Открытие ферментов и коферментов

Процесс обмена веществ, который стал особенно хорошо известен ученым в середине 50-х годов, мож­но считать своеобразным выражением ферментатив­ной природы клетки. Любая метаболическая реакция катализируется благодаря специфическому ферменту; характер обмена веществ определяется природой и концентрацией присутствующих в клетке ферментов. Следовательно, чтобы понять обмен веществ, необхо­димо знать ферменты.

На протяжении ХIХ столетия ферменты считались таинственными веществами, выявляемыми лишь по их действию. Немецкому химику Леонору Михаэлису (1875—1949) удалось раскрыть тайну ферментов с помощью законов и методов химической кинетики (раздела физической химии, изучающего скорость ре­акций). В 1913 г. он установил зависимость скорости реакций, катализируемых ферментами, от определен­ных условий. Он предположил, что фермент образует промежуточное соединение с веществом, реакцию ко­торого он катализирует. Подобное допущение свиде­тельствует о том, что ферменты есть не что иное, как молекулы, подчиняющиеся физико-химическим зако­нам. Но что же это за молекулы? По всей вероятно­сти, это белки, так как ферментный раствор легко те­ряет активность даже при слабом нагревании, а, как известно, такую термолабильность имеют лишь белко­вые молекулы.

Однако все это были лишь предположения. В 20-х годах немецкий химик Рихард Вильштеттер (1872—1942) выдвинул гипотезу, согласно которой ферменты вовсе не являются белками. Правда, как оказалось впоследствии, эта гипотеза была ошибочной, но науч­ный авторитет ее автора долгое время не позволял в ней усомниться. Через несколько лет вопрос о белко­вой природе ферментов был поднят вновь, на сей раз американским биохимиком Джеймсом Самнером (1887—1955). В 1926 г. Самнер выделил из семян мечевидной канавалии фермент, катализирую­щий реакцию расщепления мочевины на аммиак и углекислый газ. В процессе получения фермента уче­ный обнаружил возникновение в определенный мо­мент мельчайших кристаллов. Выделив и растворив эти кристаллы, он получил жидкость с повышенной активностью уреазы. Все попытки отделить эту актив­ность от кристаллов не увенчались успехом. Получен­ные кристаллы оказались ферментами и, как показа­ли опыты Самнера, одновременно и белками. Таким образом, уреаза была не только первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, но и первым ферментом с доказанной белковой природой.

Сом­нениям относительно того, распространяется ли эта закономерность на все ферменты, положили конец ис­следования американского биохимика Джона Нортропа. В 1930 г. ученому уда­лось кристаллизовать пепсин — расщепляющий белок фермент желудочного сока; двумя годами позже — трипсин и в 1935 — химотрипсин. Трипсин и химотрипсин — расщепляющие белок ферменты поджелу­дочной железы. Они также оказались белками. После этого ученые получили в кристаллическом виде еще десятки ферментов, и все они были белками.

Артур Харден, открывший в начале ХХ столетия промежуточный обмен веществ, обратил также внима­ние на еще одну сторону ферментативной деятельно­сти. Он поместил в воду дрожжевой экстракт в не­большом мешке из диализирующей мембраны (через которую просачиваются только молекулы малых раз­меров). После того как через стенки мешка вышли мелкие молекулы экстракта, последний уже не мог расщеплять сахар. Объяснить это явление просачива­нием через мембрану самого фермента нельзя, по­скольку вода, в которой находился мешок, также не расщепляла сахара. Однако в соединении с экстрак­том внутри мешка она приобретала эту способность. Следовательно, можно сделать вывод: помимо круп­ных молекул, фермент включает в себя и относитель­но мелкие, непрочно связанные и потому способные просачиваться через мембрану. Эти мелкие молекулы, являющиеся структурной частью фермента и очень важные для его функционирования, получили назва­ние коферментов.

В середине 20-х годов шведский химик Ганс Эйлер обнаружил, что и другие ферменты содержат коферменты, однако структуру последних удалось выяснить лишь десяти­летием позже. Тогда же определили строение витами­нов, после чего уже не вызывало сомнения, что в боль­шинстве коферментов в качестве составной части мо­лекулы имеются витаминоподобные структуры.

Итак, витамины, по-видимому, являются той частью коферментов, которые не вырабатываются са­мим организмом и поэтому должны быть включены в пищу. Без витаминов построение коферментов не­возможно, а без коферментов некоторые ферменты оказываются недеятельными и, таким образом, обмен веществ нарушается. В результате наступает авита­миноз, иногда со смертельным исходом.

Поскольку ферменты и коферменты — это катали­заторы, нужные организму в малых количествах, ви­тамины тоже нужны в столь же небольших количе­ствах. Этим, собственно, и объясняется тот факт, что ничтожнейшие составные части пищи могут оказаться крайне необходимыми для нормальной жизнедеятель­ности организма. Следовые количества таких эле­ментов, как медь, кобальт, молибден, цинк, образуют существенную часть ферментной структуры. Были вы­делены ферменты, содержащие по одному или не­сколько атомов этих элементов.