоростью. Простой пример. Перекись водорода может постепенно самопроизвольно распадаться на воду и кислород. Классический неорганический катализатор – железо или платина – ускоряет этот процесс в тысячи раз. А вот при добавлении фермента скорость распада перекиси водорода увеличивается в миллиарды раз. Одна-единственная молекула фермента каталазы может за минуту расщепить до пяти миллионов этих молекул.

Вторая особенность ферментов – высокая специфичность, то есть они могут ускорять только строго определенные типы химических превращений. Специалисты различают абсолютную и относительную специфичность. В первом случае действует правило: один фермент – одно превращение. Так, например, фермент уреаза расщепляет мочевину на аммиак и углекислый газ. И... больше ничего уреаза «делать» не может. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, могут катализировать несколько химических реакций.

Существенно, что большинство ферментов млекопитающих, в том числе и находящиеся в нашем организме, активны в очень небольшом диапазоне температур, примерно при 37 – 38 градусах Цельсия, хотя, разумеется, из этого правила есть и исключения. Кстати, с жесткой зависимостью скорости ферментных реакций от температуры связано существование в медицине такого метода, как гипотермия. Охлаждая тело больного перед операцией, хирурги вызывают в организме состояние, близкое к «зимней спячке». В этом случае резко замедляется скорость ферментных реакций, замедляется обмен веществ, а следовательно, и уменьшается потребность тканей организма в кислороде.

Ферменты необычайно широко распространены. Ими богата поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка. Так, сычужный фермент, без которого не обойтись при производстве сыров, традиционно выделяли из желудка телят. Препараты некоторых ферментов выделяют из высших растений: папаин – из млечного сока дынного дерева, а фицин – из листьев другого дерева, инжирного. Но наиболее доступный источник ферментов – это микроорганизмы. Более того, иные ферментные препараты можно получить только с помощью микроорганизмов.

В каждой клетке нашего тела в среднем насчитывается около тысячи молекул ферментов. Они контролируют ход примерно двух тысяч реакций, проходящих там. И если уподобить живую клетку микрохимическому заводу, то представьте себе, какой величайшей организованности здесь добилась природа. А она обеспечивается как раз высоким уровнем специфичности ферментов, чаще всего – абсолютной. Добавлю еще одно: каждая реакция начинается именно в тот момент, когда это «нужно» клетке.

Так есть ли что-нибудь более интересное, чем работа живой биохимической «фабрики»? И стоит ли удивляться, что тысячи исследователей пытаются понять все тонкости этого необыкновенного технологического процесса?

– Кстати, о технологии. Ведь среди самых разнообразных реакций, которые ускоряют ферменты, есть масса таких, что представляют немалый практический интерес. Об этом было известно уже несколько десятилетий назад. А между тем проникновение энзимологии в практику только начинается, и ее «технологический триумф» – дело будущего...

– Виной тому – несколько объективных факторов. Прежде всего до недавнего времени ферменты, которые выделялись из тканей растений или животных, были очень дороги. Стоимость одного грамма фермента колебалась от десяти до десяти тысяч рублей. Это положение изменилось лишь в последние годы, когда родились промышленная микробиология и генная инженерия. Ферменты микроорганизмов, по своим свойствам не отличающиеся или, скажем точнее, почти не отличающиеся от ферментов животного происхождения, стоят в тысячи раз дешевле.

Далее. Химикам было хорошо известно, что гетерогенный, то есть нерастворимый катализатор имеет неоспоримые преимущества перед растворимым. Но только в последние годы исследователи научились с помощью химических или физических связей «подшивать» ферменты к поверхности носителя, тем самым превращая их в гетерогенные катализаторы.

Третье обстоятельство, которое сдерживало широкое практическое использование ферментов, – их нестабильность. Точнее, так же, как наши недостатки чаще всего бывают продолжением наших достоинств, так и нестабильность ферментов – оборотная сторона их исключительно высокой химической активности. Ферменты являются химически активными лишь потому, что их функционирующая структура поддерживается так называемыми слабыми химическими связями. С повышением температуры эти связи очень легко «рвутся», а следовательно, и исчезает химическая активность фермента.

Сегодня мы научились, не искажая структуру ферментов, накладывать на нее дополнительные прочные связи. Именно они и защищают структуру ферментов от тепловых и других внешних воздействий. Ныне время «жизни» ферментов можно продлевать от ста до миллиона раз по сравнению с нормой. Главное же достоинство – исключительная химическая активность – осталось без изменений.

Дешевизна, доступность, активность и стабильность – именно те качества ферментов, которые в последние годы как раз и стимулируют рождение технологического направления в энзимологии.