Краткая история развития представлений о биокатализаторах

Краткая история развития представлений о биокатализаторах. Общие сведения о строении ферментов. Характерные особенности ферментов как биокатализаторов. Стандартизация ферментов: активность ферментов.

Общие сведения о строении ферментов.

Лекция №2

В каждой клетке любого живого организма происходит одновременно множество химических реакций окисления, восстановления, межмолекулярного переноса различных групп, изомеризации, гидролиза, дегидратации, конденсации, синтеза и деструкции нескольких сотен метаболитов. При этом синтез самых сложных веществ осуществляется с поразительной точностью. Совокупность этих многочисленных саморегулирующихся химических реакций обуславливает жизнедеятельность любого живого организма. Объяснение этого удивительного явления заключается в том, что подавляющее число этих реакций являются каталитическими.

В XIX веке Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках. Термин фермент (от латинского fermentum – дрожжи, закваска) в то время использовался для обозначения «организованных биокатализаторов», то есть фактически самих живых микроорганизмов, поскольку, как показал Пастер, не живые дрожжи брожения не вызывают. Эту точку зрения оспаривали крупнейшие ученые того времени – французский химик Пьер Бертло и немецкий химик Юстус Либих, которые считали, что каталитическими свойствами обладают вещества, содержащиеся в клетках организмов.

В конце ХVIII – начале XIX веков уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен.

Еще в ХIX веке некоторые ученые пытались выделить в чистом виде и исследовать вещества, вызывающие биокатализ. В 1814 году русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф открыл в ячменном зерне вещество, превращающее аналогично слюне крахмал в сахар. В 1833 г французские химики Ансельм Пайен и Жан-Франсуа Персо впервые выдели из пшеницы в чистом виде вещество, осахаривающее крахмал и назвали его амилазой. В 1876 году немецкий физиолог Вилли Кюне для таких «неорганизованных ферментов», выделяемых из клеток, или секретируемых клетками, например, амилазы, пепсина, трипсина и др. предложил термин энзим (от греческого έν ζύμη – дословно в закваске).

В 1893 году химик Эдуард Бухнер начал работы по выделению биокатализаторов, способствующих брожению. До этого никому еще не удавалось выделить вещества, способствующие брожению, или вызвать этот процесс в неживых объектах. Бухнер растер дрожжи с кварцевым песком и небольшим количеством воды и полученную массу отфильтровал под большим давлением. Самым удивительным оказалось то, что полученный фильтрат, не содержащий клеток живых дрожжей, вызывал брожение.

Бухнер показал, что в фильтрате находится энзим, вызывающий брожение, который он назвал зимазой – от греческого названия дрожжей (в английской транскрипции – zyme). Это открытие означало, что брожение происходит в результате химической активности энзима как внутри, так и вне дрожжевой клетки, а не под влиянием так называемой жизненной силы. Стало ясно, что термины фермент и энзим равнозначны. Эта работа Бухнера*, за которую он был удостоен Нобелевской премии, положила начало современной энзимологии.

Дальнейшие исследования в области ферментов связаны с деятельностью биохимиков А. Гардена** и Х. Эйлер-Хелпина***. В 1904 году Гарден установил, что зимаза состоит из двух веществ, одно из которых термостабильно и фильтруется через желатиновый фильтр. Он ввел понятие «козимаза», которым обозначил устойчивый компонент фермента зимазы.

В 1906 году Эйлер-Хельпин совместно с Карлом Мюрбеком определил молекулярную массу козимазы и установил, что она является нуклеотидом, состоящим из аденина и рибозы. В последующие годы он исследовал различные ферменты и установил, что «козимаза» встречается и во многих других биокатализаторах, катализирующих различные окислительно-восстановительные реакции. Исследования Гардена и Эйлер-Хелпина явились очень важным этапом в развитии представлений о строении ферментов и механизмах ферментативных реакций. Оба ученых были удостоены Нобелевской премии по химии за исследования ферментов.

С 1918 года к исследованию ферментов приступил выдающийся специалист в области химии природных соединений, к тому времени уже лауреат Нобелевской премии Р. Вильштеттер. Он со своими сотрудниками проделал большую работу по выделению ферментов в чистом виде. В результате этой работы Вильштеттер совместно с Эйлер-Хелпином в 1922 году выдвинул представление, согласно которому ферменты состоят из химически активной органической группы не белковой природы, названной ими коферментом и коллоидного носителя, названного апоферментом.

Что касается химической природы ферментов, то Вильштеттер**** полагал, что они не относятся ни к углеводам, ни к белкам, а представляют собой какой-то новый тип веществ с неизвестной структурой.

——

* Эдуард Бухнер – немецкий химик и биохимик. Основная область исследований – энзимология, родоначальником которой он является. Изучал спиртовое, молочнокислое и уксуснокислое брожение, возникающее при действии клеточных соков, выделенных из дрожжей и других микроорганизмов. Впервые синтезировал пиразол. Нобелевская премия по химии за открытие бесклеточной ферментации (1907 год).

** Артур Гарден – английский биохимик. Основные работы посвящены энзимологии. Открыл кофермент НАД⁺. Впервые расшифровал балансовое уравнение спиртового брожения. Изучил ряд ферментов – карбоксилазу, каталазу, пероксидазу. Нобелевская премия по химии за работы по ферментации сахаров и за исследование ферментов, участвующих в этом процессе (1929 год, совместно с Х. Эйлер-Хелпином).

*** Ханс фон Эйлер-Хелпин – шведский биохимик. Потомок математика Л. Эйлера. Основные работы посвящены изучению механизмов биохимических процессов. Впервые отметил увеличение скорости химических реакций в живых организмах под действием ферментов и предложил назвать это явление биокатализом. Совместно с Р. Вильштеттером выдвинул представления, согласно которым ферменты состоят из химически активной группы (кофермент) и коллоидного носителя (апофермент). Установил, что по физиологической активности каротин близок к витамину А. Нобелевская премия совместно с А. Гарденом.

**** Рихард Мартин Вильштеттер – немецкий химик-органик. Установил структуру кокаина и разработал синтетический метод его получения. Впервые выделил кристаллический хлорофилл и установил его формулу. Выделил и изучил красящие вещества многих цветов и плодов. Синтезировал наиболее важные красящие вещества из группы антоцианов. Выделил в чистом виде пероксидазу, сахаразу и липазу. Исследовал строение гемина. Нобелевская премия по химии за исследования окрашивающих веществ растительного происхождения, главным образом хлорофилла (1915 год).

Мнение Вильштеттера имело большой вес, поэтому когда Д.Б. Самнер* в 1926 году выделил в кристаллическом виде фермент уреазу и доказал, что это белок, это вызвало недоверие и насмешки со стороны ученых, находившихся под влиянием идей Вильштеттера. Однако постепенно число сомневающихся в результатах Самнера становилось всё меньше, и, наконец, последний из них Р. Вильштеттер в 1929 году признал своё заблуждение.

Исследование ферментов, катализирующих гидролиз различных веществ, показало, что они, как правило, не содержат коферментов. Вот, почему по словам самого Самнера, ему просто повезло с выбором фермента (уреаза не имеет кофермента).

Вторым биохимиком, сумевшим получить несколько ферментов в кристаллическом виде стал Д.Х. Нортроп**. Он впервые выделил в чистом кристаллическом виде ферменты пепсин (1930 год) и трипсин (1932 год), а также дифтерийный антитоксин (1941 год).

Вершиной этих исследований стало получение в кристаллическом виде вирусов табачной мозаики и полиомиелита, которое осуществил в 1932 году У.М. Стенли***, воспользовавшись методами, разработанными Д.Х. Нортропом и Д.Б. Самнером.

Эти выдающиеся открытия в химии ферментов – получение их в чистом кристаллическом виде, позволили исследовать строение ферментов методом рентгеноструктурного анализа.

Исследования Самнера, Нортропа и Стенли завоевали признание во всем мире. В 1946 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии по химии.

Итак, ферменты являются белками, и их исследование составляет часть химии белков. Следует также отметить, что известны биокатализаторы не белковой природы, относящиеся к нуклеиновых кислотам. Каталитически активные нуклеиновые кислоты получили название «рибозимы». Предполагают, что существующие рибозимы можно рассматривать как реликты раннего периода биохимической эволюции, когда белки еще не получили такого распространения и не приобрели такого значения, как в последующие периоды.

——

* Джеймс Бетчеллер Самнер – американский биохимик. Кроме фермента уреазы выделил к 1937 году еще несколько ферментов в кристаллическом виде. Совместно с Д.Х. Нортропом доказал что полученные им ферменты – чистые белки. Нобелевская премия по химии совместно с Д.Х. Нортропом и У.М. Стенли (1946 год).

** Джон Хоуард Нортроп – американский биохимик. Основные работы посвящены изучению кинетики и механизмов ферментативных реакций и свойств ферментов. Впервые выделил в кристаллическом виде ферменты пепсин, трипсин и др.

Нобелевская премия совместно с Д.Б.Самнером и У.М. Стенли (1946 год).

*** Уэнделл Меридит Стенли – американский биохимик. Основные работы посвящены получению в кристаллическом виде ферментов и вирусных белков. Основоположник вирусологии. Установил, что вирус табачной мозаики содержит нити нуклеиновой кислоты и 2200 белковых субъединиц. Расшифровал последовательность все аминокислотных остатков в белковых субъединицах. Нобелевская премия совместно с Д.Б.Самнером и Д.Х. Нортропом (1946 год).

Дата добавления: 2014-01-20