В середине 20-х годов шведский химик Ганс Карл Август Симон Эйлер (род. в 1873 г.) обнаружил, что и другие ферменты содержат коферменты, однако структуру последних удалось выяснить лишь десятилетием позже. Тогда же определили строение витаминов, после чего уже не вызывало сомнения, что в большинстве коферментов в качестве составной части молекулы имеются витаминоподобные структуры.
Итак, витамины, по-видимому, являются той частью коферментов, которые не вырабатываются самим организмом и поэтому должны быть включены в пищу. Без витаминов построение коферментов невозможно, а без коферментов некоторые ферменты оказываются недеятельными и, таким образом, обмен веществ нарушается. В результате наступает авитаминоз, иногда со смертельным исходом.
Поскольку ферменты и коферменты — это катализаторы, нужные организму в малых количествах, витамины тоже нужны в столь же небольших количествах. Этим, собственно, и объясняется тот факт, что ничтожнейшие составные части пищи могут оказаться крайне необходимыми для нормальной жизнедеятельности организма. Следовые количества таких элементов, как медь, кобальт, молибден, цинк, образуют существенную часть ферментной структуры. Были выделены ферменты, содержащие по одному или несколько атомов этих элементов.
Что же следует сказать о самих ферментах? На протяжении прошлого столетия ферменты считались таинственными веществами, выявляемыми лишь по их действию. Немецкому химику Леонору Михаэлису (1875–1949) удалось раскрыть тайну ферментов с помощью законов и методов химической кинетики (раздела физической химии, изучающего скорость реакций). В 1913 г. он установил зависимость скорости реакций, катализируемых ферментами, от определенных условий. Он предположил, что фермент образует промежуточное соединение с веществом, реакцию которого он катализирует. Подобное допущение свидетельствует о том, что ферменты есть не что иное, как молекулы, подчиняющиеся физико-химическим законам. Но что же это за молекулы? По всей вероятности, это белки, так как ферментный раствор легко теряет активность даже при слабом нагревании, а, как известно, такую термолабильность имеют лишь белковые молекулы.
Однако все это были лишь предположения. В 20-х годах немецкий химик Рихард Вильштеттер (1872–1942) выдвинул гипотезу, согласно которой ферменты вовсе не являются белками. Правда, как оказалось впоследствии, эта гипотеза была ошибочной, но научный авторитет ее автора долгое время не позволял в ней усомниться. Через несколько лет вопрос о белковой природе ферментов был поднят вновь, на сей раз американским биохимиком Джеймсом Бэчелором Самнером (1887–1955). В 1926 г. Самнер выделил из семян мечевидной канавалии фермент, катализирующий реакцию расщепления мочевины на аммиак и углекислый газ. В процессе получения фермента ученый обнаружил возникновение в определенный момент мельчайших кристаллов. Выделив и растворив эти кристаллы, он получил жидкость с повышенной активностью уреазы. Все попытки отделить эту активность от кристаллов не увенчались успехом. Полученные кристаллы оказались ферментами и, как показали опыты Самнера, одновременно и белками. Таким образом, уреаза была не только первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, но и первым ферментом с доказанной белковой природой. Сомнениям относительно того, распространяется ли эта закономерность на все ферменты, положили конец исследования американского биохимика Джона Говарда Нортропа (род. в 1891 г.). В 1930 г. ученому удалось кристаллизовать пепсин — расщепляющий белок фермент желудочного сока; двумя годами позже — трипсин и в 1935 — химотрипсин. Трипсин и химотрипсин — расщепляющие белок ферменты поджелудочной железы. Они также оказались белками. После этого ученые получили в кристаллическом виде еще десятки ферментов, и все они были белками. К середине 30-х годов проблему ферментов уже нельзя было отделить от проблемы белков.
Электрофорез и дифракция рентгеновских лучей
Развитие химических и физических методов в первой половине текущего столетия позволило биохимикам точнее исследовать крупные молекулы белка, которые, по представлениям ученых, являются основой жизни. Так создалась новая область науки — молекулярная биология, сочетающая в себе физику, химию и биологию. Основной задачей молекулярной биологии было детальное изучение тонкой структуры и функционирования гигантских молекул жизни.
В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг (род. в 1884 г.) разработал новый метод определения размеров белковых молекул — центрифугирование. Сконструированная им ультрацентрифуга представляла собой вращающийся сосуд, который создавал центробежную силу, в сотни тысяч раз превышающую силу земного притяжения. Тепловое колебание молекул воды при обычной температуре достаточно для поддержания во взвешенном состоянии гигантских молекул белка. Оно противодействует силе земного притяжения, но не способно противостоять центробежной силе. Во вращающейся центрифуге молекулы белка осаждаются, или седиментируют. Молекулярный вес белковых молекул можно определить по скорости их оседания. Так, молекула средней величины, например молекула гемоглобина (пигмент крови), имеет молекулярный вес, равный 67 600. Эта величина в 3700 раз превышает молекулярный вес воды, равный 18. Другие белковые молекулы еще крупнее, их молекулярный вес выражается сотнями тысяч единиц.
Размер и сложность белковой молекулы определяют размещение на ее поверхности атомов, способных нести электрические заряды. При этом каждому белку свойственно оригинальное расположение положительных и отрицательных зарядов, способное определенным образом изменяться в зависимости от изменения кислотности окружающей среды.
Если раствор белка поместить в электрическое поле, отдельные белковые молекулы начинают двигаться либо к положительному, либо к отрицательному электроду со скоростью, обусловленной характером электрического заряда, размером и формой молекулы и т. д. Нет двух белков, которые в любых равных условиях обладали бы одинаковой скоростью. На основе этой закономерности шведский химик Арне Вильгельм Каурин Тизелиус (род. в 1902 г.), ученик Сведберга, в 1937 г. сконструировал прибор, который состоял из U-образной трубки с белковой смесью, способной перемещаться под действием электрического поля. (Это явление перемещения в электрическом поле взвешенных в жидкости частиц называется электрофорезом.) Ввиду того что каждый компонент смеси движется со свойственной ему скоростью, смесь можно постепенно разделить. U-образная трубка собирается из особым образом соединенных секций, ее легко расчленить. Благодаря этому каждую составную часть смеси, находящуюся в отдельной секции, можно отделить от остальных компонентов.
Применяя соответствующие цилиндрические линзы и используя изменение отражения светового луча при прохождении его через суспендированную смесь (по мере изменения концентрации белков), стало возможным проследить процесс разделения смеси. Изменение рефракции давало на фотографии волнообразные кривые, по которым можно было вычислить количество каждого белка в смеси. В частности, белки плазмы крови, подвергнутые электрофорезу, были разделены на множество фракций, включая альбумин и три группы глобулинов — α, β и γ, — причем фракция γ-глобулинов содержала антитела.
В 40-е годы были разработаны методы промышленного получения различных белковых фракций.
Ультрацентрифугирование и электрофорез зависели от общих свойств молекулы белка. Применение рентгеновских лучей позволило биохимикам исследовать внутреннее строение молекулы. Проходя через вещество, пучок рентгеновских лучей рассеивается. Если частицы вещества расположены в строгом порядке (как атомы в кристалле), то рассеяние лучей будет также упорядочено. Пучок рентгеновских лучей, попадая на фотопленку после рассеяния кристаллом, даст симметричное расположение точек. На основании такого рисунка можно определить положение атомов в кристалле.