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.
Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 2475;