Азимов Айзек Краткая история биологии. От алхимии до генетики

ЭНЗИМЫ

Русский химик Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) в 1812 г. показал, что если прокипятить крахмал вместе с разведенной кислотой, то он распадется до глюкозы — простого сахара. Этого не случится, если кислота отсутствует, и все же кислота, как таковая, не принимает участия в реакции.

Четырьмя годами позже английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) обнаружил, что платиновые провода провоцировали соединение спиртов с кислородом. Сама платина в реакции не участвовала.

Эти и другие примеры привлекли внимание Берцелиуса, который в 1836 г. предложил для таких явлений термин «катализ». Это греческое слово означает «разрушение». Обычно спирт горит в кислороде только после нагревания при высоких температурах, когда возгораются его пары. В присутствии платинового катализатора та же реакция происходит без предварительного нагревания. Можно поспорить, идут ли химические процессы в живой ткани, поскольку именно в живых тканях присутствуют определенные катализаторы, которых нет в неживой природе.

И в самом деле, в 1833 г., незадолго до Берцелиуса, французский химик Ансельм Паузн (1795 — 1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое могло разлагать крахмал до простых Сахаров еще быстрее, чем любая кислота. Он дал веществу наименование диастаз. И диастаз, и другие подобные ему вещества были впоследствии названы ферментами из-за преображения крахмала в сахара: именно этот процесс являет собой ферментизация зерна. Вскоре ферменты были экспериментально получены из животных организмов. Первые из них добывались из желудочных соков. Реамюр показал, что пищеварение — химический процесс, и в 1824 г. английский врач Уильям Прут (1785 — 1850) выделил из желудочного сока соляную кислоту. Она был строго неорганическим веществом. Поначалу это поразило ученых, однако в 1835 г. Шванн, один из основателей клеточной теории, получил экстракт желудочного сока, который не содержал соляной кислоты, но разлагал мясо быстрее, чем кислота. Это вещество Шванн назвал пепсином (от греческого слова, в переводе означающего «переваривать»); это и был истинный фермент. Постепенно были открыты и другие ферменты; стало совершенно очевидным, что ферменты — это и есть катализаторы процессов, идущих в живых тканях; химики не могли ранее синтезировать некоторые вещества, производимые в этих тканях, поскольку не имели в своем арсенале таких катализаторов. Протеины оставались щитом виталистов, и витализм быстро прозрел, что ферменты — белковые по природе образования, хотя это не было доказано вплоть до XX в.

Слабым местом для виталистов, однако, оставалось то, что некоторые ферменты «срабатывали» как внутри клетки, так и вне ее. Ферменты, изолированные от пищеварительных соков, выполняли свою работу в тестах. Можно было предположить, что, если получить хотя бы один из ферментов, любую реакцию, идущую в живом организме, удалось бы воспроизвести. Более того, ферменты следовали тем же правилам, что неорганические катализаторы, например кислоты или платина.

Следуя виталистической позиции, ферменты, выделенные из пищеварительных соков, выполняли свою роль как внутри, так и вне клетки. Пищеварительный сок, циркулирующий внутри пищеварительного тракта, можно было налить и в трубку в эксперименте. Виталисты настаивали, что химики не в силах смоделировать эти процессы.

Ферменты к тому времени были разделены на две группы: неорганизованные ферменты, работающие также вне клетки, например пепсин; организованные ферменты, работающие только внутри клетки, которые заставляли дрожжи превращать сахар в алкоголь.

В 1876 г. немецкий физиолог Вильгельм Кюн (1837 — 1900) предложил использовать слово «фермент» только для процессов, требующих присутствия живого материала. Те ферменты, которые, будучи выделенными, могли работать вне клетки, он предложил называть энзимами (от греческого слова, означающего «дрожжи»).

В 1897 г. позиция виталистов в целом была подорвана немецким химиком Эдуардом Бюхнером (1860—1917). Он растер клетки дрожжей с песком до полного уничтожения, а затем профильтровал полученный материал, выделив клеточный дрожжевой сок. Ученый предполагал, что этот сок не обладает ферментизирующей способностью. Он добавил сок к сахару и, к своему изумлению, обнаружил, что сахар начал медленно ферментизироваться, хотя вся смесь была абсолютно неживой. Бюхнер продолжил эксперименты, убивая дрожжи спиртом, и обнаружил, что мертвые клетки дрожжей ферментизируют сахар так же, как и живые.

К концу XIX в. было признано, что все ферменты, как организованные, так и неорганизованные, можно выделить из клеток и заставить проделывать работу вне клеток. Термин «энзим» был применен ко всем ферментам, и было, наконец, признано, что клетка не содержит некоей жизненной силы.

Позиции Пастера и виталистов пошатнулись. Ферментация шла вне клетки, без некоей жизненной силы. Однако и тогда позиции виталистов не были разгромлены. Еще много необходимо было узнать о молекуле протеина (как об энзимах, так и неэнзимах), и не было уверенности в том, что жизненная сила не проявит себя как-либо еще.

До сих пор некоторые биологи стоят на виталистских позициях; однако общепринято в биологии, что живые формы подчиняются тем же законам, что и неживые; в лабораторных условиях можно смоделировать практически все ситуации.

Победу одержала механистическая точка зрения.

Рассматривая дискуссии относительно эволюции и витализма, важно не забывать, что человеческий интерес к биологии вырос из практического интереса к медицине; нарушения функционирования организма были «закваской» научных экспериментов.

В качестве примера рассмотрим историю инфекционных заболеваний. До начала XIX в. врачи оставались бессильны перед лицом инфекционных болезней и эпидемий. Одной из опаснейших болезней была оспа. Мало того, что она распространялась как огонь, мало того, что убивала каждого третьего из зараженных, — те, кого удалось спасти, оставались несчастными на всю жизнь; мало кто мог без содрогания взглянуть на их изуродованные лица.

Однако переболевшие оспой получали устойчивость к заражению ею на всю жизнь. По этой причине любая атака оспы была благоприятной для подвергшихся ей, но оставшихся в живых. В таких странах, как Турция и Китай, были сделаны попытки «уловить» болезнь и даже сделать прививки материалом, добытым из оспин. Риск был страшно велик, поскольку иногда привитые умирали.

В первой половине XVIII в. прививки были впервые введены в Англии, однако не были приняты. Английский врач Эдуард Дженнер (1749 — 1823) пересмотрел вопрос о прививках и взял на вооружение народное поверье о том, что переболевший в результате заражения от рогатого скота коровьей оспой (мягкой болезнью, по симптомам напоминающей человеческую оспу) на всю жизнь получает иммунитет.

Дженнер решил проверить это утверждение. В 1796 г., взяв жидкий материал из оспины на руке молочницы, больной коровьей оспой, он привил его некоему мальчику. Два месяца спустя он повторил прививку мальчику, однако, уже вакциной человеческой оспы. Мальчик не заболел. В 1798 г. врач опубликовал результаты своих экспериментов.

Именно Дженнер ввел термин «вакцинация», который происходит от латинского «вакка» — «корова».

Вакцинация распространилась по Европе моментально, и болезнь была побеждена. Оспа стала первой серьезной болезнью человечества, над которой до сих пор сохраняется строгий контроль.

Однако продвижение вакцинаций было невозможно без серьезной теоретической базы.

Никто не знал в то время причин инфекционных заболеваний, для этого нужны были более фундаментальные знания, чем те, которыми обладало человечество.