Ключи жизни (о ферментах)

Колдун из Базеля

   Четыреста пятьдесят с лишним лет назад жил в Швейцарии человек с длинным именем: Филипп-Ауреол-Теофраст-Бомбаст фон Гогенгейм, по прозванию Парацельс. Суеверные горожане шепотом, по секрету толковали, что он колдун и продал душу дьяволу. Не зря у него в доме по ночам полыхает огонь, в странных сосудах кипятятся таинственные варева, калятся и дымят неведомые порошки!
   Парацельс, конечно, не был колдуном. Он был отличным врачом и, как многие пытливые люди его времени, алхимиком.
   Алхимики думали, что можно, расплавляя, смешивая, растворяя и выпаривая различные порошки, кристаллы, жидкости, изготовить "философский камень", возвращающий молодость и превращающий простые металлы в золото. В поисках этого сказочного камня они сделали много открытий, разгадали свойства многих минералов, нашли способы получения различных красок, лекарств, металлических сплавов. Опыты алхимиков, накопленные ими знания положили начало многим наукам.
   Многие алхимики, обвиненные в колдовстве и магии, погибли на костре. Многие окончили жизнь в подземельях средневековых замков, у жадных феодалов, желавших выпытать несуществующий секрет "философского камня". Но ни страх мучительной смерти, ни другие опасности не останавливали алхимиков в их стремлении проникнуть в тайны природы.
   Таков был и Парацельс. Глубокий мыслитель, ненасытный исследователь, он считал главным источником знаний природу, а главной наукой медицину, но, сын своего суеверного века, он в то же время верил в населяющих воздух сильфов, в саламандр, рождающихся из пламени, в гномов и других волшебных духов.
   Он был убежден, что можно искусственным путем, в бутылке с химическими растворами создать гомункулюса – крохотного живого человечка. Он даже составлял для этого рецепты, дошедшие до наших дней. Ни Парацельс, ни другие алхимики, пытавшиеся получить искусственного человечка, не подозревали даже, как сложно устроен всякий живой организм.
   Если бы алхимики могли заглянуть в будущее, на несколько столетий вперед, они увидели бы, как ученые, живущие в наше время, строящие огромные заводы и сложные машины, стараются создать не искусственных человечков, а хотя бы те вещества, из которых состоит человек и все живое.

Дверь на замке

   Шли века. Развивались науки. Длинной цепочкой протянулись открытия. Через шлифованные стекла микроскопа люди заглянули в невидимый мир крохотных существ, увидели живые клеточки и ткани, из которых построены растения, животные, человек. Из алхимии родилась химия. Потом от химии отделились новые науки, изучающие свойства тех удивительных веществ, которые образуются только в живом теле растений и животных.
   Проникая все глубже в тайны этих веществ, названных органическими, ученые наконец узнали, из чего они состоят и как устроены. Химики научились создавать новые вещества, которых нет в природе. Но как построить молекулу сахара, крахмала или клетчатки из углерода, кислорода и водорода при тех условиях, какие существуют в клеточках зеленого растения?
   В живых клетках возникают сложные и бесконечно разнообразные молекулы белка. Один из видов белка вам хорошо знаком, это белок куриного яйца. Белки составляют основу жизни. В теле каждого живого существа непременно содержится то или другое количество белка, который и является главным участником всех жизненных процессов.
   Почему и каким образом именно с белком связаны явления жизни? Бактерия – одно из простейших живых существ, крохотный комочек белка – дышит, поглощает питательные вещества, изменяет их, размножается, хотя ничем как будто не отличается от другого такого же кусочка белка, кроме того, что она "живая". В ней могут происходить и происходят все эти сложные процессы, а в каком-нибудь другом, неживом комочке – нет. Почему? И каким образом в этом комочке белка образуются новые белковые молекулы, которых не удавалось получить искусственно даже величайшим химикам в самых лучших лабораториях?
   А в теле птиц, зверей или человека происходят еще более сложные и удивительные превращения. Наша пища состоит из различных веществ. Главные среди них жиры, белки, сахар, крахмал. Эти вещества очень сложны. Но когда мы их съедим, они в нашем теле сперва превращаются в более простые вещества. Из этих простых веществ в клеточках нашего тела снова образуются жиры, белки, сахар, крахмал, но уже другого сорта, как раз такого, какой нужен для клеточек и тканей нашего тела. Похоже на игру в кубики. Из одних и тех же кубиков складываются разные постройки.
   Почему же, под действием каких сил происходят эти двойные, а иногда и тройные превращения – сначала из сложных веществ в простые, потом из простых в сложные и еще более сложные, но уже по-другому составленные? Для того, чтобы разделить сложный белок на более простые "кубики", аминокислоты, мы в лабораториях кипятим его с крепкой серной кислотой. Кипятим долго, около суток, и только после этого получаем аминокислоты. Как же это происходит в живом теле человека и животных? Ведь там нет крепких кислот, подобных серной, там нет температур в сто градусов и выше. И крепкие кислоты и такая высокая температура были бы гибельны для любого органа, для любой ткани, для любого участка живого тела. И все же превращение съеденных белков в аминокислоты происходит. Вдобавок очень быстро и при температуре всего в 36–37 градусов.
   Точно так же превращаются и другие вещества. Подержите во рту кусочек хлеба. Вы скоро почувствуете, как он становится сладковатым. Это уже началось превращение крахмала в сахар-глюкозу. Дойдя с кровью до печени, глюкоза тоже испытывает превращение: из нее опять образуется очень сложное вещество – гликоген. А потом постепенно, по мере надобности, гликоген будет снова превращаться в глюкозу и расходоваться на работу наших мышц. Десятками можно было бы перечислять химические превращения, которые идут в таинственных лабораториях – клетках, тканях и органах нашего тела.

Ключи найдены

   Такие превращения прежде никак не удавалось повторить искусственно, чтобы при этом условия походили на условия в живом теле. Не удавалось, пока не были открыты ферменты. Они имеют особую химическую силу: они вызывают вое эти превращения да вдобавок еще и "подталкивают" их, ускоряют. Ферменты найдены в каждом живом теле, от простой бактерии до человека.
   Без помощи ферментов мы не усвоили бы ни одного глотка пищи; объедаясь, мы умерли бы от голода и истощения. Кислород, который мы добываем из воздуха с каждым вдохом, не мог бы усваиваться нашей кровью и клетками нашего тела без помощи ферментов; окруженные воздухом, мы погибли бы от удушья. Именно ферменты, вырабатываемые живыми клетками, комочками живого белка, управляют всеми химическими превращениями, отличающими живое тело от неживых предметов. Сами ферменты при этом не расходуются, не изменяются и потому нужны в очень маленьких количествах.
   Ферментов много. Каждый имеет свою "специальность" и вызывает превращения одного вещества или одной группы родственных по составу веществ.
   То, на что действует фермент, химики называют субстратом. Молекулы каждого фермента построены по-разному, и этим объясняется, что у всех ферментов своя "специальность".
   "Фермент подходит к субстрату, как ключ к замку", – говорят химики.
   Люди с глубокой древности использовали могучую химическую силу ферментов, но использовали наугад, даже не подозревая об их существовании.
   У народов Севера женщины, сшивая тонкими оленьими жилами унты, кожаную байдару или меховую одежду, обычно держали эту жилку во рту. Они ничего не знали про ферменты, а между тем именно ферменты слюны размягчали жилку, делали ее гибкой.
   В Узбекистане и Туркмении размотчицы коконов смачивали тонкую шелковую паутинку слюной. И здесь работал фермент. Он растворял клей, которым гусеница шелкопряда, свивая кокон, пропитывает нити.
   Ферменты издавна помогают людям в приготовлении хлеба, сыра, вина, чая, льна, при выделке кожи.

Вот как выглядят кристаллы различных ферментов. Ровненькие палочки слева – это кристаллы гексокиназы. Похожие на снежинки звездочки – кристаллы рибонуклеазы. Дальше идут кристаллы карбоксипептидазы и пепсина.

   Но, используя силу ферментов, люди о них почти ничего не знали.
   Доказать, что ферменты, как и все другие вещества, имеют свой химический состав, было большой победой науки. Мы теперь знаем, что ферменты относятся к группе белков. Молекула любого белка во много раз сложнее, чем молекулы других веществ, а среди белковых молекул самые сложные – у ферментов. Их крупные молекулы построены из сотен и тысяч атомов углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора. Каждая из них заключает в себе особую активную группу. Если фермент сравнивать с ключом, то активная группа – бородка ключа. Форма и величина бородки у ключей разная. С помощью бородки ключ открывает и закрывает замок.
   Итак, теперь никто не думает, что ферменты – это какие-то призраки. Известен состав ферментов, их химические формулы. Известно, как в молекуле каждого фермента располагаются атомы и группы атомов. Известно, какое сложное и тонкое сооружение представляет собой такая молекула. Уже добыты кристаллы ферментов, и вы их можете увидеть своими собственными глазами.

От живой клетки к фабрике

   Разгадав работу ферментов, научившись их получать, мы заставляем их служить себе уже не наугад.
   Не надо размотчицам шелка смачивать коконы слюной, как в старину. Не надо, как это делалось еще совсем недавно, обрабатывать их щелоком и горячим паром под высоким давлением. При этом способе, правда, растворяется крепкий клей, выработанный гусеницами, но и сама нить становится менее прочной. Теперь на шелкомотальных фабриках "работает" фермент супербиолаза. Он растворяет клей коконов, не повреждая нити.
   Когда-то сыровары клали кусочки сычуга – телячьего желудка – в молоко, чтобы молоко свернулось особым образом, не прокисая. Они не знали, что при этом действует фермент химозин. Теперь на сыроваренных заводах употребляется химозин, приготовленный химиками и не уступающий телячьему.
   Оказывается, ни вяление рыбы, ни ее засолка, ни квашение капусты и других овощей не обходится без участия ферментов. В мертвом организме – будь то рыба, кочан капусты или чайный лист – ферменты, не потеряв своей силы, действуют беспорядочно, как попало. Начинается "самопереваривание", автолиз. Автолиз приводит к частичному или полному распаду тех сложных веществ, из которых было построено тело животного и растения.
   Вот частичный автолиз и придает особый вкус селедке, капусте, чайному листу. Разрушаются все лишние части тканей, а те, которые наиболее ценны, освобождаются и накапливаются. Без автолиза чай пахнет сеном, а селедка, капуста и ветчина не имеют того вкуса, который мы ценим в хорошем засоле.
А это кристаллы трипсина и химотрипсина.

   В науке за каждым полученным ответом всегда возникают новые вопросы. Так было и с ферментами. Каким образом один и тот же фермент производит прямо противоположное действие? Почему белковая пища – какой-нибудь кусочек мяса – под влиянием фермента, который называется пепсином, сперва расщепляется на аминокислоты, а потом силой все того же пепсина снова соединяется в сложный белок?
   Ученым известны и другие вещества, которые подобно ферментам способны ускорять химические реакции. Губчатая платина, например, ускоряет соединение разных веществ с кислородом. Но губчатая платина никогда не меняет своей "специальности". Она никогда не помогает отъединению кислорода от веществ, с которыми кислород соединился.
   Почему же фермент то разрушает, то строит? И почему в руках людей фермент проявляет только одну половину своей силы, разрушительную?

К ферментам "на дом"

   Ответ на все эти "почему и отчего" помог найти советский биохимик В. Л. Курсанов. Он взял да и перевернул наизнанку те способы, которыми изучались ферменты. Раньше добывали содержащий ферменты сок из растертых, измельченных клеток какого-нибудь растения или животного. Сами клетки при этом, конечно, погибали.
   Выходит, изучалось лишь действие ферментов после смерти клетки, а не при жизни ее. Но ведь после смерти всегда и обязательно происходит разрушение! Значит, надо заглянуть в живые клетки, последить, как работает фермент "у себя дома". Вместо того, чтобы сок, добытый из клеток, прибавлять в какие-либо вещества, надо эти вещества ввести в целенькую живую клетку.
   Курсанов, в то время еще молодой ученый, придумал, как это сделать. Он помещал живой, только что сорванный листок в склянку с каким-нибудь раствором, например, сахарным. Хорошо закупорив склянку, выкачивал из нее воздух. Тогда по законам физики весь воздух из промежутков между клетками переходил в раствор, а из раствора в пустое пространство над ним. Этот воздух тоже откачивался из склянки. Когда наконец можно было считать, что в тканях листа совсем не осталось воздуха, склянка раскупоривалась и в нее через горлышко с силой врывался воздух снаружи. В склянке восстанавливалось нормальное атмосферное давление. Силой этого давления сахарный раствор втискивался в пустые промежутки между клеточками листа. Сахар был доставлен к ферменту, и можно было наблюдать за ним в живых, а не в убитых тканях.

Здесь видно, как инфузория усваивает пищу. Кусочки пищи попали внутрь клетки. К ним собираются особые тельца, богатые ферментом. Потом вокруг каждого кусочка образуется водяная капелька – вакуоля. Тельца с ферментами начинают уменьшаться, растворяясь в капельке, и тогда под действием растворенных ферментов начинается переваривание пищи.

   Вот что оказалось. Часть фермента заключена в жидкой капельке, находящейся внутри каждой клетки. Здесь фермент занимается расщеплением сложных веществ так же, как в соке, добытом из разрушенных клеток.
   Но остается другая часть ферментов – в тонком слое живого белка-протоплазмы, выстилающей изнутри стенки клеток. Эта часть фермента и занимается строительством. Значит, работа фермента зависит от условий, в которых он находится. Растворенный в воде, он – разрушитель, вкрапленный в протоплазму, он – созидатель.
   Так вот почему в прежних опытах ферменты всегда выступали только разрушителями! Ведь изучался сок из клеток, иначе говоря, растворенные ферменты!
   Ученые шаг за шагом узнавали подробности разнообразной работы ферментов и при этом находят все новые и новые "ключи жизни". С их помощью можно теперь регулировать деятельность внутри живых организмов: можно увеличивать сахаристость свеклы, ускорять созревание плодов, управлять ростом растений и животных, побеждать болезни.

Ферменты участвуют в споре

   Если химиков спросить, из чего состоит нефть, они скажут: из углерода и водорода. Значит, нефть совсем проста по составу? Нет, потому что углерод с водородом дают тысячи самых разнообразных соединений. Одна частичка углерода может соединиться с четырьмя частичками водорода; это будет болотный газ – метан. Две частички углерода могут соединиться с шестью частичками водорода, три частички углерода – с восемью водорода... И каждый раз получается новое вещество с другими свойствами. Все они называются углеводородами. В нефти много десятков таких соединений.
   Почему такой состав у нефти? Как она образовалась?
   Уже давно идет об этом спор. Одни ученые считают, что нефть образовывалась в глубинах земной коры просто из углерода и водорода. А другие – что нефть произошла из мертвых остатков морских водорослей и животных, которые, разрушаясь, превращались в разнообразную коллекцию углеводородов.
   Чтобы разрешить этот спор, великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев пытался получить нефть искусственным путем. Он создавал в лаборатории те условия, при которых она, по его предположениям, могла возникнуть в природе. Действительно, получилось вещество, сходное с нефтью. Однако некоторые составные части настоящей нефти ни за что не могли бы уцелеть и сохраниться, если бы она в природе хоть недолго находилась под действием высоких температур, с помощью которых Менделеев создавал свою искусственную нефть.
   Значит, на самом деле нефть образовывалась иначе. Но как?
   Не легко разгадать это! Ведь нефть – единственное из полезных ископаемых, которое мы находим не на том месте, где началось ее возникновение. Нефть – жидкость и, как всякая жидкость, подвижна. Она просачивается сквозь другие породы, "путешествует" в земных толщах. И по-прежнему одни считают, что она образовалась в земных недрах при огромных температурах, другие – что она возникла на дне морей и озер, где скопляется ил, богатый мертвыми остатками всевозможных растений и животных.
   Но какой силой превращается в нефть скопление мертвых организмов? Некоторые ученые говорили: наверно, той же силой, которая прежде управляла их жизнью, – силой ферментов, заключавшихся в живых тканях. Ферменты эти скоплялись в обширных подводных складах погибших животных и растений.
   Другие ученые возражали им: ферменты нестойки и после гибели живого организма быстро разрушаются.
   Выяснить истину можно было только опытами. Долгие годы работы, трудный путь исследований ожидали того, кто возьмется за такие опыты.
   Милица Александровна Мессинева еще со студенческой скамьи думала над этими вопросами. Закончив университет, она стала исследовать роль ферментов в образовании нефти. Всю предполагаемую обстановку нефтеобразования ей надо было проверять опытами в лаборатории и в природе. Многие из этих опытов должны были длиться десятки лет.
   Но уже с самых первых шагов исследовательница обнаружила ферменты в морском и пресноводном иле, в песках и глинах и, наконец, в самой нефти.
   Она ставила опыты в лаборатории, изучая остатки мертвых растений и животных на разных стадиях распада. И все больше доказательств скоплялось у М. А. Мессиневой в пользу органической теории происхождения нефти. Оказалось, что вовсе не так уж недолговечны ферменты: их разрушает только сильное нагревание и кислород. А высоких температур и больших количеств кислорода нет ни на дне морей, ни в глубоко залегающих слоях глин, песка и известняков, пропитанных нефтью.
   Оказалось, что автолиз на восемь десятых разрушает сахар, крахмал, клетчатку, а различные белки – наполовину. Но ведь опыты эти длились в тысячи раз меньшее время, чем то, за которое образовалась нефть!
   Оказалось, что даже разрушенные ферменты, обломки их молекул могут вызывать те же превращения, только гораздо медленнее.
   Наконец, в слоях, богатых мертвыми остатками растений и животных, на дне современных водоемов исследовательница обнаружила химические превращения, которые могут идти только с помощью ферментов.
   Спор продолжается, и, может быть, ферменты, как путеводная нить, приведут к разгадке тайны.