Карлики рождают гигантов

Один и тот же грибной организм в разных условиях ведет себя по-разному. В одном случае он синтезирует ферменты, в другом — лимонную кислоту, в третьем — антибиотики. Интенсивность его тоже зависит от условий, в каких он культивируется.

Мы помним, как дорого стоил пенициллин, когда он только появился. Да и достать его было трудно, ибо этот препарат выпускался в ничтожных количествах. Причиной тому была слабая активность диких предков пенициллина — всего 10–20 единиц.

Современные производственные штаммы грибов пенициллиум образуют около 10 000 единиц антибиотика. И стоит он копейки. Это достигнуто благодаря упорной работе целого отряда ученых, занимающихся селекцией микроорганизмов. На их вооружении — радиационная селекция и генетика, ультрафиолетовые лучи, химические и другие методы направленного воздействия на наследственность микробов.

Карлики управляют гигантами

(окончание)

Один американский миллионер преклонного возраста, принимая ванну, решил воспользоваться услугами парфюмерии. Он вылил в горячую воду флакон какой-то жидкости, который ему заботливо предложила супруга, и погрузился в ванну. Через несколько минут, почувствовав сильнейшее жжение, он выскочил оттуда как ошпаренный. Взгляд его упал на опрокинутый флакон. На этикетке было написано: «Фирма „Свифт“. Папаин. Фермент для смягчения старого мяса».

Факт, разумеется, анекдотический. Но препарат, который подсунула муженьку скучающая миллионерша, представляет интерес.

Ферменты — это биологические катализаторы. Они невероятно ускоряют протекание химических реакций. Без них не строится и не разрушается ни одно вещество в клетках. Характерно, что молекулы органических соединений, составляющих клеточное вещество, чрезвычайно ленивы, малоподвижны, их трудно побудить к химическим реакциям. Роль палочки-погонялочки в этом случае выполняет фермент. Он подхлестывает эти соединения и обеспечивает необходимую скорость химических превращений.

Обнаружить действие фермента несложно. Бросьте кусочек морковки или картошки в аптечный раствор перекиси водорода. На его поверхность в то же мгновение станут подниматься пузырьки. Это кислород, возникший в результате разложения перекиси. Реакция вызвана ферментом каталаза. В его состав входит железо.

Для разложения перекиси водорода химики как раз и применяют железо в качестве катализатора. Достаточно опустить в колбу крупинку металла, и через секунду перекись распадется на воду и кислород. А крупинка фермента ту же работу проделает за одну десятимиллионную долю секунды!

От количества и качества ферментов зависит не только скорость. Они управляют интенсивностью и направлением жизненных процессов в клетке, то есть обменом вещества. Ферменты — это как бы рабочие аппараты ядерных нуклеиновых кислот.

Бессознательно, хотя и вполне целеустремленно, человечество использует ферменты с незапамятных времен. Мы пьем пиво примерно с 5000 года до нашей эры. В китайских древних летописях упоминаются плесневые грибки, с помощью которых делались сырки из сои. Африканские негры, по свидетельству П. А. Баранова, издревле применяют сок плодов дынного дерева папайи для смягчения мяса. Солод известен нам около 9 тысяч лет. Но только полтораста лет назад из него был выделен препарат фермента амилазы. Днем рождения ферментологии, как особой отрасли биологической химии, принято иногда считать открытие директора петербургской аптеки Константина Кирхгофа. В 1814 году он пришел к выводу, что в клейковине ячменя содержится вещество, которое осахаривает крахмал. Исследования Кирхгофа легли в основу одного из первых промышленных каталитических процессов — получения патоки и глюкозы из крахмала.

Но до становления науки было еще далеко. Последовавшие затем открытия были скорее гениальными догадками, чем доказательствами выдвинутых гипотез и теорий.

История этой отрасли знания весьма драматична. Она была насыщена открытиями, дискуссиями и ошибками. Работы Вильштеттера, давшие много для характеристики свойств отдельных ферментов, привели биохимиков к принципиально неверному выводу. Восхищаясь поразительной организацией и точностью механизма их действия, ученые причислили ферменты к особому, доселе неизвестному классу химических соединений.

Первые ферменты были обнаружены в процессе брожения. Отсюда оба их названия: ферменты или энзимы. Ферментум — брожение, закваска (латынь). Энзима — внутри закваски (греческий). Но спектр их действия много шире. Они ведут гидролиз, расщепляют и синтезируют жиры и фосфатиды, сложные эфиры и аминокислоты, они участвуют в процессах пищеварения и дыхания. Еще не так давно фермент считался китом биохимии. На него только что не молились. Еще на его поверхности совершались совершенно загадочные события обмена веществ и энергии. Баснословна была скорость действия энзимов. Удивительна легкость, с которой они осуществляли свои манипуляции.

Как и всякий катализатор, фермент снижает энергию активации, необходимую для проведения какой-нибудь химической реакции. Он применяет при этом обходный маневр, направляя реакцию через промежуточные этапы.

Нужно осуществить гидролиз сахарозы. Обозначим ее буквами АБ, где А — глюкоза, Б — фруктоза. Реакция АБ → А + Б требует немалой энергии активации — 32 тысячи калорий на грамм-молекулу сахарозы.

Но вот вступил в работу фермент — Ф: АБ + Ф → АБФ. Он прилепился к фруктозе и оттолкнул глюкозу: АБФ → БФ + А. Задача решена, и теперь фермент может оставить в покое фруктозу: БФ → Б + Ф. Затраты энергии активации благодаря участию биокатализатора намного уменьшились. Они составили всего 9400 калорий.

Исследования американских биохимиков Дж. Самнера и Дж. Нортропа резко изменили отношение к ферментам. Оба знаменитых Джорджа сумели почти одновременно получить кристаллы двух ферментов — уреазы и пепсина. Кристаллизация — для химика это своего рода пробный камень. Она дает хотя и не безусловную, но все же достаточную гарантию чистоты вещества. Пойдя по следам Самнера и Нортропа, биохимики неопровержимо доказали, что ферменты животных, растений и микроорганизмов — это белковые вещества, обладающие каталитической активностью. Определенность — великая сила. Ученые быстро утратили священный трепет перед могучими катализаторами жизненных явлений. Карлики, управляющие гигантами, перестали быть для нас загадкой.

Ныне фермент представляется экспериментатору сложной и умной машиной. Она отбирает из всего разнообразия природных соединений строго определенные вещества. Повертев их в разные стороны, фермент поворачивает эти вещества друг к другу нужной стороной, сталкивает и заставляет вступать в реакции, даже если они не очень готовы к взаимодействию.

На сегодня мы знаем более 2 тысяч ферментов. Это 2 тысячи открытий, помноженных на тысячи опытов и десятилетия напряженных размышлений целой армии талантливых ученых. Описать то, что ими открыто, доказано и проверено, куда легче, чем проследить долгий тернистый путь науки современной энзимологии.

Однако как ни заманчиво углубиться в ее историю, нас ждет сегодняшний день.

С точки зрения химика между движениями пальцев скрипача и брожением винного сусла есть большое сходство. Вино бродит под действием ферментов. Ферменты действуют и в мышцах, приводящих в движение руку скрипача. Все жизненные процессы находятся под их контролем.

Удивительная способность микроорганизмов к сверхсинтезу, примеры которой мы видели, объясняется мощью ферментных систем живых клеток. Создается даже впечатление, что биокатализаторы всемогущи. В самом деле, они творят жизнь из самого негодного сырья. Микробы способны извлечь из канализации крупного города сотни тысяч тонн серы. Сине-зеленая водоросль превращает атмосферный азот в сложные белковые вещества. Она может развиваться на искусственной среде, состоящей из солей одних металлов — кальция, магния, натрия, железа. Дайте только свет для фотосинтеза. Впрочем, химическое производство белка это растение продолжит и в темноте. Нужно только топливо — глюкозу. Трудно даже вообразить себе химическое предприятие, которое могло бы так легко переключать технологический процесс с одного источника сырья, допустим угля, на нефть или древесину. Потребовалась бы коренная реконструкция.