Опыты братьев Ганса и Эдварда Бухнеров

Эдвард Бухнер (1860-1917) начал исследования процесса спиртового брожения под руководством своего брата ученого, Ганса Бухнера.

В 1885 г. он опубликовал свою первую статью о влиянии кислорода на процесс брожения. Проделанные Э. Бухнером опыты опровергали преобладавшую в то время точку зрения, которой придерживался и Луи Пастер, что брожение не может проходить в присутствии кислорода.

В 1893 г., когда Эдвард Бухнер начал поиск активных веществ, способствующих брожению, преобладали две соперничающие между собой теории брожения. Согласно механистической теории, дрожжи, постоянно разлагаясь до жидкого состояния, создают химическое напряжение, которое заставляет разлагаться молекулы сахара. В соответствии с этой точкой зрения спиртовое брожение представляло собой хотя и сложную, но, в общем, обычную химическую реакцию. Против этой теории возражали виталисты, которые, подобно Луи Пастеру, верили, что в живых клетках содержится некая жизненная субстанция, которая и «несет ответственность» за брожение. По их мнению, без некоего «жизненного», хотя пока еще не найденного, компонента в живых клетках одни только химические вещества не могли бы вызвать процесс брожения. Несмотря на то что сторонники механистической теории доказали, что вещества, обнаруженные в живых клетках, могут быть синтезированы, никому еще не удавалось выделить вещество, способствующее брожению, или вызвать этот процесс в неживых веществах.

Подбадриваемый своим братом, Эдвард Бухнер решил найти активное вещество путем получения чистых образцов внутренней жидкости дрожжевых клеток. Используя метод, предложенный ассистентом своего брата Мартином Ганом, он измельчил в ступке дрожжи вместе с песком и землей, избежав, таким образом, разрушительного действия высоких температур и не пользуясь растворителями, которые искажали результаты, полученные его предшественниками. Отжатое в марле под давлением ячеистое вещество выпустило жидкость. Он предположил, что эта жидкость способна вызывать брожение. Позже, однако, когда он вместе с ассистентом Мартином Ганом попробовал сохранить эту жидкость, добавив концентрированный раствор сахарозы, выделился углекислый газ. Это было поразительно, ибо, даже, несмотря на то, что дрожжевые клетки были мертвы, ясно было, что нечто в выделенной ими жидкости вызвало брожение. Эдвард Бухнер выдвинул гипотезу, что активным веществом является энзим, или фермент, который он назвал зимазой. Его 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.

Опубликованная в 1897 г. работа «О спиртовом брожении без участия дрожжевых клеток» вызвала споры среди его коллег-ученых, и в последующие годы Эдвард Бухнер потратил немало времени на сбор фактов в подтверждение своей теории.

В 1902 г. он опубликовал еще одну статью на 15 страницах, в которой объяснял и защищал эту свою работу, а также несколько других, где излагал результаты проведенных им исследований химического воздействия дрожжей на молочный сахар.

В 1907 г. Эдварду Бухнеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенную им научно-исследовательскую работу по биологической химии и открытие внеклеточной ферментации».

Из-за смерти короля Швеции Оскара II церемония награждения была отложена, однако, в письменном представлении от имени Шведской королевской академии наук К. А. X. Мернер обобщил противоречивые взгляды на процесс брожения, которым положили конец проведенные Бухнером исследования. «Пока брожение рассматривалось как выражение жизни, – писал Мернер, – мало было надежды на возможность более глубоко проникнуть в проблему протекания этого процесса». Вот почему «произошла сенсация, когда Бухнеру удалось показать, что спиртовое брожение может вызываться соком, выделенным из дрожжевых клеток, которые не содержат живых клеток... Недоступные до этого времени области теперь стали объектом химических исследований, а перед химической наукой открылись новые, ранее невиданные перспективы».

В Нобелевской лекции Эдвард Бухнер описал свои открытия и отдал должное предшественникам и коллегам. «Мы все более убеждаемся в том, что клетки растений и животных подобны химическим фабрикам, – сказал он, – где в разных цехах производятся разные продукты. Энзимы в них выполняют роль контролеров. Наши знания об этих самых важных частях живых веществ постоянно увеличиваются. И хотя, возможно, нам еще далеко до цели, мы шаг за шагом приближаемся к ней».

Дальнейшее развитие опытов братьев Бухнеров привело к изучению процесса ферментации английским химиком Артуром Гарденом.

Некоторые ученые все еще полагали, что брожение происходит в результате воздействия загадочной «жизненной силы» на живую клетку, но к 1904 г. для А. Гардена стало очевидным, что ферментация – это совокупность химических процессов. Для подтверждения своей гипотезы он получил препарат зимазы и профильтровал его под высоким давлением через пористый фарфор, пропитанный желатином. Он открыл, что фермент зимаза состоит из двух компонентов, один из которых проходит через такой фильтр, а другой – нет. Артур Гарден также обнаружил, что брожение прекращается, когда он удаляет какой-нибудь компонент из дрожжевого экстракта. Это было первым доказательством того, что один компонент фермента нуждается в присутствии второго для эффективного функционирования. Он оставил название «зимаза» за одним компонентом, а другой компонент (или кофермент) стал называть козимазой. В дальнейшем он обнаружил, что зимаза является белком, в то время как козимаза белком не является (вещество небелковой природы).

В 1905 г. Артур Гарден сделал свое второе основополагающее открытие: процесс ферментации требует наличия фосфата, состоящего из одного атома фосфора и четырех атомов кислорода. Он отметил, что скорость распада молекулы сахара и образования двуокиси углерода и спирта со временем медленно падает. Однако, когда он добавил в раствор фосфат, активность ферментации резко возросла. Основываясь на данных наблюдения, Гарден заключил, что молекулы фосфата связываются с молекулами сахара, создавая условия для ферментативного индуцирования брожения. Более того, он обнаружил, что фосфат, отделяясь от продуктов реакции, в результате сложной цепи превращений остается свободным.

В 1929 г. Артуру Гардену совместно с Гансом фон Эйлер-Хельпином была вручена Нобелевская премия по химии «за исследование ферментации сахара и ферментов брожения».