ФЕРМЕНТАЦИЯ

 

Успехи калориметрии в последней половине XIX в. оставили витализму одну лазейку: протеиновая природа — против непротеиновой.

Хотя закон сохранения энергии выполняется как для живых форм жизни, так и для неживых, но неодолимая преграда лежит между методами получения этой энергии.

Вне живого организма сгорание сопровождается выделением большого количества тепла и света. Скорость сгорания велика, и разрушения после него значительны. Сгорание веществ при питании не дает ни света, ни ощутимого тепла. Температура тела остается примерно одинаковой. Процесс сгорания внутри организма идет медленно и под совершенным контролем. Живая материя не требует для процесса внутреннего сгорания ни электротока, ни подвода тепла, ни сильных реагентов.

Разве это не фундаментальная разница?

Либих указывал на ферментацию как на пример: с доисторических времен человек сбраживал фруктовые соки для виноделия и зерно — для пивоварения. Для хлебопечения использовалась закваска. Все эти химические реакции касаются органических веществ. Сахар, крахмал преобразуются в алкоголь, и это напоминает реакции, идущие в живой ткани. Однако ферментация не требует сильных реагентов и катализаторов; она идет при комнатной температуре. Либих утверждал, что ферментация — чисто химический процесс. Он настаивал на том, что тут не затрагивается жизнь как таковая.

Со времен ван Левенгука было известно, что дрожжи состоят из пузырьков. Те не проявляли особых признаков живого, но в 1837 г. Шванн наблюдал почкование этих пузырьков. Поскольку это был явно процесс размножения, то можно было отнести дрожжи к живым организмам. Биологи заговорили о дрожжевых клетках, однако Либих не принял живой природы дрожжей.

Французский химик Луи Пастер (1822 — 1895) в 1856 г. был приглашен для консультации самыми знаменитыми виноделами страны. Миллионы франков бросались на ветер из-за того, что с возрастом вино и пиво делались кислыми. Как решить эту проблему?

Пастер обратился к микроскопу. Он сразу же обнаружил, что при правильном старении пива и вина они содержали крошечные сферические дрожжевые клетки. При прокисании эти клетки удлинялись. Значит, дрожжи бывают двух типов: одни производят алкоголь, другие — сбраживают вино. Осторожное нагревание прокисшего вина убивало дрожжи и останавливало процесс. Если это делалось в нужный момент, напиток был спасен!

Итак, Пастер выяснил, что, во-первых, дрожжевые клетки — живые клетки, а во-вторых, только живые, а не мертвые дрожжи могут вызывать ферментацию.

Противоречие между Либихом и Пастером разрешилось победой Пастера и... витализма. Пастер приступил к своему знаменитому эксперименту по доказательству спонтанного размножения.

В 1860 г. он прокипятил и стерилизовал мясную вырезку и оставил ее в незакрытой колбе на воздухе. Хотя к мясу существовал доступ воздуха, горло колбы было хитро изогнуто в виде буквы «S», поэтому все частицы пыли оседали в изгибе. В таких условиях на мясе не могли поселиться микроорганизмы, но при удалении изгиба горла колбы мясо сей же час протухало. Пастер доказал, что дело не в кипячении, которое убивает жизненное начало, а в недоступности пыли, содержащей микроорганизмы.

В 1850-х годах, в преддверии опыта Пастера, немецкий врач Рудольф Вирхоф при изучении зараженной ткани доказал, что больные клетки происходят от нормальных.

Причем процесс разрушения клеток идет постепенно, без внезапного нарушения структуры и содержимого. Рудольф Вирхоф стал основателем современной науки патологии. Вместе с Пастером они доказали, что, будь то целый организм или часть многоклеточного организма, вначале всегда бывает клетка. С тех пор живое было отделено от неживого неодолимой преградой. Никогда витализм еще так не укреплял свои позиции.

 

 

 

ЭНЗИМЫ

 

Еще в XVIII в. химики осознали, что иногда реакцию можно ускорить при помощи вещества, которое само по себе в реакции участия не принимает. Наблюдения такого сорта накапливались, пока не привлекли серьезного внимания ученых в XIX в.

Русский химик Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) в 1812 г. показал, что если прокипятить крахмал вместе с разведенной кислотой, то он распадется до глюкозы — простого сахара. Этого не случится, если кислота отсутствует, и все же кислота, как таковая, не принимает участия в реакции.

Четырьмя годами позже английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) обнаружил, что платиновые провода провоцировали соединение спиртов с кислородом. Сама платина в реакции не участвовала.

Эти и другие примеры привлекли внимание Берцелиуса, который в 1836 г. предложил для таких явлений термин «катализ». Это греческое слово означает «разрушение». Обычно спирт горит в кислороде только после нагревания при высоких температурах, когда возгораются его пары. В присутствии платинового катализатора та же реакция происходит без предварительного нагревания. Можно поспорить, идут ли химические процессы в живой ткани, поскольку именно в живых тканях присутствуют определенные катализаторы, которых нет в неживой природе.

И в самом деле, в 1833 г., незадолго до Берцелиуса, французский химик Ансельм Паузн (1795 — 1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое могло разлагать крахмал до простых Сахаров еще быстрее, чем любая кислота. Он дал веществу наименование диастаз. И диастаз, и другие подобные ему вещества были впоследствии названы ферментами из-за преображения крахмала в сахара: именно этот процесс являет собой ферментизация зерна. Вскоре ферменты были экспериментально получены из животных организмов. Первые из них добывались из желудочных соков. Реамюр показал, что пищеварение — химический процесс, и в 1824 г. английский врач Уильям Прут (1785 — 1850) выделил из желудочного сока соляную кислоту. Она был строго неорганическим веществом. Поначалу это поразило ученых, однако в 1835 г. Шванн, один из основателей клеточной теории, получил экстракт желудочного сока, который не содержал соляной кислоты, но разлагал мясо быстрее, чем кислота. Это вещество Шванн назвал пепсином (от греческого слова, в переводе означающего «переваривать»); это и был истинный фермент. Постепенно были открыты и другие ферменты; стало совершенно очевидным, что ферменты — это и есть катализаторы процессов, идущих в живых тканях; химики не могли ранее синтезировать некоторые вещества, производимые в этих тканях, поскольку не имели в своем арсенале таких катализаторов. Протеины оставались щитом виталистов, и витализм быстро прозрел, что ферменты — белковые по природе образования, хотя это не было доказано вплоть до XX в.

Слабым местом для виталистов, однако, оставалось то, что некоторые ферменты «срабатывали» как внутри клетки, так и вне ее. Ферменты, изолированные от пищеварительных соков, выполняли свою работу в тестах. Можно было предположить, что, если получить хотя бы один из ферментов, любую реакцию, идущую в живом организме, удалось бы воспроизвести. Более того, ферменты следовали тем же правилам, что неорганические катализаторы, например кислоты или платина.

Следуя виталистической позиции, ферменты, выделенные из пищеварительных соков, выполняли свою роль как внутри, так и вне клетки. Пищеварительный сок, циркулирующий внутри пищеварительного тракта, можно было налить и в трубку в эксперименте. Виталисты настаивали, что химики не в силах смоделировать эти процессы.

Ферменты к тому времени были разделены на две группы: неорганизованные ферменты, работающие также вне клетки, например пепсин; организованные ферменты, работающие только внутри клетки, которые заставляли дрожжи превращать сахар в алкоголь.

В 1876 г. немецкий физиолог Вильгельм Кюн (1837 — 1900) предложил использовать слово «фермент» только для процессов, требующих присутствия живого материала. Те ферменты, которые, будучи выделенными, могли работать вне клетки, он предложил называть энзимами (от греческого слова, означающего «дрожжи»).

В 1897 г. позиция виталистов в целом была подорвана немецким химиком Эдуардом Бюхнером (1860—1917). Он растер клетки дрожжей с песком до полного уничтожения, а затем профильтровал полученный материал, выделив клеточный дрожжевой сок. Ученый предполагал, что этот сок не обладает ферментизирующей способностью. Он добавил сок к сахару и, к своему изумлению, обнаружил, что сахар начал медленно ферментизироваться, хотя вся смесь была абсолютно неживой. Бюхнер продолжил эксперименты, убивая дрожжи спиртом, и обнаружил, что мертвые клетки дрожжей ферментизируют сахар так же, как и живые.

К концу XIX в. было признано, что все ферменты, как организованные, так и неорганизованные, можно выделить из клеток и заставить проделывать работу вне клеток. Термин «энзим» был применен ко всем ферментам, и было, наконец, признано, что клетка не содержит некоей жизненной силы.

Позиции Пастера и виталистов пошатнулись. Ферментация шла вне клетки, без некоей жизненной силы. Однако и тогда позиции виталистов не были разгромлены. Еще много необходимо было узнать о молекуле протеина (как об энзимах, так и неэнзимах), и не было уверенности в том, что жизненная сила не проявит себя как-либо еще.

До сих пор некоторые биологи стоят на виталистских позициях; однако общепринято в биологии, что живые формы подчиняются тем же законам, что и неживые; в лабораторных условиях можно смоделировать практически все ситуации.

Победу одержала механистическая точка зрения.