книги из ГПНТБ / Кретович В.Л. Введение в энзимологию
.pdfИ |
'? |
? |
V |
i |
’ |
"1 |
I |
8 |
• |
||
i —i. |
A |
> |
4 |
v |
.»■ |
|
'ЧТ |
|
* V |
|
|
у»
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ БИОХИМИИ дм. А. Н. БАХА
В . Л . К р е т о в и ч
ВВЕДЕНИЕ В ЭНЗИМОЛОГИЮ
Издание второе, переработанное и дополненное
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «НАУКА» Мо с к в а 197 4
УДК 577.15
В. Л. К р е т о Dи ч. Введение в энзн.мологіпо. М., «Наука», 1974 г., стр. 1—352.
Книга представляет собой изложение основных положений со временного учения о ферментах. Во введении охарактеризованы предмет и задачи энзимологнн, а также дан краткий исторический очерк развития учения о ферментах. Далее рассматриваются со временные представления о структуре белков, методы выделения и очистки ферментов, подробно описываются коэнзимы, даются ос новные положения кинетики ферментативного катализа, излага ются данные о специфичности и механизме действия ферментов. Особая глава посвящена изложению основных принципов клас сификации и номенклатуры ферментов и’ рассмотрению отдельных представителей всех классов и подклассов. На основе сведений о механизме синтеза белка рассматривается проблема биосинтеза ферментов. Последняя глава книги посвящена регулированию действия ферментов в живой клетке.
Второе издание переработано и дополнено автором с учетом новейших достижений энзнмологип.
Книга рассчитана на широкий круг читателей — научных ра ботников студентов, аспирантов, а также практических работни ков, которые в своей деятельности соприкасаются с вопросами энзнмологнп.
Илл. 121, схем 49, табл. 12, бпбл. 9 стр.
© Издательство «Наука», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Воснову данной книги положены лекции по энзимологии, читаемые автором в Московском технологическом институте пищевой промышленности для студентов спе циальности «Химическая технология ферментных препа ратов».
Внастоящее время эизимология представляет собой один из наиболее бурно развивающихся разделов биохимии. Это объясняется прежде всего той ролью, которую ферменты играют в биологическом обмене веществ. Благодаря исклю чительной эффективности и специфичности ферментатив ного катализа обеспечивается лежащее в основе обмена веществ строго согласованное взаимодействие различных ферментативных систем. Естественно, что каждый биолог, работающий в той или иной области экспериментальной биологии, должен быть вооружен знанием основных по ложений современной энзимологии.
Наука все более и более приближается к пониманию механизма д р й с т в п я ферментов и осуществлению мечты о получении на этой основе высокоэффективных катали заторов, с помощью которых можно будет создавать но вые технологические процессы для получения удобре ний, пищевых продуктов, лечебных препаратов, раз личных материалов.
Впоследние годы бурно развивается промышленность ферментных препаратов, используемых в научных иссле дованиях, в клинической практике и разнообразных отрас лях народного хозяйства. Необходимо подчеркнуть, что развитие ферментной промышленности целиком и пол ностью зависит от успехов и достижений теоретической энзимологии. Поэтому в подготовке специалистов для промышленности ферментных препаратов курс энзимо логии должен быть важнейшим теоретическим курсом.
3
Вместе с тем старые и недавно возникшие отрасли биохи мической промышленности — сыроделие, пивоварение, ви ноделие, хлебопечение, чайная, табачная, витаминная и антибиотическая промышленность, производство амино кислот, органических кислот и различных физиологиче ски активных соединений основаны на использовании раз нообразных ферментативных процессов. Поэтому специа листы, работающие в этих отраслях промышленности, должны быть в курсе современного учения о ферментах,
и |
автор надеется, что данная |
книга |
окажется полезной |
п |
для них. |
|
|
|
Предполагая продолжить |
работу |
по совершенство |
ванию данного курса, автор был бы весьма признателен за замечания и пожелания, которые помогли бы улуч шить книгу.
«Ферменты есть, так сказать, первый акт жиз ненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этнмн веществами, они есть возбудители всех химических превра щений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, бла годаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни. Они со ставляют основной пункт, центр тяжести фи зиолого-химического знания».
И. П. Па в л о в
ВВЕДЕНИЕ
Энзимология, или ферментология, является наукой об энзи мах (иначе ферментах) — биологических катализаторах белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способ ностью активировать различные химические соединения.
Слово «энзим» происходит от |
древнегреческого «эн зюме», |
что значит «в дрожжах», а слово |
«фермент» — производное от |
латинского fermenium, т. е. «закваска».
Ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни биоло гический обмен веществ. Поэтому энзимология составляет важ нейший раздел современной биохимии.
В последние годы с помощью высокоочищенных ферментных препаратов, расщепляющих лишь строго определенные связи, удалось расшифровать структуру ряда белков и нуклеино вых кислот. Таким образом, высокоочищенные препараты фер ментов являются важным средством для расшифровки строения био полимеров.
Вместе с тем ферменты имеют большое практическое значение, так как многие отрасли промышленности — виноделие, пивова рение, производство спирта, хлебопечение, сыроделие, производ ство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов и анти биотиков основаны на использовании различных ферментатив ных процессов. Поскольку каталитическое действие ферментов отличается исключительной эффективностью и специфичностью, не имеющей себе равных при иефермептативиом катализе, свой ства ферментов и механизм их действия привлекают к себе при стальное внимание химиков, стремящихся на основе познания сущ ности ферментативного катализа создать новые, более совершен ные катализаторы для химической промышленности.
Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицинской и агрономической практике — ле-
5
царственных веществ, стимуляторов роста растений, гербицидов, фунгицидов и инсектицидов, в конечном счете сводится к тому, что эти соединения стимулируют или ингибируют то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Поэтому совершенно очевидно, что изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов и ингибиторов имеет первостепенное значение для медицины и сель ского хозяйства.
Наконец, интерес к изучению ферментов усугубляется еще тем, что препараты ферментов находят все более широкое приме нение в ряде отраслей промышленности, в сельском хозяйстве, медицине и исследовательской работе. Практическое применение ферментов вызвало к жизни новую отрасль промышленности — промышленность ферментных препаратов. В настоящее время различные фирмы США, Европы и Японии выпускают свыше 150 ферментов в виде высокоочищенных, а многие в виде кристалли ческих препаратов.
Круг вопросов, изучаемых эизимологией, весьма разнообра зен. Это прежде всего разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их состава и молекулярной структуры. Далее, это изучение условий и скорости действия ферментов, а также влияния иа них разнообразных физических и химических факторов. Кардинальной проблемой энзимологии яв
ляется |
выясиепие механизма каталитического действия ферментов |
||
и установление связи между молекулярной |
структурой |
фер |
|
мента |
и его каталитической активностью. |
Образование |
фер |
ментов в живой клетке, регулирование их действия, роль фермен тов в осуществлении различных физиологических функций и эво люция ферментов в связи с возникновением и эволюцией жизни составляют обширный круг важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых энзимологами.
Уже иа заре цивилизации человек в своей практической дея тельности сталкивался с различными ферментативными процес
сами |
и использовал их. |
Спиртовое и молочнокислое бро |
жение, |
применение сычуга |
при приготовлении сыров, использо |
вание солода, слюпы и плесневых грибов для осахаривания крах малистого сырья, применение заквасок при изготовлении хлеба — все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамят ных времен. Однако экспериментальное изучение ферментатив ных процессов началось лишь во второй половине XVIII столе тия, когда французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр и итальянский натуралист Ладзаро Спалланцани описали свои опыты по перевариванию мяса в желудке птиц. Они заставляли индюков и хищных птиц глотать кусочки мяса, привязанные к тонкой металлической цепочке; когда затем через несколько часов такую цепочку вынимали из клюва птицы, то оказывалось, что за это время мясо полностью растворялось под действием пищевари тельных соков. Это растворяющее действие навело Спалланцани
6
на мысль о необходимости исследования особенностей химиче ского состава пищеварительных соков. Однако первое точное химическое исследование сложного ферментативного процесса было осуществлено лишь в 1789 г. одним из великих создателей современной химии — Антуаном Лораном Лавуазье, который, пользуясь разработанными им методами количественного хими ческого анализа, впервые дал баланс продуктов спиртового бро жения, подтвержденный и уточненный в 1810 г. Ж. Л. Гей-Люс саком.
В1814 г. действительный член Петербургской академии наук
К.С. Кирхгоф опубликовал результаты своих опытов, показав ших, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким обра зом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы в виде раствора, и мы с полным правом можем считать дату появления работы Кирхгофа датой возникновения эпзимологии. Вскоре после появления работы Кирхгофа французский химик П. Ж. Робике показал (1830 г.), что в плодах горького мин даля содержится растворимое белковое вещество, которое вызы
вает гидролиз глгокозида амигдалина; позже оно было названо э м у л ь с и н о м.
Важной вехой в истории развития энзимологии явилась ра бота французских химиков А. Пайеиа и Ж. Ф. Персо, которые в 1833 г. опубликовали свое исследование, доказавшее, что опи санное Кирхгофом активное начало может быть выделено в виде порошка путем осаждения спиртом водной вытяжки, полученной из солода. Это активное начало было названо ими д и а с т а з . Таким образом, работа Пайена и Персо показала, что ферменты могут быть получены не только в виде растворов, но п в виде сухих растворимых препаратов. В 1835 г. Форе описал действие фермента сипигрипазы, гидролизующего глюкозид синигрии, содержащийся в семенах черной горчицы, годом позже Т. Шванн описал пепсин, в 1846 г. А. Дхобранфо открыл в дрожжах раст воримый фермент иивертазу, а в 1856 г. Ж. Корвизар открыл трипсин. К середине XIX столетия накопился уже значительный экспериментальный материал о распростраиении и свойствах ферментов.
Важную роль в развитии представлений о природе фермен тов сыграла деятельность знаменитого немецкого химика Юстуса Либиха, который вместе со своими многочисленными учениками уделял большое внимание изучению белков и ферментов. Ли бих, стремясь обобщить имевшиеся в то время в его распоряже нии сведения о природе ферментов и сущности брожения, вы сказал взгляд, согласно которому все процессы брожения явля ются чисто химическими, вызываемыми растворимыми фер ментами, подобными эмульсину миндаля или диастазу солода. Однако в 1856 г. были начаты знаменитые работы осиователя современной микробиологии, великого естествоиспытателя
7
Луи Пастера, посвященные природе брожений. Пастер своими опытами развивал представление о том, что брожение может быть вызвано только лишь живыми микроорганизмами и является неотъемлемым атрибутом их жизни. Вся блестящая аргумента ция Либиха и авторитет таких выдающихся ученых, как знаме нитый физиолог Клод Бернар и крупнейший химик Марселей Бертло, также стоявших на точке зрения химической природы брожений, не смогли поколебать железную логику эксперимен тов Пастера. Необходимо, правда, отметить, что Пастер саді предпринимал неоднократные попытки получить бесклеточный дрожжевой сок, который бы мог вызвать спиртовое брожение. С этой целью он подвергал дрожжи действию высоких давлений, растирал их с песком. Однако его опыты, так же как и опыты других исследователей в этом направлении, в то время не увен чались успехом.
Результаты исследований Пастера привели к разграничению растворимых ферментов, получаемых в виде экстрактов или бес клеточных ферментных препаратов, и микроорганизмов, вызы вающих различные брожения. Первые получили название «неор ганизованных ферментов», а вторые были названы «организован ными ферментами». Однако, несмотря на неудачи попыток полу чения из дрожжей бесклеточных экстрактов, способных вызывать спиртовое брожение, многие физиологи и химики все же продол жали придерживаться того мнения, что «организованные фер менты» обязаны своим действием присутствию в них растворимых, «неорганизованных» ферментов. Поскольку такое двоякое пони мание термина ф е р м е н т вносило некоторую путаницу, В. Кюне в 1878 г. предложил называть «неорганизованные» фер менты э н з и м а м и — термином, который с тех пор прочно вошел в науку.
Спор Либиха и Пастера о природе брожений был разрешен в 1897 г. работами немецкого ученого Эдуарда Бухнера, которому удалось, растирая дрожжи с инфузорной землей и подвергая их затем прессованию под очень сильным давлением, получить не содеряшвший клеток дрожжевой сок, вызывающий спиртовое бро жение. Таким образом, процесс брожения был осуществлен с по мощью содержавшихся в дрожжевом соке растворимых фермен тов. На основе этого открытия позже самым детальным образом была изучена каталитическая система дрожжевого сока и отдель ные ферменты, входящие в ее состав. Нужно отметить, что боль шую роль в развитии исследований, посвященных изучению фер ментов, вызывающих спиртовое брожение, сыграл простой и удоб ный метод получения так называемых ацетоновых порошков и бесклеточных ферментных экстрактов из дрожжей, предложенный профессором Московского университета А. Н. Лебедевым.
Открытие Э. Бухнера имело очень большое принципиальное значение, так как оно показало, что такой сложный физиологи ческий процесс, как спиртовое брожение, является следствием
8
действия |
растворимых фермен |
|||||
тов и может быть воспроизведен |
||||||
без участия |
живых |
клеток. |
||||
Прекрасную |
характеристику |
|||||
значения работ Э. Бухнера дал |
||||||
в свое время К. А. Тимирязев, |
||||||
который в предисловии к пере |
||||||
воду |
на |
русский |
язык книги |
|||
Д. Р. |
Грина «Растворимые фер |
|||||
менты |
и |
брожение», |
изданной |
|||
в 1905 г., писал: «Начавшиеся |
||||||
с 1897 года работы |
Э. Бухнера, |
|||||
которые |
уже |
теперь, |
несмотря |
|||
на их |
недавиость, можно |
при |
||||
знать |
классическими, |
нанесли |
||||
смертельный |
удар |
виталисти |
||||
ческой теории |
брожений. |
Ему |
||||
первому несомненным |
образом |
|||||
удалось |
доказать, |
что и явле |
||||
ние спиртового брожения |
сво |
|||||
дится |
на |
химический |
процесс, |
|||
легко воспроизводимый вне |
ор |
|||||
ганизма |
при |
помощи извлекаемого из разрушенных клеточек |
||||
растворимого |
фермента. Таким образом пал искусственный дуа |
лизм — деление ферментов на организованные и неорганизован ные, на ферменты существа и ферменты вещества, который всегда был только результатом непоследовательности научного мыш ления его защитников» (Тимирязев, 1939, стр. 489).
Спор о природе брожений и открытие Э. Бухнера стимулиро вали интенсивное исследование ферментативных процессов, и уже к началу нынешнего столетия было открыто значительное чис ло ферментов.
Ученик Пастера Эмиль Дюкло предложил название фермента производить от названия субстрата, на который данный фермент действует, прибавляя к нему окончание «аза». Это пред ложение было принято и применяется до настоящего времени. Правда, нужно отметить, что для некоторых ферментов сохра нены тривиальные названия, не подчиняющиеся этому правилу, как, например, пепсин, трипсин, химотрипсин, папаин.
Важным этапом в развитии энзимологии явились работы великого немецкого химика Эмиля Фишера, который в начале ны нешнего столетия обосновал современные представления о спе цифичности действия ферментов и развил свое ставшее общеиз вестным положение о том, что фермент подходит к своему суб страту, как «ключ к замку». В лаборатории Эмиля Фишера начали свою деятельность многие выдающиеся биохимики и энзимоло ги — Эмиль Абдергальден и Макс Бергманн, известные своими исследованиями по протеолитическим ферментам, один из кори
9