2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии

Содержание понятий «биохимия» и-«биоорганиче­ская химия» в известной степени условно. Здесь говорится о них лишь с единственной целью — проследить пути развития исследова­ний, направленных на выяснение как субстанционального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие исследования осуществлялись и «чистыми» химиками-органиками, и биохимиками, и даже медика­ми. У каждой из этих трех групп специалистов были свои цели. Хи­миков-органиков увлекали перспективы синтеза все более сложных веществ путем конструирования их молекул с целью показа возмож­ностей искусственного получения аналогов органических соедине­ний, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Меди­ки стремились выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим же началом всех этих исследований является не столько объект — живой организм, сколько аналитиче­ский путь исследования — от живого организма к изучению веществ, а затем и процессов, его составляющих. Здесь важно подчеркнуть и еще одно обстоятельство, связанное с темой настоящей книги, а именно появление на определенной ступени развития биохимии идеи о ведущей роли ферментов, а затем еще шире биорегуляторов, в процессе жизнедеятельности. В конечном итоге эта руководящая

174

идея возникла и превратилась в нить Ариадны при изучении химиз­ ма живой природы именно в недрах биохимии, хотя и не без I помощи «чистой» химии, как о том свидетельствуют труды Берце- лиуса.

В биохимии и органической химии существует некая обширная общая область. Биологи называют ее статической биохимии. Хими-ки же рассматривают ее как одну из основных областей структурной органической химии. Речь идет об открытии, химическом анализе и изучении строения характерных для живой природы веществ. Исторические корни этой области уходят в далекое прошлое, но она не утратила своей актуальности и теперь. И нельзя не отметить, что к ней относятся даже такие поистине эпохальные исследования, как раскрытие структуры терпенов и сесквитерпенов Л. Ружичкой, хлорофилла и гемина Р. Вильштеттером и Г. Э. Фишером, холевых кислот и стероидов О. Виландом и А. Виндаусом, моно- и поли­сахаридов У. Н. Хеуорсом, каратиноидов и флавинов Р. Куном и П. Каррером. Все эти исследования отмечены Нобелевскими пре­миями.

Изучение субстанционального состава живого организма носило не только аналитический характер. А. Бутенанд, например, не толь­ко выделял в кристаллическом виде андростерон (для получения 15 мг которого ему понадобилось переработать 15 тонн мочи), но и синтезировал эстрон (Ci₈H22O₂) и прогестерон (C2iH₃oO₂). P. Робин­сон выделил ряд алкалоидов, чтобы установить их строение, и вме­сте с тем синтезировал бикукуллин и берберин. В. Дю-Виньо осу­ществил в 1932 г. первый структурный анализ и первый синтез по­липептидного гормона — окситоцина, а затем и витаминов груп­пы В. И, наконец, триумфальным в этом направлении исследований является ювелирный труд Ф. Сэнгера, установившего полную структуру инсулина(C254H377N65O75S6), и принципиальный синтез этого белка методами классической органической химии, осущест­вленный тремя группами химиков (в США, ФРГ и Китае) с вы­ходом (!) 0,02—0,07%.

Но при всех необычайных успехах «статической биохимии», а в равной мере и структурной органической химии по расшифров­ке состава и строения сложных химических соединений — фрагмен­тов живого организма, исследования в этом направлении служили и служат всего лишь предпосылкой по отношению к более важным и, конечно, более сложным исследованиям химических_процессов жизнедеятельности. Эти последние исследования до~середины XX в. составляли так называемую динамическую биохимию, теперь же они относятся и к биоорганической химии, и к молекулярной биологии, и к такой сугубо синтетической науке, которую назвали физико-хихимической биологией.

Исторические корни динамической биохимии являются тоже до­вольно глубокими. Еще на рубеже XVIII и XIX вв. в физиологии различали процессы дыхания и брожения, ассимиляции и дисси-

175

миляции, как некие превращения вещества. История изучения бро­жения— наиболее типичный пример исследования живой природы.. В нем, как в зеркале, отразились все трудности и все перипетии' проникновения в тайны живого: и вера в жизненную силу, и на­дежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельно­сти организмов, и упрощенные представления Либиха и Бертло о брожении как действии «обычных химических сил», и гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожением и ферментативной деятельностью дрожжевых клеток, и, наконец,, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциа­ции, а вслед за этим — участия на различных стадиях процесса брожения аденозинтрифосфорной кислоты, изомеразы, альдола-зы, козимазы, 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, энолазы, де-гидразы.

Исследование явлений брожения явилось своего рода и проло­гом и программой дальнейшего развития области знаний о процес­сах жизнедеятельности, хотя, конечно, оно и не исчерпывало всего объема информации о ферментах, накопленного наукой в XIX— XX вв. Именно исследование явлений брожения выявило две про­тивоположные, но отнюдь не альтернативные концепции в изучении биокатализа вообще. Их только весьма условно можно назвать химической и биологической. Они выступали во взаимодействии, в борьбе, субъективно отвергая друг друга, но объективно помогая друг другу познать истину. Наиболее видными адептами химиче­ской концепции в XIX в. были Ю. Либих, М. Бертло, X. Ф. Шен-бейн, Г. Тамман, Э. Фишер, а биологической, если говорить дейст­вительно о видных ученых, — пожалуй, лишь Л. Пастер. Только в XX в. биологическая концепция стала располагать множеством имен, причем имен крупнейших ученых!

Знакомство с этими противоположными концепциями интересно как раз в смысле выяснения различий между третьей и четвертой концептуальными системами химии, т. е. между учением о химичес­ком процессе без привнесений в него идей бионики и эволюционной химии, которую ведь тоже следует рассматривать как учение о хи-мическом процессе, но только как учение о высших формах хи­мизма.

л Химическая концепция брожения, базирующаяся на. триумфе препаративного органического синтеза, в тенденции сводила весь биокатализ к обычному химическому катализу. И несмотря на зна­чительные упрощения в познании действительности, ее заслуги в развитии энзимологии бесспорны и велики. Именно она помогла установить многие положения, прочно вошедшие в современную энзимологию, а именно: 1) аналогию между биокатализом и ката­лизом, между ферментами и катализаторами; 2) положение о на­личии в ферментах двух неравноценных компонентов — своего рода активных центров и носителей; 3) заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих ферментов;

176

4) вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; 5) сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами (гидролиз крахмала до глюкозы — дале­ко не единственный случай). Все это нашло отражение в следую­щем утверждении С. Аррениуса: «После того, как в биологической химии были открыты некоторые соотношения, подобных которым не было известно в общей химии, естественно, стали утверждать, что основные законы, действующие в обеих этих областях, различ­ны; физиологи держались по преимуществу этого направления. Но гораздо лучшим приемом исследования являются поиски ана­логичных явлений в общей химии. Если таковые в ней находятся, они оказываются в большинстве случаев гораздо легче объяснимы­ми; а после того, как для них бывает найдено удовлетворительное объяснение, вполне естественным является его же применение к биохимическим проблемам, которые тем самым оказываются выяс­ненными до конца» [16, с. 13].

В основном так именно и происходило в развитии энзимологии до тех пор, пока и химики и биологи еще не видели тех принципи­ально различных уровней материальной организации, на которых осуществляются химические, .процессы inVitro.*—и биохимические in vivo**. Аррениус в своих утверждениях прав тоже до тех пор, пока познание живого осуществляется в русле дозволенной идеали­зации объекта, — его упрощения и омертвления. Идеализация объ­екта— один из необходимых путей познания. Но Аррениус воз­ложил на химию чересчур большие функции в решении «биохими­ческих проблем ... до конца», не заметив в силу объективных обстоятельств своего времени дозволенных границ идеализации. Теперь известно, что химическая концепция в энзимологии не смог­ла доказать постулируемое ею тождество между катализом и био­катализом.

Биологическая концепция на первых этапах развития энзиму-логин (XIX в. — первая треть XX в.) не имела под собой столь мощ­ной основы, какая находилась под химической концепцией. С раз­витием органического синтеза и проникновением катализа в хими­ческую промышленность она лишилась виталистической основы да­же и в ее новом варианте, ибо химия разрушила саму необходи­мость обращения к каким-либо надхимическим, или, в общем случае, надмеханическим силам, под каким бы термином они ни выступали. Известным основанием биологической концепции слу­жили работы Ш. Каньяр-Латура, Т. Шванна, Ф. Кютнинга и 3. Тюрпена, указавшие на то, что дрожжи относятся_не к химиче-. ским соединениям, а к живым организмам. Но и эти работы были отвергнуты, хотя и не опровергнуты химиками. Конечно, самой

* In vitro (лат.) — буквально «в склянке», т. е. вне организма. ** In vivo (лат.) —на живом организме.

177

фундаментальной опорой биологической концепции были труды Л. Пастера, в частности его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, его открытие масляно-кислого брожения и существование анаэробиоза, т. е. способности микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения без доступа кислорода воздуха. Одним из самых веских оснований, которые послужили Пастеру в его непоколебимой уве­ренности, в его выводах об особом уровне материальной организа­ции ферментов, является открытая им строгая стереоспецифичность живой природы. Но, как известно, и эти основания были если не отвергнуты, то отодвинуты на задний план открытием внекле­точного брожения, а позиция Пастера была объявлена виталисти­ческой.

Но теперь известно и другое. В конфронтации двух названных концепций произошло своеобразное обращение сторон: та сторона, которая некогда имела более слабые позиции, впоследствии — с пе­реходом естествознания на новый, неклассический, уровень — ока­залась более правой, ибо защищала более общие и более глубокие, хотя и менее очевидные идеи, по отношению к которым идеи, одер­жавшие когда-то верх, являлись лишь частностью.

О достоверности и перспективности идей Пастера свидетельст­вуют сегодня и химия, и биология. И именно неклассические фор­мы — эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, получен вывод о том, что состав и структура биополимер-лых молекул представляют единый стандартизованный набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физиче­скими и химическими методами, что указывает на единство физико-химических законов, управляющих как абиогенными процессами, |так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, была по­казана исключительная специфичность живого, которая проявля­ется не только в высоких уровнях организации клетки, но и в по­ведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, где, как в капле воды солнце, отражаются закономерности других уровней.

Конкретно эта специфичность молекулярного уровня живого проявляется в целом ряде совершенно чуждых классическому хими­ческому мышлению фактов: в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии мезанизмов обра-зования полимеров и биополимеров, структура которых определя-егся только генетическим кодом, и, наконец, в совсем уж необыч­ном факте: многие химические реакции окисления — восстановле­ния в живой клетке, по утверждению Н. Н. Семенова, «могут про­исходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами» [17, с. 30]. Все это говорит о том, что «в живых си­стемах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в неживом мире». И в высшей степени примечательно то, что об этом свидетельствует именно молекуляр-

ная биология, изучающая организм на уровне химизма. Живое, говорит Н. Н. Семенов, не является «просто сложной комбинацией тривиальных физико-химических процессов».

Утверждения Пастера оказались, таким образом, достоверными,-а обвинения его в витализме — эфемерными. Но сейчас важно об­ратить внимание не только на то, что в конце концов Пастер в споре со своими оппонентами оказался прав. Более интересны перспекти­вы учения Пастера — «научная программа Пастера» приблизитель­но в том ее методологическом аспекте, который обрисован в кон­цепции развития науки Лакатоша. Эта программа была сформули­рована Пастером в форме исследовательских задач еще в период его кристаллографических исследований [18].

Первое положение программы Пастера — это теоретическое обоснование открытых им «дисимметрических сил» в живой приро­де и отсутствия таковых в абиогенных системах. Второе положе­ние— утверждение о существенных отличиях структурно-функцио­нальных изменений химических объектов от поведения «организо­ванного существа» и выдвижение принципиально нового понятия «организация», что предполагало разработку проблемы иерархии уровней организации неорганических и органических веществ. Третье положение программы Пастера, вытекающее из его утвер­ждения о том, что брожение проявляется всегда в связи с жизнью, с организацией, а не в связи со смертью, что брожение не является контактным процессом, в котором превращение сахара происходит в присутствии фермента, ничего ему не давая и ничего от него не беря (цит. по [18]), было, по сути, направлено против метафизиче­ской трактовки сущности жизни, против какого бы то ни было про­тивопоставления предмета и процесса, части и целого. И, наконец, четвертое положение программы заключалось в четко выражен­ном историческом подходе к проблеме происхождения специфично­сти живого, в его тезисе о том, что специфичность живого следует рассматривать не как результат простой композиции, а как «эво-люционно сложившийся жизненный потенциал».

Программа исследования живого, выдвинутая Пастером, и се­годня так же актуальна, как и программа изучения неорганическо­го мира, предложенная в самом начале XIX в. Бертолле.

Конечно, это вовсе не означает, что Пастер был непогрешим. И здесь хотелось бы отметить, в частности, ту негативную сторону защищаемой им биологической концепции, которая относится к вопросу об освоении каталитического опыта живой природы, т. е. к теме настоящей книги. Не отрицая в принципе для некоторых про­стейших случаев биокатализа возможности выделения активного начала фермента и уподобления его неорганическому катализатору, Пастер решительно защищал тезис о том, что катализатором бро­жения является целостная живая клетка, и, следовательно, бро­жение, в особенности в анаэробных условиях, есть элемент жизне­деятельности. Такое утверждение если и не исключало вовсе, то во

179

всяком случае отдаляло возможность выделения и эксплуатации в условиях in vitro ферментных систем. Теперь стало ясно, что такая возможность существует, и она уже претворяется в действитель­ности.

Уже в 1926—1929 гг. лауреатами Нобелевской премии Дж. Сам-нером и Дж. Нортропом были выделены первые ферменты в кри­сталлической форме — уреаза, пепсин и трипсин, которые, как было установлено, представляли собой чистые белки. В 1930-х годах бы­ли выделены внутриклеточные ферменты — «желтый фермент Вар-бурга» и алкогольдегидрогеназа, полученная в кристаллическом виде. Число выделенных в кристаллической форме ферментов с тех пор постоянно возрастало. При этом приходили все новые доказа­тельства системной природы ферментов, состоящих из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента), которые обеспечивают целостность структуры молекулы фермента и единст­во его каталитического действия.

Можно заметить, что на этой стадии развития биохимии фер­ментов развернулись работы по моделированию биокатализаторов. В 1930-х годах их начал В. Лангенбек. Одновременно с этим фор­мировался фронт работ, направленных на изучение строения и ката­литической роли апоферментов. В 1940г. В. А. Энгельгардт с сотр. открыли ферментативную активность сократительных белков мышц в расщеплении аденозинтрофосфата. Но наибольшие успехи в этом направлении принес рентгеноструктурный анализ высокого разре­шения, посредством которого Дж. К. Кендрью и М. Ф. Перутц в 1950-х годах выяснили строение миоглобина и гемоглобина. В эти же годы К. Б. Анфинсеном, С. Муром и У. X. Стейном были разра­ботаны новые методы изучения химии белка, расшифрована пер­вичная структура рибонуклеазы (состоящей из 124 аминокислотных остатков и содержащей 1876 атомов С, Н, О, N и S), созданы пред­посылки для исследования механизма ее действия, изучена далее структура дезоксирибонуклеазы и, таким образом, переброшен мост к химии нуклеиновых кислот.

Исключительно важные исследования в этой области, связыва­ющие химию белка с химией нуклеиновых кислот, осуществлены в СССР Ю. А. Овчинниковым с сотр. В частности, из Е. Coli выделе­ны полинуклеотидфосфорилаза, ДНК-полимераза-1, полинуклео-тидлигаза. Определена полная последовательность аминокислот цитоплазматической аспартатаминотрансферазы, состоящей из 824 аминокислотных остатков.

Словом, успехи современной биохимии или биоорганической химии в области ферментативного катализа велики. Каталитиче­ский опыт живой природы перестал быть всего лишь далекой завет­ной мечтой химиков; он стал достаточно ясным как в общих очер­таниях, так и во многих деталях. И теперь есть возможность ему подражать, его перенимать, осваивать.

180