От пивоваров Вавилона до первого кристалла фермента

Первые энзимологи

Вам уже когда-нибудь приходилось наблюдать за работой ферментов? Большинство, по-видимому, отрицательно покачают головой. Однако ведь любой из нас неоднократно наблюдал, как быстро заживают раны за счет свертывания крови или как буреют срезы яблок, картофеля и бананов.

Уже в Древнем Египте люди точно так же неосознанно наблюдали и использовали на практике ферментативные реакции. Пять-шесть тыс. лет тому назад шумеры в Вавилоне варили пиво. В пивоварнях из муки грубого помола делали караваи, которые слегка запекали, после чего крошили и оставляли для сбраживания. Пивоварение было важным государственным делом. Так, царь Вавилонии Хаммурапи (1792-1750 гг. до н.э.) в известном своде законов (ценный памятник древневосточного права) постановил, что пивоваров-изготовителей некачественного пива ждет суровая кара: если их уличат в разбавлении пива водой, они будут утоплены в бочках с таким пивом или их заставят пить его до тех пор, пока не наступит смерть. Древние египтяне при варке пива и выпечке хлеба также использовали брожение. Осирис, бог земли и плодородия^*, почитался египтянами и как бог пива. В библии повествуется о Ное после потопа: "Ной начал возделывать землю и насадил виноградник. И выпил он вина и опьянел..." Гомер описал свертывание молока в присутствии млечного сока фигового дерева. Издавна для приготовления сыра использовали сычужный фермент, получаемый из желудка телят. Великий философ и ученый Аристотель (384-322 гг. до н. э.), сочинения которого охватывают все отрасли современного ему знания, в труде "О возникновении животных" упоминал о сычужном ферменте как о виде молока, образующемся в желудке молодых животных в период их молочного вскармливания. По мнению Аристотеля, сычужный фермент-это молоко, содержащее огонь, образующийся за счет тепла тела животного при свертывании молока. Если мы сегодня заменим слово "огонь" словом "фермент", то это описание Аристотеля будет звучать вполне современно! Упомянутые ферментативные процессы использовались с незапамятных времен, однако в то время их не удавалось объяснить.

^* (По древнеегипетской мифологии Осирис-бог умирающей и воскресающей природы, брат и супруг Исиды, отец Гора; покровитель и судья мертвых. Изображался в виде мумии. Прим. перев.)

Изучение ферментов началось лишь в конце XVIII в. Обычно "ферментацией" назывались процессы разложения одного вещества под действием другого; при этом процессы, происходящие с образованием пузырьков углекислого газа, назывались брожением. Слово "ферментация" имеет латинское происхождение (fervere - варить).

К первым научным описаниям ферментативных процессов относится описание пищеварения у животных. Рене Антуан Реомюр (1683-1757) при постановке своих экспериментов исходил из сделанного Фолкнером предположения о том, что хищные птицы отрыгивают непереваренные остатки пищи^*. Реомюр сконструировал маленькую проволочную капсулу, в которую был положен кусок мяса. Капсулу с мясом поместил в клетку к сарычу. Через 24 часа сарыч выплюнул эту капсулу. В ней остался размягченный кусок пищи, который однако не портился**. "Этот процесс может быть только результатом действия какого-то растворителя", - заключил Реомюр***.

^* (По современной терминологии-погадки, от глагола "погодить".- Прим. перев.)

^** (Поскольку в желудке кислая среда.- Прим. перев.)

^*** (Сейчас известно, что размягчение пищи в желудке обусловлено действием пищеварительных ферментов.- Прим. перев.)

Лаззаро Спалланцани (1729-1799), профессор истории естествознания в Университете города Падуя, сообщал о подобных же экспериментах. Однако он не рассматривал пищеварение как процесс ферментации по той простой причине, что при этом не образовывались пузырьки газа.

Впоследствии процесс ферментации был более подробно изучен одним из основоположников современной химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794). Изучая спиртовое брожение, происходящее при изготовлении вина, он обнаружил, что глюкоза превращается в спирт и углекислый газ.

К началу XIX в. преобладала общая точка зрения, что ферментация-это химические изменения, вызываемые некоторыми специальными формами органического материала, а именно "ферментами". В 1814 г. русский ученый (немец по происхождению), академик Петербургской Академии наук Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) показал, что образование сахара из крахмала в проросших зерновках злаков обусловлено химическим процессом, а не появлением ростков. Несколько лет спустя американский военный врач Уильям Бомонт (1785-1853) подтвердил эксперименты Спалланцани и Реомюра. При лечении пациента с огнестрельным ранением в живот на незаживающей сквозной ране в области желудка удалось довольно просто изучить процесс переваривания различных питательных веществ. Было установлено, что под действием желудочного сока пища может перевариваться и вне живого тела. Бомонт высказал предположение, что наряду с соляной кислотой в желудочном соке содержатся еще и "другие активные химические начала".

В 1833 г. Ансель Пайен (1795-1871), директор сахарного завода в Париже, вместе со своим коллегой Жаном Франсуа Персо (1805-1865) выделил из проросших зерен ячменя "вещество, разжижающее крахмал". При этом они уже тогда обнаружили у этого вещества свойства, которые по современным представлениям относятся к определяющим универсальным свойствам ферментов. Например, относительно небольшие количества препарата могли разжижать большие количества крахмала, однако при нагревании препарат утрачивал эту способность. Активная субстанция могла быть получена в порошкообразном виде из раствора, а после повторного растворения в воде вновь становилась активной. Описанная субстанция, получившая название диастазы^* (от греч. разделение), была первым растительным ферментом, изученным в очищенном виде в лаборатории. Три года спустя одному из основоположников клеточной теории Теодору Шванну (1810-1882) удалось получить в чистом виде и изучить фермент желудочного сока животного происхождения - пепсин. Таким образом, он, очевидно, обнаружил одно из тех "других химических начал", о которых писал Бомонт.

^* (Речь идет об амилазе.- Прим. перев.)

Значительно опередил научную мысль своего времени крупный шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779-1848), который утверждал, что ферментативные процессы представляют собой каталитические процессы (от греч. разложение). Он определил катализаторы как тела, одно лишь присутствие которых вызывает химические процессы и без которых эти процессы происходить не могут. Сами они остаются в ходе химических реакций в неизменном виде. Катализаторы можно сравнить со сказочной волшебной палочкой, одно лишь прикосновение которой вызывает чудесные превращения, а сама волшебная палочка остается при этом прежней. С почти пророческим ясновидением Берцелиус писал в 1836 г.: "У нас есть основания полагать, что в живых растениях и животных протекают тысячи каталитических процессов между тканями и жидкостями".

Однако последующие открытия поставили под сомнение такое определение фермента. В 1837 г. Шванн обнаружил, что гниение, т. е. разложение веществ, по определению относящееся к процессам ферментации, вызывают микроорганизмы. Складывалось впечатление, что термином "фермент" объединены совершенно различные вещи: с одной стороны, невидимые, "обладающие формой", "организованные" активные начала, такие, как возбудители- гниения, и, с другой стороны, видимые в растворе, "не имеющие формы", "неорганизованные" начала, например пепсин и диастаза. Начались жаркие дискуссии о природе ферментов. А ведь уже в 1680 г. голландец Антони ван Левенгук (1632-1723) с помощью микроскопа собственной конструкции обнаружил, что дрожжи представляют собой круглые живые "частицы", однако вплоть до начала XIX в. дрожжи считали особым химическим соединением, ферментом. Примерно через 150 лет после Левенгука Шванн показал, что дрожжи действительно живые микроорганизмы, а спиртовое брожение-результат их жизнедеятельности. Это утверждение было, однако, единодушно отвергнуто выдающимися химиками того времени, такими, как Берцелиус, Юстус Либих (1803-1873) и Фридрих Вёлер (1800-1882). Представление о том, что спиртовое брожение вызывается жизнедеятельностью некоего микроорганизма, получило распространение лишь после опубликования в 1857 г. работ Луи Пастера (1822-1895).

Благодаря работам Пастера спиртовое брожение стали связывать с жизнедеятельностью дрожжей, причем было признано, что этот процесс всегда сопровождается ростом и размножением дрожжей. Оппонируя Пастеру, Либих приводил в качестве примера действие диастазы и пепсина - "неживых субстанций", вызывающих изменения, подобные тем, которые наступают в присутствии ферментов. Он обвинял Пастера в том, что тот привлекает некую воображаемую "жизненную силу" для объяснения более или менее простых химических процессов. Тем не менее благодаря большим практическим успехам микробиологии в жарких научных спорах на определенное время победил принцип, выдвинутый Пастером - "нет ферментации без жизни".

Возникло очень своеобразное положение. Казалось, что существует два класса ферментов: истинные, организованные ферменты, такие, как дрожжи и другие микроорганизмы, и неорганизованные, растворимые ферменты, такие, как диастаза и пепсин. Неорганизованные ферменты, согласно этим представлениям, не связаны с процессами жизнедеятельности. Поэтому в 1876 г. на заседании Общества истории естествознания и медицины Вильгельм Фридрих Кюне (1837-1900) предложил "во избежание недоразумений и обременительных описаний... называть ферменты, не имеющие формы, или неорганизованные ферменты, которые могут действовать без организма и вне его, энзимами". В настоящее время большее распространение получил термин "энзим" (от греч. "в дрожжах"), хотя более ранний термин "фермент" намного точнее отражает существо биокатализаторов^*.

^* (В русской научной литературе используется термин "фермент".- Прим. перев.)