Возникновение энзимологии (учение о ферментах)

С середины XVIII в. начинается период открытия и выделения большого числа новых органических веществ растительного и животного происхождения. Крупным событием второй половины XVIII в. стали исследования Ладзаро Спалланцани (1729-1799) по физиологии пищеварения, которые положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков.

В 1811 году член Петербургской Академии наук Константин Сигизмундович (Готлиб Сигизмунд Константин) Кирхгоф (1764-1833) провелгидролиз крахмала при нагревании в присутствии кислот, что положило начало изучению каталитических процессов. Он занимался проблемой получения сахара из крахмала. В 1811 году он представил в Академию наук образцы сахарного сиропа и кристаллического «сахара», полученные им путем гидролиза картофельного крахмала под действием разбавленной серной кислоты. Реакция протекала сутки, при этом серная кислота не расходовалась и по завершении процесса нейтрализовалась расчетным количеством карбоната кальция. Это был истинно каталитический процесс. В кислой среде или под действием пищеварительных ферментов крахмал подвергается гидролизу с образованием глюкозы:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

В 1812 году К.С. Кирхгофом были изложены основы этого процесса в статье «О приготовлении сахара из крахмала».

Расширяя свои исследования, К.С. Кирхгоф обнаружил, что аналогичного результата можно добиться и без добавления кислоты, а под действием «клейковатого вещества» (клейковины), которую он получил из пшеничного зерна. 30 ноября 1814 года им был сделан доклад «О получении сахара при осолаживании злаков». К.С.Кирхгоф установил, что крахмал превращается в сахар под действием некоторых веществ, находящихся в прорастающих зернах ячменя. В вытяжке из проросших семян ячменя открыл фермент, осуществляющий осахаривание (гидролиз) крахмала. На основании этих исследований был создан первый промышленный процесс получения патоки и глюкозы из крахмала.

К середине XIX в. были найдены и другие ферменты: амилаза слюны, пепсин желудочного сока, трипсин сока поджелудочной железы.

Шведский химик Йенсон Якоб Берцелиус (1779-1848) ввел в химию понятие о катализе и катализаторах, к числу последних были отнесены все известные в то время ферменты. Йенсон Я. Берцелиус в 1837 г. показал, что ферменты - это катализаторы, поставляемые живыми клетками. Именно тогда появился термин «фермент» (от лат. fermentatio - брожение).

В полном современном смысле понятие катализа вошло в химию, благодаря работам Вильгельма Оствальда(1853-1932), лишь спустя полвека после смерти Й. Я. Берцелиуса. В. Оствальд определил катализатор как вещество, «которое, не входя в конечный продукт химической реакции, увеличивает ее скорость». Он различал четыре типа катализаторов: контактное действие «зародышей», гомогенный катализ, гетерогенный катализ и действие ферментов. В 1902 г. Вильгельму Оствальду была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы по катализу и основополагающие исследования скоростей химических реакций».

Дальнейший шаг вперед в этом направлении был сделан французскими химиками Ансельм Пайеном (1795-1871) и Ж. Пирсо, которые в 1833 г. показали, что термолабильный фактор, получаемый из солодового экстракта путем осаждения спиртом, обладает способностью гидролизовать крахмал; они назвали его - диастазой (ныне этот фермент называется амилазой).

В связи с описанием дрожжевых клеток (Шарль Каньяр-Латур во Франции и Теодор Шванн в Германии, 1836-1838гг.) начали активно изучать процесс сбраживания сахара и образования спирта, издавна привлекавший к себе внимание (Ю. Либих, Л. Пастер и М. Бертло).

Вскоре разгорелся спор о природе брожения, в котором участвовали крупнейшие представители естествознания того времени. В частности, французский химик Луи Пастер (1822-1895) придерживался мнения, что брожение вызывается живыми микроорганизмами и, следовательно, связано исключительно с их жизнедеятельностью. Он был ярым сторонником того, что брожение (то есть конверсию сахара в спирт или в уксусную кислоту и сопутствующие продукты) могут осуществить лишь живые клетки микроорганизмов. Л. Пастером была отвергнута сама идея о необходимости существования растворимых ферментов, участвующих в брожении. Он писал: «Я не вижу никакой необходимости в существовании этих ферментов, ни в полезности их функционирования при брожении».

С другой стороны, немецкий химик Юстус фон Либих (1803-1873) и французский естествоиспытатель, и физиолог Клод Бернар (1813-1878) отстаивали химическую природу брожения, считая, что оно связано с особыми веществами, подобными диастазе (амилазе). Проводя различные химические реакции с органическими молекулами, Ю. Либих, не мог допустить того, что для реализации такого простого химического процесса, как окисление спирта в уксусную кислоту (реакция идет под действием различных химических окислителей), необходимо участие такого сложного агрегата, как целая клетка живого микроорганизма

Ю. Либих предполагал, что наблюдается всего лишь корреляция между «физиологическим процессом» образования продуктов и ростом клеток.

Значительную роль в прояснении вопроса сыграла дискуссия между Луи Пастером и Марселином Бертло (1827-1907).

Марселин Бертло полагал, что процесс брожения осуществляется органической субстанцией дрожжей. Важным был эксперимент М. Бертло, в котором он разрушил клетки дрожжей, получил бесклеточный экстракт, переосадил его спиртом без существенной потери активности и показал, что полученная субстанция обладает каталитическими свойствами. Этот эксперимент показал, что «фермент» и живые клетки микроорганизмов не одно и то же: клетки содержат вещества, реально осуществляющие брожение.

На то, что брожение имеет характер каталитического процесса, указывал Эйльхард Митчерлих (1794-1863 гг.). В 1843 году он отмечал, что для проведения процесса сбраживания сахара необходимы относительно ничтожные количества дрожжей, не соизмеримые с количеством конвертированного субстрата (менее одного процента), то есть вклад вещества дрожжей в материальный баланс реакции ничтожен.

Существенную роль в дискуссии сыграла неоднозначность в терминах, существовавшая в те годы. В течение многих лет дрожжи называли ферментом. Л. Пастер был против распространения термина «фермент» на растворимые вещества, способные проводить конверсию сахара, а понимал под «ферментом» живые растущие клетки, осуществляющие образование этиленового спирта и СО₂.

Термин «энзим» (от греч. - в дрожжах) и энзимология был введен в 1876 году Вильгельмом Кюном (1837-1900) для обозначения «неорганизованных», «бесформенных» ферментов, таких, как диастаза, пепсин, трипсин, известных уже тогда.

Спор был окончательно разрешен лишь в 1897 г., когда немецкие ученые братья Ганс и. Эдвард Бухнеры показали, что дрожжевой бесклеточный сок (полученный при растирании дрожжей с инфузорной землей) способен сбраживать сахар с образованием спирта и углекислого газа. Стало ясным, что дрожжевой сок содержит сложную смесь ферментов (названную зимазой) и эти ферменты способны функционировать как внутри, так и вне клеток. По словам одного из историков, появление пузырьков углекислого газа в опыте братьев Бухнеров означало рождение современных биохимии и энзимологии.