История открытия и изучения ферментов.

Явления брожения и переваривания известны с незапамятных времен,

однако зарождение учения о ферментах (энзимология) относится к первой

половине XIX в. Первое научное представление о ферментах было дано еще

в 1814 г. петербургским ученым К.С. Кирхгофом, который показал, что не

только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны

осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекае-

мое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крах-

мал в мальтозу, получило название амилазы. Ю. Либих и Ф. Велер от-

крыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле

горького миндаля. Этот агент был назван эмульсином. В последующие

годы были описаны другие ферменты, в частности пепсин и трипсин,

вызывающие распад (гидролиз) белков в пищеварительном тракте.

Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления

в организме. Уже был известен феномен химического катализа, означаю-

щий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в при-

сутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реак-

ции. Так, была установлена большая каталитическая роль ряда неорга-

нических веществ. Горение глюкозы на воздухе, например, протекает очень

медленно, а если добавить немного солей лития (или золы, также содержа-

щей ничтожные количества лития), то горение идет весьма интенсивно:

С6Н12О6 + 6O2 –> 6СO2 + 6Н2O.

Известно, что в живых организмах «горение» (а точнее, окисление)

углеводов также протекает быстро и до тех же конечных продуктов обмена,

т.е. СО2

и Н2О, с выделением (и накоплением) энергии. Однако это

«горение» происходит при относительно низкой температуре, без пламени

и, что особенно интересно, в присутствии воды. Разумеется, в этих необыч-

ных условиях без действия ферментов, получивших наименование биоло-

гических катализаторов, не было бы окисления углеводов. Забегая

несколько вперед, укажем, что в процессе превращения (окисления) глю-

козы в организме до СО2

и Н2О участвует последовательно около 15

различных ферментов (см. главу 10).

Биологические катализаторы, т.е. ферменты, как оказалось, не вызы-

вают в отличие от неорганических катализаторов каких-либо побочных

реакций и не участвуют в реакциях, невозможных по термодинамическим

условиям; и те, и другие катализаторы только ускоряют химические

реакции, обычно протекающие очень медленно. Примером может служить

реакция расщепления перекиси водорода на кислород и воду, медленно

протекающая в отсутствие катализатора. При добавлении мелкораздроб-

ленной платины скорость этой реакции резко возрастает:

Эта же реакция будет протекать намного быстрее в присутствии фермен-

та каталазы, содержащейся, в частности, в эритроцитах, причем образуются

те же конечные продукты распада перекиси водорода.

Таким образом, можно считать установленным, что ферменты ката-

лизируют ряд химических реакций, аналогичных химическим реакциям,

катализируемым неорганическими веществами. Более того, считается ус-

тановленным, что любую из протекающих в живых организмах (или

клетках) химическую реакцию можно в принципе осуществить вне орга-

низма (или вне клетки), если экспериментатору удается выделить соот-

ветствующий фермент (или систему ферментов), катализирующий данную

реакцию, и создать оптимальные условия для его действия.

Горизонты энзимологии. В литературе появляются работы, в которых

делаются попытки прогнозирования дальнейшего развития энзимологии на

ближайшее десятилетие. Перечислим основные направления исследований

энзимологии будущего. Во-первых, это исследования более тонких деталей

молекулярного механизма и принципов действия ферментов в соответствии

с законами классической органической химии и квантовой механики,

а также разработка на этой основе теории ферментативного катализа.

Во-вторых, это изучение ферментов на более высоких уровнях (надмоле-

кулярном и клеточном) структурной организации живых систем, причем не

столько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов в сложных

системах. В-третьих, исследование механизмов регуляции активности и

синтеза ферментов и вклада химической модификации в действие фермен-

тов. В-четвертых, будут развиваться исследования в области создания

искусственных низкомолекулярных ферментов – синзимов (синтетические

аналоги ферментов), наделенных аналогично нативным ферментам высокой

специфичностью действия и каталитической активностью, но лишенных

побочных антигенных свойств. В-пятых, исследования в области инже-

нерной энзимологии (белковая инженерия), создание «гибридных» ката-

лизаторов, сочетающих свойства ферментов, антител и рецепторов, а также

создание биотехнологических реакторов с участием индивидуальных фер-

ментов или полиферментных комплексов, обеспечивающих получение и

производство наиболее ценных материалов и средств для народного хо-

зяйства и медицины. Наконец, исследования в области медицинской эн-

зимологии, основной целью которых является выяснение молекулярных

основ наследственных и соматических болезней человека, в основе развития

которых лежат дефекты синтеза ферментов или нарушения регуляции

активности ферментов.