Биологические ускорители

Как свидетельствуют легенды и народные сказания древности, люди с незапамятных времен готовили из сока винограда вино, делали сыр из скисающего молока, поражали врагов и диких зверей стрелами, наконечники которых были пропитаны смертоносным ядом. Человек наблюдал и использовал многие удивительные превращения, происходящие в живых организмах и взятых из них материалах, такие, как свертывание крови, дозревание (и разложение) мясных, рыбных и растительных продуктов. Но почему все это происходит, он долгое время не мог объяснить. И лишь в начале XIX века в биологических объектах были обнаружены активные вещества, вызывающие подобные превращения.

Они получили название ферментов. Первые выделенные в 30-х годах двадцатого века в виде кристаллов чистые ферменты оказались белками, и все полученные потом (сейчас их известно около двух тысяч) также являются особыми видами белков.

Мы знаем теперь, что ферменты неизмеримо превосходят искусственные катализаторы во многих отношениях. Прежде всего по силе действия. Тысячи химических реакций протекают в живых организмах при участии ферментов без высоких температур и давлений в миллионы и миллиарды раз быстрее, чем в присутствии лучших химических катализаторов.

Есть у ферментов еще одно преимущество — наиболее важное. От искусственных катализаторов они отличаются поразительной рациональностью своих действий, строго направленных и максимально эффективных. Каждый фермент работает оптимально, без поисков «оптимальных технологических решений», преобразуя лишь одно или группу близко родственных соединений. Причем преобразует в строго определенном направлении.

Вот какие удивительные способности были обнаружены у ферментов. Однако, зная многое об их свойствах, исследователи даже на пороге нашего столетия не могли ответить на вопрос, что же все-таки они собой представляют. Правда, уже тогда такие крупнейшие ученые, как И. Павлов, А. Бах, Э. Фишер, Ф. Гопкинс, были убеждены, что жизнедеятельность любого организма, обмен веществ есть не что иное, как совокупность бесчисленных химических реакций, протекающих в живых клетках строго упорядоченно. И своеобразными «стражами порядка» (а вернее, его организаторами) как раз и являются ферменты. Отсюда ясно какую важную роль играют они в обмене веществ. А он, в свою очередь, является основой всех биологических функций: питания, размножения, развития, наследственности, раздражимости, подвижности.

Все-таки для чего же служат эти «таинственные незнакомцы» — ферменты? Потребовались годы труда, размышлений, экспериментов, прежде чем стало ясно: в организмах они не только ускоряют реакции обмена, но и служат важными орудиями «рабочих» частей клеток. Впервые это показали в 30-х годах прошлого века В. Энгельгардт и М. Любимова. Они установили, что сократительный белок мышц и фермент, действие которого освобождает энергию для сокращения, идентичны. Энгельгардт высказал мысль, что ферменты составляют существенную часть всей массы клеточных белков.

Эта мысль полностью подтвердилась. Более того, выяснилось, что чрезвычайно важные органы клеток, связанные с синтезом белков, переносом веществ, клеточным дыханием, построены каждый в основном из особых ферментных белков. Другими словами, ферменты размещены как раз там, где они нужны как тонкий инструмент химических преобразований.

Читатель может спросить: да так ли это важно, где какой фермент «прописан»? Главное — знать, как он действует. Оказывается, «топография» в данном случае чрезвычайно важна не только для науки, но и для практики. Ведь ферменты не только ускоряют реакции. На них самих, в свою очередь, нацелено действие большинства биологически активных соединений — витаминов, гормонов, антибиотиков, лекарственных веществ и ядов.

Надо ли объяснять, какие перспективы таит в себе и точное определение «координат» тех или иных ферментов, и возможность влиять на их действие. К примеру, сложные органические соединения, которые поражают один из ферментов, существенный для работы нервных центров, оказались мощным средством для лечения некоторых тяжелых глазных и нервных заболеваний. Выясняя структуру и функции ферментов, наука ищет пути практического управления физиологическими процессами и новые способы защиты живых организмов от вредных воздействий.

Ныне известно более пятисот врожденных пороков обмена веществ у человека, причина которых состоит в наследственном, генетически обусловленном нарушении синтеза определенного фермента. Так, например, врожденное отсутствие фермента, ускоряющего последний из этапов биосинтеза аминокислоты тирозина, приводит к резкому нарушению физического и умственного развития детей. Дефекты образования некоторых ферментов обмена сахаров имеют следствием опасные нарушения стабильности клеток крови.

Непревзойденная избирательность действия ферментов делает их неоценимыми реактивами для биохимического анализа — измерения содержания определенного сахара, аминокислоты и т. п. в сложной смеси сходных, родственных соединений, а также для целей тонкого органического синтеза. Так, использование ферментных препаратов (или богатых ими микробных клеток) в промышленности во много раз снизило себестоимость таких важнейших биохимических препаратов, как аскорбиновая кислота, стероидные гормоны.

Сегодня в большинстве технически развитых стран созданы специализированные предприятия, которые производят ферментные препараты. Эти препараты используются во многих областях легкой, пищевой и фармацевтической индустрии, интенсифицируют и удешевляют производство. К примеру, их применение позволяет повысить питательную ценность кормов в животноводстве.

Казалось бы, возможности применения подобных препаратов безграничны. Но на самом деле, несмотря на замечательные каталитические свойства ферментов, их практическое применение до недавнего времени было относительно ограниченным. Причина? Нестойкость ферментов и трудности их отделения от продуктов реакции. Это исключало многократное использование ферментов и делало этот способ во многих случаях нерентабельным.

В последнее время эти недостатки в значительной мере удалось преодолеть. Помог тут метод так называемой иммобилизации ферментов. Что, если нестойкий фермент присоединить при помощи прочных химических связей или иными способами к полимерным нерастворимым носителям различной природы — производным клетчатки, ионообменным пластикам, пористым стеклам, органосиликатным гелям? Чем-то этот принцип напоминает прививки южных сортов яблонь к морозоустойчивым северным. Но, конечно же, лишь издали напоминает. Здесь иные масштабы, иные, куда более тонкие механизмы. И вполне естествен здесь вопрос: а сохраняются ли вообще ценные качества ферментов после того, как над ними проведут подобные операции?

И вот оказалось: да, сохраняются. Более того, иммобилизованные ферменты, сохраняя значительную часть каталитической активности, во многих случаях обладают существенно увеличенной стойкостью.

Вы понимаете, что можно будет сделать, если место сегодняшних катализаторов, довольно грубых, «негибких» по сравнению с ферментами, займут в промышленности, сельском хозяйстве, медицине новые ускорители и замедлители реакций, обладающие всеми лучшими качествами ферментов, но при этом и стойкостью искусственных катализаторов. Если таких «кентавров» как следует «впрячь» в экономику, заставить работать на ее нужды с полной отдачей, это может привести к серьезному росту эффективности производства.

Не случайно большие надежды возлагаются сейчас на эту новую отрасль исследований — так называемую «инженерную ферментологию». Она обещает значительно упростить многие производства и создать принципиально новые. Несмотря на дополнительные издержки по изготовлению иммобилизованных ферментов, возможность их многократного использования делает новую технологию экономически оправданной.

Ученые рассчитывают, что с применением иммобилизованных ферментов в будущем удастся подойти к решению ряда сложных проблем не только тонкого органического синтеза, но и химической энергетики, например, к созданию биокаталитических систем для фиксации атмосферного азота, синтеза из углекислоты и природного газа жидкого органического топлива.

Не требует пояснений, что решение этих и других прикладных задач, связанных с биологическим катализом, возможно лишь при достаточно высоком уровне фундаментальных исследований по структуре и функции ферментов. Химией и биохимией ферментов занимаются многие исследовательские институты и высшие учебные заведения. Отечественными учеными внесен ряд крупных, всемирно признанных вкладов в эту область науки.

Человек вступил в соревнование с природой в таких областях, которые еще вчера казались принципиально недоступными. Овладевая тайнами ферментов, заставляя их служить себе, приумножению своего благосостояния, охране своего здоровья, он вписывает новую страницу в великую книгу наших знаний о мире.

А. Браунштейн

Похожие публикации

Что из себя представляет клетка?

Как строятся белковые структуры

Нейронные импульсы и РНК