Можно ли в здравом уме говорить о получении кристаллов фермента?

Однажды летом в конце 20-х годов в г. Упсала Теодор Сведберг (1884-1971), лауреат Нобелевской премии и изобретатель ультрацентрифуги, ставил очередные опыты в своей лаборатории. Вдруг кто-то позвонил в дверь. У входа стоял незнакомый мужчина, который, стараясь перекричать шум работающих центрифуг и жестикулируя от волнения, сказал: "Меня зовут Джим Самнер. Честное слово, я закристаллизовал фермент!" Сведберг решил, что это какой-то сумасшедший, и, чтобы отделаться от него, прокричал в ответ: "Прекрасно! Но подождите одну минутку!" Сведберг мгновенно закрыл дверь перед гостем и даже запер ее изнутри на задвижку. Подобная реакция известного ученого в те времена не вызвала удивления. Слова незнакомца должны были ему показаться крайне подозрительными, поскольку химическая природа ферментов была еще не выяснена. Немецкий химик Мориц Траубе (1826-1894) уже в 1858 г. высказал предположение о том, что ферменты, вопрос о химической классификации которых еще не был решен, представляют собой белки (протеины). Однако подобные взгляды не встретили поддержки других ученых, поскольку не подкреплялись никакими доказательствами. Впоследствии было обнаружено, что, подобно белкам, ферменты состоят из углерода, водорода и азота, а при нагревании они свертываются, под действием большинства осадителей белка выпадают в осадок и дают химические реакции, характерные для белков. Однако результаты этих экспериментов были встречены в научных кругах с большим недоверием. В 1918 г. Рихард Вильштеттер (1872-1942), лауреат Нобелевской премии^*, ученик Адольфа Байера и один из корифеев органической химии своего времени, вместе со студентами начал систематическую работу по выделению и очистке ферментов. Хотя при этом удалось получить очищенные ферменты, обладающие высокой активностью, однако белки в этих препаратах не были обнаружены. Поэтому Вильштеттер сделал получивший признание в научных кругах вывод о том, что ферменты - это неизвестные органические соединения небелковой природы, а белки служат как бы носителями этих соединений.

^* (Премия 1915 г. за работы по изучению химического строения алкалоидов (тропина, атропина, кокаина), кровяных пигментов и хлорофилла.- Прим. перев.)

Американский биохимик Джеймс С. Самнер в 1926 г. также проводил работу по выделению фермента в чистом виде. В качестве исходного материала он использовал бобы Canavalia ensiformis, богатые ферментом уреазой. Уреаза катализирует разложение мочевины на углекислый газ и аммиак. Сначала Самнер измельчил бобы на кофейной мельнице и из полученной муки экстрагировал уреазу с помощью растворителя. После фильтрования экстракт был оставлен на ночь в холодном месте. На следующее утро, к великому удивлению исследователя, в фильтрате были обнаружены маленькие восьмигранные кристаллы. После перекристаллизации они разлагали мочевину в 700 раз активнее, чем исходная мука.

Несмотря на очень скептическое отношение Вильштеттера и его нападки на полученные Самнером результаты, по истечении некоторого времени научный мир поверил в волшебную силу кристаллов фермента. Выделение фермента в виде кристаллов доказывало индивидуальность данного вещества. Кристаллы же уреазы проявляли, кроме того, типичные свойства белков. Полученные Самнером результаты были подтверждены Дж. X. Нортропом, который в 30-х годах получил в виде кристаллов пищеварительные ферменты пепсин, трипсин, химотрипсин и их неактивные предшественники. Лишь много позже стало понятным, почему в ферментных препаратах Вильштеттера не удавалось обнаружить присутствие белков: несмотря на очень тщательную очистку, они были настолько сильно разбавлены, что с помощью имевшихся в то время малочувствительных методов в них просто нельзя было обнаружить никакого белка. В 1946 г. за совместную работу Самнеру и Нортропу была присуждена Нобелевская премия в области медицины. Через 20 лет после получения первого кристаллического фермента стало бесспорным, что ферменты представляют собой белки.

Таким образом, безусловно, что ферменты обладают всеми свойствами белков. Они активны и стабильны лишь в определенных условиях. В физиологических условиях скорость большинства ферментативных реакций, как и всех химических реакций, с повышением температуры возрастает. Однако при более высоких температурах начинается разрушение структуры белка, происходит денатурация и как следствие инактивация фермента. Ферменты функционируют при нормальном давлении и, как правило, лучше всего в нейтральной среде. Но существуют также ферменты (например, пепсин, который действует в желудке), для функционирования которых оптимальной является кислая среда. Другие ферменты (например, ферменты из "любящих щелочную среду" бактерий) лучше всего функционируют в щелочной среде.

Однако и в оптимальных условиях наблюдается "старение" ферментов: при потере активности они часто расщепляются специфическими для данной клетки протеазами, после чего необходим синтез новых молекул тех же ферментов.