Чтение онлайн

Здесь же мы рассмотрим судьбу другого детища Кирхгофа – ферментов, история изучения которых была еще более долгой и трудной и которые ожидало столь же блестящее будущее.

Выше я лихо определил ферменты как биологические катализаторы белковой природы, и вы, не сомневаюсь, спокойно восприняли это знакомое со школьной скамьи определение. Парадокс ситуации заключается в том, что долгое время ферменты и белки рассматривали как соединения разной природы и “великое объединение” произошло сравнительно недавно, в 1926 году. И до этого момента нам, следуя исторической правде, придется рассматривать две независимые истории изучения одного и того же объекта.

Первыми перед учеными предстали белки, с них и начнем. В конце XVIII века французский химик Антуан Фуркруа [15] и другие ученые обратили внимание на то, что из различных биологических жидкостей при нагревании или действии кислот осаждается некая субстанция, которая составляет значительную долю органического вещества этих самых жидкостей и в целом разнообразных живых организмов и растений. Субстанции, извлеченные из различных биологических объектов, обладали похожими свойствами, что позволило выделить их в отдельный класс соединений.

Но лишь в 1838 году голландский химик Геррит Ян Мульдер (1802–1880) доказал, что все они обладают близким химическим составом и включают углерод, азот, водород и кислород с небольшой примесью серы. Тогда же этот класс веществ обрел название – протеины (ну а мы будем называть их по-нашему – белками). Его предложил Берцелиус, с которым Мульдер состоял в переписке. Берцелиус вообще был большим специалистом по названиям, но, возможно, все дело было в его высочайшем авторитете в научном сообществе.

Мульдер также выделил продукты разрушения белков и идентифицировал их как аминокислоты, но на этом дело надолго застопорилось. То есть роль белков как строительных материалов всех живых организмов не подвергалась сомнению, не случайно Фридрих Энгельс определил жизнь как способ существования белковых тел, но при этом строение белков оставалось тайной за семью печатями. Первый луч света блеснул лишь в начале XX века, когда великий немецкий химик-органик Эмиль Фишер [16] (1852–1919) определил, как аминокислоты связываются между собой – посредством так называемой амидной химической связи. Он начал с синтеза дипептида – соединения, состоящего из двух аминокислот, и к 1907 году дошел до олигопептида, составленного из восемнадцати различных аминокислот. Но окончательно представление о том, что белок представляет собой аминокислотный полимер , утвердилось лишь в 1920-х годах после работ Штаудингера, о котором я уже рассказывал выше.

История изучения ферментов прошла еще более извилистый и запутанный путь. Кирхгоф ничего не говорил о химической природе “клейковатого вещества”, которое он использовал для превращения крахмала в сахар, а, учитывая состояние химии того времени, и не мог ничего сказать. Лишь в 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан Персо выделили из солода более или менее чистый препарат, который они назвали диастазой. Именно диастаза вызывала превращение крахмала в сахар, но ее химическая природа по-прежнему оставалась неясной, а словосочетание “более или менее чистый” стало кошмаром ученых, работающих в этой области, на многие десятилетия.

В те же годы из различных биологических объектов было выделено еще несколько похожих веществ, способных осуществлять превращения сложных химических соединений. В 1836 году Берцелиус высказал гениальную гипотезу, что “в живых растениях и животных в тканях и жидкостях протекают тысячи каталитических процессов, при которых происходит большое количество различных химических синтезов из общего исходного материала”. Открытые вещества как нельзя лучше подходили на роль этих природных катализаторов. В 1858 году немецкий ученый Маркус Траубе вы двинул предположение, что все они имеют белковую природу, а в 1877 году эта группа веществ обрела, наконец, общее название – энзимы, которое предложил немецкий физиолог Вильгельм Кюне.

Но тут история пошла на второй круг. Я уже рассказывал об обвинениях в “лженаучности”, которые выдвинул против Кирхгофа академик Нассе, и полагаю, что вы восприняли это как курьез. Но по прошествии десятилетий эти споры возродились на более высоком уровне. Инициатором их стал Луи Пастер. В числе его величайших научных заслуг было доказательство невозможности самозарождения живых организмов [17] и установление факта, что многие природные явления и процессы, включая заболевания, обусловлены деятельностью микроорганизмов. Обратной стороной медали была абсолютизация жизни и жизненной силы. Пастер был уверен, что брожение (превращение сахара в спирт или уксусную кислоту) могут осуществлять только живые клетки микроорганизмов – дрожжей. Именно к этим микроорганизмам он относил термин фермент – “закваска” по-латыни. Поэтому Пастер в штыки воспринял идею о ферментах как растворимых химических веществах природного происхождения. “Я не вижу никакой необходимости ни в существовании этих ферментов, ни в полезности их функционирования при брожении”, – писал он. Собственно, для того чтобы избежать возникшей путаницы в представлениях и был придуман термин “энзимы”.

Противостояли Пастеру великий немецкий химик-органик Юстус Либих (1803–1873) и уже встречавшийся нам на страницах книги Марселен Бертло. Последний сомневался в существовании молекул и отрицал атомы, но при этом непоколебимо верил во всемогущество химии и полагал, что в основе всех процессов, протекающих в живом организме, лежат химические реакции. В его системе научных ценностей не было места “жизненной силе”, хотя сам он, по свидетельству современников, был наделен этой самой силой в преизбытке. Вот Бертло и ввязался в яростный многолетний спор со своим коллегой по Французской академии.

Вышло по русской присказке: на колу мочало, начинай сначала. Бертло разрушил клетки дрожжей, получил бесклеточный экстракт, высадил из него спиртом некую субстанцию и показал, что она вызывает точно такое же брожение, как и дрожжи. Но авторитет Пастера был настолько велик, что различные исследователи были вынуждены раз за разом повторять этот эксперимент в надежде, что количество доказательств перейдет в качество убеждения. Спор был разрешен только после смерти Пастера. По всеобщему признанию точку в нем поставила статья немецкого исследователя Эдуарда Бухнера [18] “Спиртовое брожение без дрожжевых клеток”, опубликованная в 1897 году. В 1907 году благодарное научное сообщество увенчало Бухнера Нобелевской премией по химии ни много ни мало “за открытие внеклеточной ферментации”. С момента открытия Кирхгофа прошло почти сто лет.

Нельзя сказать, что все эти годы ученые были заняты лишь поисками аргументов в затянувшемся историческом споре. Именно тогда был установлен факт, имеющий принципиальное значение, – специфичность действия ферментов, их способность взаимодействовать со строго определенными веществами (субстратами) и катализировать одну конкретную реакцию. Кроме того, было доказано, что в ходе реакции образуется промежуточный комплекс фермента с субстратом, в этом отношении ферментативный катализ обогнал другие ветви катализа, на первый взгляд более простые.Все эти вопросы чрезвычайно занимали Эмиля Фишера. Для объяснения высокой специфичности ферментов он сформулировал в середине 1890-х годов свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку, которое выдержало испытание временем и дожило до наших дней. Проблема заключалась в том, что Фишер не мог сказать ничего определенного об устройстве “замка”, ведь к изучению строения белков он приступил лишь десятилетие спустя.Собственно, давняя теория Траубе о том, что ферменты – вещества белковой природы, продолжала пребывать в статусе недоказанной гипотезы. Да, ферменты проявляли многие свойства белков, но из этого отнюдь не следовало, что именно белки обладают каталитическими свойствами ферментов. Многие специалисты, включая такого авторитетного ученого, как лауреат Нобелевской премии Рихард Вильштеттер, считали, что белки выполняют лишь функцию носителя для “истинного энзима” – небольшой каталитически активной молекулы. На фоне белка такая молекула выглядела незначительной примесью, что объясняло, по мнению этих специалистов, трудности ее обнаружения и идентификации.

В сущности, дело сводилось к чистоте ферментных препаратов и к вопросу о том, представляют ли они собой индивидуальное соединение или смесь двух веществ – белка и энзима. На этот случай у химиков есть простой и надежный тест: чистые вещества в большинстве своем образуют правильные кристаллы, если же вещество не кристаллизуется ни при каких условиях, то это почти наверняка смесь различных соединений. Так вот, в начале XX века были получены кристаллы многих известных на тот момент белков, но ни одного – фермента. Тут было о чем призадуматься.