Чтение онлайн

Как амилазы производят сахар из крахмала? Большинству читателей, по-видимому, наиболее известен картофельный или пшеничный крахмал, имеющий вид белого порошка. Это вещество не имеет сладкого вкуса, однако же его молекула состоит из тысяч строительных «блоков» — сахарных остатков,— связанных между собой в длинные цепочки. Растения, когда растут, прежде всего синтезируют в своих клетках из многих отдельных молекул сахара крахмал, который накапливается в зернах злаков или в клубнях картофеля. Когда же растению, например, при прорастании ячменя или клубней картофеля, требуется сахар для строительства новых клеток, то им необходимо вновь расщепить запасённые молекулы крахмала на «блоки», из которых они построены,— сахарные «кирпичики» или сахарные остатки. Только тогда для этой цели в клетках прорастающих зёрен образуются амилазы.

Подобно большинству ферментов, амилазы представляют собой сферические молекулы белка диаметром около 0,01 мкм; на поверхности этого «шарика» имеется выемка, которой амилазы и накладываются на крахмальную цепь, расщепляя таким образом молекулу крахмала всего за несколько секунд на отдельные сахарные «блоки».

В слюне и кишечнике человека (да и других животных) также содержатся амилазы для расщепления крахмала: если очень долго и тщательно разжёвывать хлеб, то можно явно ощутить сладкий вкус сахара, образующегося из крахмала, присутствующего в хлебе.

А вот фермент, с которым мы уже знакомы,— это сычуг из телячьих желудков. Сычужный фермент расщепляет белок молока на частицы, которые склеиваются, образуя комки. Фермент всегда проявляет свою активность лишь к какому-либо одному веществу; так, сычужный фермент способен разлагать исключительно белок молока, а амилазы расщепляют только крахмал. Далее мы ещё узнаем, как невероятно быстро и согласованно работают миллиарды молекул ферментов в микробных клетках, в объёме, меньшем, чем 0,000000001 мм3!

Механизм действия ферментов. Амилазы — ферменты, расщепляющие крахмал. Вверху: молекула фермента состоит из нескольких сотен аминокислотных остатков, которые прочно связаны друг с другом, образуя сферическую частицу с небольшим «дефектом» — выемкой на поверхности. В центре: молекула амилазы накладывается этой выемкой на конец молекулы крахмала: «блоки» глюкозы, из которых состоит молекула крахмала, точно входят в амилазную выемку. Этот механизм можно сравнить с замком и подходящим к нему ключом. Амилаза последовательно отщепляет от молекулы крахмала по одному остатку глюкозы. Молекулы крахмала и амилазы перемещаются в противоположных направлениях, и при этом число молниеносно отщепляющихся молекул глюкозы очень быстро увеличивается. В результате молекула амилазы за несколько минут превращает одну молекулу крахмала в тысячи молекул глюкозы, то есть каждую секунду от цепочки крахмальной молекулы отделяется по нескольку сот молекул глюкозы!

В то же время амилазы не могут расщеплять аминокислотные цепи белковых молекул, так как аминокислоты пространственно не подходят к выемке в молекуле амилазы (внизу справа) подобно тому, как ключ от хорошего замка не подходит ни к какому другому замку. А ферменты, расщепляющие белки (протеазы), с высокой скоростью отщепляют в своих выемках молекулы аминокислот от молекулы белка, однако же эти ферменты не способны расщеплять молекулу крахмала! Следовательно, каждый фермент с помощью выемки на поверхности своей молекулы «узнаёт» «своё» вещество (свой субстрат) и преобразует только его. Лишь таким образом клетка, располагая в общем-то крошечным внутренним объемом, может поддерживать необходимый «порядок» среди тысяч возможных превращений содержащихся в клетке веществ, то есть так клетка управляет своими процессами.

Итак, Пастер выяснил, что болезни вина и пива вызывают микробы. А не обусловливают ли какие-нибудь микроорганизмы также многие болезни человека, животных и растений?

В 1865 г. Пастера попросили приехать в Южную Францию. Среди гусениц тутового шелкопряда вспыхнула ужасная эпидемия, и сосредоточенному там промысловому шелководству угрожало банкротство. Пастер и его сотрудники довольно быстро обнаружили крохотного паразита, который поражал гусениц. Но, кроме того, они обнаружили и другого возбудителя болезни — бактерий! На основании этого Пастер рекомендовал шелководам уничтожить всех больных гусениц и шелковичные деревья, листьями которых они питались, и продолжать разведение, используя яйца только здоровых самок тутового шелкопряда. Благодаря этим мерам шёлковая промышленность Франции была спасена. Начиная с этого времени и возникло предположение о том, что болезни домашних животных и человека также вызывают микробы.

В Европе тогда свирепствовала сибирская язва — заразная болезнь, уносившая целые стада крупного рогатого скота и опасная также для людей. Ещё в 1849 г. немецкий сельский врач Алоиз Поллендер (1800—1879) обнаружил с помощью микроскопа в крови животных, заболевших сибирской язвой, множество продолговатых телец. Позднее эти палочки находили и другие исследователи. К изучению сибирской язвы обратился также немецкий врач Роберт Кох (1843—1910). Он впрыскивал под кожу мышам и морским свинкам кровь, взятую от заболевших коров. Вскоре после этого подопытные животные тоже заболели сибирской язвой и погибли от неё. В их крови Кох снова нашёл зловещие палочки. Это были бактерии! Очевидно, они и были возбудителями сибирской язвы.

После этого Кох стал искать метод, который позволил бы выращивать бактерии сибирской язвы вне организма животных. Оказалось, что в жидкости из бычьего глаза, нагретой до температуры тела животных, бактерии размножались весьма интенсивно. Учёный неустанно наблюдал под микроскопом за развитием бактерий: бактериальная клетка набухала, удлинялась и делилась на две, клетки соединялись в цепочки и одевались капсулой, образуя округлые покоящиеся формы, называемые спорами. Эти споры были нечувствительны к жаре и холоду, они могли годами сохраняться в подобном состоянии покоя и заражать пастбища, пока вновь не попадали в организм какого-нибудь животного, там они «прорастали» и начинали свою разрушительную работу.

Роберт Кох в лаборатории.

Далеко не все бактерии способны просуществовать длительное время в форме спор: бактерии-спорообразователи называются «бациллами». Таким образом, принятое в обиходе для всех возбудителей заболеваний обозначение «бациллы» является неточным. Каждая бациллярная клетка образует только одну спору для сохранения своей жизнеспособности, тогда как плесневые и шляпочные грибы порождают тысячи спор с целью размножения.

После первых успехов Роберт Кох усовершенствовал свои методы «охоты» за бактериями. Для этого он использовал новые химические красители, благодаря которым бактерии, по большей части прозрачные как стекло, становились видимыми под микроскопом. Кроме того, он впервые применил твёрдые питательные среды. Например, при добавлении агар-агара (сложного полисахарида, добываемого из морских водорослей) к жидкому питательному раствору последний становился желеобразным. В такой среде бактерии уже не могли свободно передвигаться, они оставались на одном месте, здесь они делились и даже образовывали видимые невооружённым глазом бактериальные «колонии». От одной из этих колоний иглой отбирали пробу и этот вид бактерий выращивали на новой пастеризованной питательной среде в виде «чистой культуры», то есть теперь на этой питательной среде росли бактерии только одного вида. Ассистент Коха Юлиус Рихард Петри сконструировал для твёрдых питательных сред плоские стеклянные чашки с крышками, в которых было удобно культивировать микроорганизмы. С тех пор эти «чашки Петри» применяются микробиологами всего мира.

Первое достижение «охоты» за микробами датировано 24 марта 1882 г., когда Роберт Кох на заседании Физиологического общества в Берлине сообщил об открытии возбудителя туберкулёза. Позднее это открытие совершенно справедливо получило громкую славу как величайшее открытие века, ведь от туберкулёза, называемого также чахоткой или «белой чумой», умирали тысячи людей. Коху с помощью своих новых методов окраски туберкулезной бактерии удалось сделать её видимой, вырастить в чистой культуре и при переносе на здоровых животных снова вызвать заболевание туберкулёзом. Таким образом, цепь его доказательств была непрерывной.