Использование в биохимии радиоактивных изотопов

Изучению сложной цепи реакций обмена веществ в значительной мере помогло использование особых атомов, названных изотопами. На протяжении первой трети XX в. физики обнаружили, что большая часть элементов имеет несколько изотопов. Организм особой разницы между ними не чувствует, но лабораторные приборы чутко реагируют на нее.

Впервые широко использовал изотопы в биохими­ческих исследованиях американский ученый Рудольф Шенгеймер (1898—1941). В 1935 г. исследователям стал доступен редко встречающийся изотоп водорода (дейтерий), который вдвое тяжелее обычного водоро­да. Шенгеймер синтезировал молекулы жира, в ко­торых заменил обычный водород тяжелым водородом, или дейтерием, а затем скормил эти жиры лабора­торным животным. Таким образом в ткани животных был введен тяжелый водород, на который они реаги­ровали так же, как и на обычный. Анализы животных жиров, содержащих дейтерий, дали поразительные ре­зультаты.

В то время ученые полагали, что запасы жиров в организме в основном неподвижны и мобилизуются только при голодании. Однако, исследовав состав жи­ровой ткани крыс, получивших дейтерий, Шенгеймер обнаружил, что на четвертые сутки в тканях содержа­лась почти половина скормленного с пищей дейтерия. Другими словами, поглощенный жир откладывается, а ранее отложенный используется, то есть имеет ме­сто быстрый и непрерывный круговорот веществ, вхо­дящих в состав организма. Аналогичные результаты отмечались и в опытах с мечеными аминокислотами, в которых Шенгеймер использовал изотоп азота (тя­желый азот). Он кормил крыс смесью аминокислот, из которых лишь одна была меченая, и вскоре обна­ружил, что мечеными оказались все аминокислоты. На основе этих исследований Шенгеймера были вы­двинуты новые представления о динамическом состоя­нии всех составных частей организма.

В принципе можно проследить весь порядок обме­на, последовательно используя различные соединения с изотопами. Легче всего это сделать с помощью ра­диоактивных изотопов, атомы которых отличаются не только весом, но и способностью к распаду с выделе­нием высокоподвижных энергетических частиц. Эти частицы легко обнаружить, поэтому для опыта можно ограничиться минимальным количеством радиоактив­ных изотопов. Созданные после окончания второй ми­ровой войны ядерные реакторы позволили широко по­лучать радиоактивные изотопы. Кроме того, был открыт радиоактивный изотоп углерода (углерод-14), который оказался чрезвычайно полезным для иссле­дований.

Радиоактивные изотопы помогли американскому биохимику
Мелвину Кальвину выявить тончайшие детали последовательных реакций процес­са фотосинтеза, посредством которого зеленые расте­ния превращают солнечный свет в химическую энер­гию и снабжают животный мир пищей и кислородом. Кальвин в течение нескольких секунд давал микроско­пическим растительным клеткам доступ к углекисло­те на свету и затем убивал их. К этому моменту успе­вали завершиться лишь первые этапы фотосинтеза. Затем он измельчал клетки и разделял их на составные части, используя метод хроматогра­фии на бумаге. Теперь оставалось уточнить, ка­кие из получаемых компонентов возникли в резуль­тате первого этапа фотосинтеза.

Кальвину удалось ответить на этот вопрос, так как в молекуле углекислоты, с которой соприкасались растительные клетки, содержался изотоп углерода (угле­род-14). Любое вещество, которое образуется из этой углекислоты в процессе фотосинтеза, само по себе становится радиоактивным, и его можно без труда определить. Этот вывод послужил отправной точкой для целого ряда исследований, проведенных в 50-х го­дах и позволивших разработать схему темновой и световой стадий фотосинтеза (цикл Кальвина).

Открытие витаминов

В эпоху великих географических открытий люди проводили долгие месяцы на борту кораблей, питаясь только теми продуктами, которые могли в тепле со­храняться, так как использование искусственного хо­лода было еще не известно. Страшным бичом моряков была цинга. Шотландский врач Джеймс Линд (1716— 1794) обратил внимание на то, что заболевания встре­чаются не только на борту кораблей, но и в осажден­ных городах и тюрьмах — повсюду, где питание одно­образно. Может быть, болезнь вызывает отсутствие какого-либо продукта в пище? Линд попробовал раз­нообразить пищевой рацион моряков, больных цингой, и вскоре выявил целительное действие цитрусовых. Великий английский мореплаватель Джемс Кук (1728—1779) ввел цитрусовые в рацион экипажа сво­их тихоокеанских экспедиций в 70-х годах XVIII в. В результате от цинги умер только один человек.

В 1795 г., во время войны с Францией, морякам британского флота начали давать лимонный сок, и не было отмечено ни одного случая заболевания цингой.

Однако такие чисто эмпирические достижения при отсутствии необходимых теоретических обоснований внедрялись очень медленно. В XIX в. главные откры­тия в области питания относились к выявлению роли белка. Было установлено, что одни белки, «полноцен­ные», присутствуя в пищевом рационе, могут поддер­живать жизнь, другие, «неполноценные», вроде жела­тина, не в состоянии делать этого. Объяснение при­шло, лишь когда лучше узнали природу молекулы белка. В 1820 г., обработав кислотой сложную молекулу желатина, выделили из нее простую молекулу, которую назвали глицином. Глицин принадлежит к классу аминокислот. Вначале предположили, что он и служит строительным блоком для белков, подобно тому как простой сахар, глюкоза, — кирпичиком, из которого строится крахмал. Однако к концу XIX в. выяснилась несостоятельность этой теории. Из самых различных белков были получены другие простые мо­лекулы — все они, различаясь только деталями, при­надлежали к классу аминокислот. Молекула белка оказалась построенной не из одной, а из целого ряда аминокислот.

К 1900 г. были известны десятки раз­личных аминокислот. Было также показано, что разные белки содержат аминокислоты в разных соотношениях. Первым открыл незаменимую аминокислоту английский биохимик Фре­дерик Гопкинс (1861 —1947). В 1903 г. он от­крыл новую аминокислоту — триптофан — и разработал методы ее выявления. Зеин — белок, выделенный из кукурузы, не содержал триптофана. Он оказался неполноценным белком, так как, будучи единствен­ным белком в рационе, не обеспечивал жизнедеятель­ности организма. Но уже небольшая добавка трипто­фана позволяла продлить жизнь подопытных жи­вотных.

В первом деся­тилетии XX в. стало ясно, что некоторые амино­кислоты могут синтезироваться в организме млекопитающих из других веществ. Однако часть аминокислот обязательно должна поступать с пищей. Отсутствие одной или нескольких таких «не­заменимых» аминокислот и делает белок неполноцен­ным, приводя к заболеванию, а иногда и смерти. Так было введено понятие о добавочных питательных факторах — соединениях, которые не могут синтези­роваться в организме животных и человека и для обеспечения нормальной жизнедеятельности обяза­тельно должны входить в пищу.

После разработки учения о существенно важных для жизни аминокислотах были выявлены бо­лее тонкие пищевые факторы, нужные организму лишь в ничтожных количествах, - витамины.

В 1886 г. голландского врача Кристиана Эйкмана (1858—1930) послали на Яву для борьбы с болезнью бери-бери. Были основания думать, что эта болезнь возникает в результате неправильного питания. Япон­ские моряки сильно страдали от бери-бери и переста­ли болеть, лишь когда в
80-х годах XIX столетия в их пищевой рацион, состоявший почти исключительно из риса и рыбы, ввели молоко и мясо. Эйкман, однако, будучи в плену микробной теории Пастера, был убеж­ден, что бери-бери — бактериальная болезнь. Он при­вез с собой кур, надеясь заразить их микробами. Но все его попытки успеха не имели. Правда, в 1896 г. куры неожиданно заболели болезнью, похожей на бери-бери. Выясняя обстоятельства заболевания, уче­ный обнаружил, что именно перед вспышкой болезни кур кормили шлифованным рисом с больничного склада продуктов. Когда их перевели на прежний корм (неочищенный рис), наступило выздоровление. Постепенно Эйкман убедился, что эту болезнь можно вызывать и излечи­вать простым изменением рациона.

Вначале ученый не оценил истинного значения по­лученных данных. Он предположил, что в зернах риса содержится какой-то токсин, который нейтрализуется чем-то содержащимся в оболочке зерна, а так как при обдирке риса оболочку удаляют, то в шлифован­ном рисе остаются активные токсины. Но зачем создавать гипотезу о наличии двух неизвест­ных веществ, токсина и антитоксина, когда гораздо проще предположить, что существует один пище­вой фактор, нужный в ничтожных количествах? Та­кого мнения придерживались Гопкинс и американский биохимик Казимир Функ. Они выска­зали мысль, что не только бери-бери, но и такие за­болевания, как цинга, пеллагра и рахит, объясняются отсутствием в пище ничтожнейших количеств опреде­ленных веществ.

Полагая, что эти вещества принадлежат к классу аминов, Функ предложил в 1912 г. называть их витаминами (амины жизни). На­звание привилось и сохранилось поныне, хотя с тех пор и выяснилось, что они никакого отношения к ами­нам не имеют.

Витаминная гипотеза Гопкинса — Функа была пол­ностью сформулирована, и первая треть XX в. пока­зала, что различные заболевания могут излечиваться назначением разумного рациона и режима питания. Например, американский врач Джозеф Гольдбергер (1874—1929) обнаружил в 1915 г., что болезнь пеллаг­ра, распространенная в южных штатах США, отнюдь не микробного происхождения. В самом деле, она вы­зывалась отсутствием какого-то витамина и исчезала, как только к рациону больных добавляли молоко.

Необходимо отметить, что ещё в 1880 г. русский ученый Николай Иванович Лунин (1853— 1937) впервые в истории науки экспериментально доказал, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, со­держатся и другие вещества, необходимые для поддержания жизни (впоследствии названные витаминами).

Вначале о витаминах было известно лишь то, что они способны предупреждать и лечить определенные за­болевания. В 1913 г. американский биохимик Элмер Макколлум предложил назы­вать витамины буквами алфавита; так появились ви­тамины А, В, С и D, а потом к ним добавили и вита­мины Е и К. Выяснилось, что пища, содержащая ви­тамин В, в действительности содержит более одного фактора, способного воздействовать более чем на один симптомокомплекс. Биологи заговорили о вита­минах В₁, В₂ и т. д.

Оказалось, что именно отсутствие витамина B₁ вы­зывало бери-бери, а отсутствие - витамина В₂ — пел­лагру. Отсутствие витамина С приводило к цинге (на­личием небольших количеств витамина С в соке цитрусовых и объясняется их целительное действие, позволившее Линду вылечить цингу), отсутствие ви­тамина D — к рахиту. Нехватка витамина А влияла на зрение и вызывала куриную слепоту. Недостаток витамина В₁₂ вызывал злокачественное малокровие. Таковы основные болезни, обусловливаемые витамин­ной недостаточностью. По мере накопления знаний о витаминах все эти болезни перестали быть серьезной медицинской проблемой. Уже с 30-х годов XX столе­тия стали выделять витамины в чистом виде и осуществлять их синтез.