98783

История открытия и исследования ферментов

Реферат

Биология и генетика

Первые попытки выделения ферментов в чистом виде. Нортропа явлений кристаллизации ферментов. В настоящее время учреждены научно-исследовательские институты по изучению ферментов издаются специальные журналы созываются национальные и международные симпозиумы и конференции посвященные проблемам энзимологии.

Русский

2015-11-06

1010 KB

9 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный педагогический университет»

Факультет естественнонаучного образования

Кафедра химии и методики преподавания химии

История открытия и исследования  ферментов

Реферат

по дисциплине «Концепции развития химии»

                                                                                                Выполнил: студент 1 курс маг.      

                                                                                                "Химическое образование"                                     

                                                                                                 Мустафинов Рамиз Евгеньевич

                                                                                                 Проверил:

                                                                                                  к.х.н.,  доцент кафедры химии

                                                                                                 и методики преподавания химии,

                                                                                                 Брянский Борис Яковлевич

Омск, 2013

Содержание

Введение………………….………………………………………………………..3

1. Понятие о ферментах………………..................................................................4

2. Ранее представление о ферментативных процессах……………….………...8

3. Возникновение энзимологии (учение о ферментах)…… …….………..…....9

3.1. Опыты братьев Ганса и Эдварда Бухнеров………………………………..14

3.2. Первые попытки выделения ферментов в чистом виде………..…………18

3.2.1 Открытие Дж. Самнера и Дж. Нортропа явлений

кристаллизации ферментов………………………………………..…..……… 19

4. Работы, посвященные химической кинетики

ферментативного катализа……………………………………………………... 22

5.Дальнейшие направления развития энзимологии……………..…….………25

Литература………………………….…………………………………...……….27

Введение

На протяжении всей истории человечества естествоиспытатели и философы искали пути к открытию и познанию сущности и происхождения жизни. Однако многие вопросы этой вечной проблемы живого до сих пор нерешены, несмотря на крупнейшие открытия таких фундаментальных естественных наук, как математика, физика и химия. Неоспоримо положение, что для познания огромного разнообразия форм жизни и ее сущности первостепенное значение имеет определение  химической индивидуальности живого организма.

Биологическая химия достигла огромных успехов в изучении химического состава живых организмов (включая человека) и природы химических процессов, происходящих как в целостном организме, так и в изолированных органах и тканях на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.

Последние два-три десятилетия ознаменовались рядом выдающихся открытий в биологической химии и в некоторых ее разделах, в частности энзимологии, выдвинувших ее в разряд фундаментальных научных дисциплин и сделавших биохимию мощным орудием решения многих важных проблем биологии и медицины.

В настоящее время учреждены научно-исследовательские институты по изучению ферментов, издаются специальные журналы, созываются национальные и международные симпозиумы и конференции, посвященные проблемам энзимологии.

1. Понятие о ферментах

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений. Жизнь и многообразие ее проявлений – сложная совокупность химических реакций, катализируемых специфическими ферментами.

Иван Петрович Павлов (1849-1936) считал ферменты возбудителями всех химических превращений у живых существ. Как известно, важнейшим свойством живого организма является обмен веществ, ускоряющим аппаратом, основой молекулярных механизмов, интенсивности которого являются ферменты.

Вся тайна животной жизни,– писал Дмитрий  Иванович Менделеев   (1834-1907), – заключается в непрерывных химических превращениях веществ, входящих в состав животных тканей.

В настоящее время теоретические и практические достижения энзимологии используются в решении многих проблем биохимии и молекулярной биологии, включая их сравнительное и эволюционное рассмотрение. Под знаком молекулярной энзимологии,– говорил на III Всесоюзном биохимическом съезде (1974) Александр Евсеевич  Браунштейн (1902-1986), – развивается и встречное течение – реконструкция или интеграция, восходящая от молекулярного яруса к высшим уровням структурно-функциональной организации живого и пронизывающая весь комплекс актуальных проблем биологии и медицины.

Ферменты обеспечивают осуществление таких важнейших процессов

жизнедеятельности, как экспрессия (реализация) наследственной информации, биоэнергетика, синтез и распад биомолекул (обмен веществ). Изучение их способствует проникновению в суть и сокровенные тайны того загадочного явления, которое мы называем жизнью. Этими обстоятельствами может быть объяснено пристальное внимание исследователей к проблемам структуры, функций и молекулярных механизмов действия ферментов. От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом характерных особенностей. Прежде всего, ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в миллионы и миллиарды раз более высокую каталитическую активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нормального давления и в области близких к нейтральным значениям рН среды.

Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении, как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент, катализирует в основном только определенную химическую реакцию. Для каждого фермента характерны специфическая последовательность расположения аминокислотных остатков и пространственная конформация. Существенной особенностью ферментов является также то, что их активность в клетках строго контролируется как на генетическом уровне, так и посредством определенных низкомолекулярных соединений, в частности субстратов и продуктов реакций, катализируемых этими же ферментами, ингибиторов и др. Таким образом, молекула фермента характеризуется уникальностью структуры, которая и определяет уникальность ее функции.

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку – энзимологию.

Термин  энзим  (от греч. en zyme – в дрожжах), так же как и  фермент (от лат. fermentatio – брожение), означает процесс, связанный с выделением

газов, брожением.

В настоящее время учреждены научно-исследовательские институты по изучению ферментов, издаются специальные журналы, созываются национальные и международные симпозиумы и конференции, посвященные проблемам энзимологии. Наука о ферментах интенсивно развивается в тесной связи со многими науками, в частности с органической, неорганической и физической химией, физиологией, токсикологией, микробиологией, генетикой, фармакологией и др. Таким образом, эта область знаний находится на стыке химических, биологических и медицинских наук.

Энзимология в ее современном физико-химическом и молекулярном понимании решает две главные, неразрывно связанные между собой проблемы: определение структурной макромолекулярной организации ферментов и изучение природы химических взаимодействий, лежащих в основе ферментативного катализа. Накопление экспериментальных данных и развитие теоретических представлений происходят настолько быстро, что любой учебник к моменту выхода в свет уже не отражает достаточно полно современное состояние вопроса о структуре и функциях ферментов.

Важно подчеркнуть, что изучение ферментов имеет огромное значение

для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих практических отраслей химической, пищевой и фармацевтической индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов и многих других биологически активных веществ, используемых в народном хозяйстве и медицине (рис.1).

Рис.1. Области применения ферментов в биологии и медицине (по Грину).

В фармакологии действие многих лекарственных препаратов основано на определенном, хотя часто еще не выявленном, механизме взаимодействия их с ферментами. Успехи общей и молекулярной энзимологии способствуют развитию новой ее ветви – медицинской энзимологии, цели и задачи, методологические подходы которой связаны с решением проблем энзимопатологии, энзимо - диагностики и энзимотерапии.

Наука о питании базируется на точных знаниях поэтапного расщепления питательных веществ под влиянием ферментов пищеварительного аппарата, на количественный и качественный состав которых существенное влияние оказывает характер поступающих с пищей веществ.

Многие проблемы наследственной патологии человека, развитие врожденных пороков обмена тесно связаны с дефектами или полным отсутствием синтеза специфических ферментов. Проблемы клеточного роста и развития, дифференцировки клеток высших организмов, физиологических функций (движение, перемещение в пространстве, транспорт веществ и ионов, процессы возбуждения и торможения и др.) определяются в большой степени работой биокатализаторов, включая их биосинтез и инактивацию.

Таким образом, есть все основания для подтверждения положения, что не только современная биология, как отмечает акад.  Александр Евсеевич  Браунштейн, но и медицина говорит на языке энзимологии.

  1.  Ранее представление о ферментативных процессах

Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов.

Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был один из основоположников иатрохимии, немецкий врач и физиолог Парацельс (1492-1541). Для XVI - XVII вв. характерно возникновение и развитие иатрохимии (от греч. иатрос - врач). Сторонники этого направления утверждали, что жизнедеятельность человека, причины его заболеваний можно понять только с точки зрения химии, и лечение многих болезней следует осуществлять путем применения, прежде всего химических средств. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.

В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И  Василий Валентин (первая  половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 гг.) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким нематериальным силам.

Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста             Ван Гельмонт (577-1644 гг.), который  высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях. Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими.

Качественный скачок в развитии учения о ферментациях произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье         (1743-1794), совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы.

К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт.

  1.  Возникновение энзимологии (учение о ферментах)

    С середины XVIII в. начинается период открытия и выделения большого числа новых органических веществ растительного и животного происхождения. Крупным событием второй половины XVIII в. стали исследования Ладзаро Спалланцани  (1729-1799) по физиологии пищеварения, которые положили начало изучению ферментов пищеварительных соков.   Эти исследователи  впервые изучили действие желудочного  сока животных и птиц на различные  виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. 

В 1811 году член Петербургской Академии наук Константин Сигизмундович (Готлиб Сигизмунд Константин) Кирхгоф (1764-1833) провел  гидролиз крахмала при нагревании в присутствии кислот, что положило начало изучению каталитических процессов. Он занимался проблемой получения сахара из крахмала.  В 1811 году он представил в Академию наук образцы сахарного сиропа и кристаллического «сахара», полученные им путем гидролиза картофельного крахмала под действием разбавленной серной кислоты. Реакция протекала сутки, при этом серная кислота не расходовалась и по завершении процесса нейтрализовалась расчетным количеством карбоната кальция. Это был истинно каталитический процесс. В кислой среде или под действием пищеварительных ферментов крахмал подвергается гидролизу с образованием глюкозы:

(C6H10O5)n + nH2O →  nC6H12O6

В 1812 году К.С. Кирхгофом были изложены основы этого процесса в статье «О приготовлении сахара из крахмала».

Расширяя свои исследования, К.С. Кирхгоф обнаружил, что аналогичного результата можно добиться и без добавления кислоты, а под действием «клейковатого вещества» (клейковины), которую он получил из пшеничного зерна.  30 ноября 1814 года им был сделан доклад «О получении сахара при осолаживании злаков». К.С.Кирхгоф установил, что крахмал превращается в сахар под действием некоторых веществ, находящихся в прорастающих зернах ячменя. В вытяжке из проросших семян ячменя открыл фермент,  осуществляющий осахаривание  (гидролиз) крахмала. На основании этих исследований был создан первый промышленный процесс получения патоки и глюкозы из крахмала. 

К середине XIX в. были найдены и другие ферменты: амилаза слюны, пепсин желудочного сока, трипсин сока поджелудочной железы.   

Шведский химик Йенсон Якоб Берцелиус (1779-1848)  ввел в химию понятие о катализе и катализаторах, к числу последних были отнесены все известные в то время ферменты.  Йенсон Я. Берцелиус в 1837 г. показал, что ферменты - это катализаторы, поставляемые живыми клетками. Именно тогда появился термин «фермент» (от лат. fermentatio - брожение).

В полном современном смысле понятие катализа вошло в химию, благодаря работам Вильгельма Оствальда(1853-1932), лишь спустя полвека после смерти Й. Я. Берцелиуса. В. Оствальд определил катализатор как вещество, «которое, не входя в конечный продукт химической реакции, увеличивает ее скорость». Он различал четыре типа катализаторов: контактное действие «зародышей», гомогенный катализ, гетерогенный катализ и действие ферментов. В 1902 г. Вильгельму Оствальду была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы по катализу и основополагающие исследования скоростей химических реакций».

Дальнейший шаг вперед в этом направлении был сделан французскими химиками Ансельм Пайеном (1795-1871) и Ж. Пирсо, которые в 1833 г. показали, что термолабильный фактор, получаемый из солодового экстракта путем осаждения спиртом, обладает способностью гидролизовать крахмал; они назвали его - диастазой (ныне этот фермент называется амилазой).

  В связи с описанием дрожжевых  клеток (Шарль Каньяр-Латур во Франции и Теодор Шванн в Германии, 1836-1838гг.) начали активно изучать  процесс сбраживания сахара и образования спирта, издавна привлекавший к себе внимание (Ю. Либих, Л. Пастер и  М. Бертло).

Вскоре  разгорелся спор о природе  брожения, в  котором  участвовали  крупнейшие представители естествознания того времени. В частности, французский химик Луи Пастер (1822-1895) придерживался  мнения, что брожение вызывается живыми микроорганизмами и, следовательно, связано исключительно с их жизнедеятельностью. Он был ярым сторонником того, что брожение (то есть конверсию сахара в спирт или в уксусную кислоту и сопутствующие продукты) могут осуществить лишь живые клетки микроорганизмов. Л. Пастером была отвергнута сама идея о необходимости существования растворимых ферментов, участвующих в брожении. Он писал: «Я не вижу никакой необходимости в существовании этих ферментов, ни в полезности их функционирования при брожении».

С другой стороны, немецкий  химик Юстус фон  Либих (1803-1873) и  французский естествоиспытатель, и физиолог Клод Бернар (1813-1878) отстаивали химическую природу брожения, считая, что оно связано с особыми веществами, подобными диастазе (амилазе). Проводя различные химические реакции с органическими молекулами, Ю. Либих, не мог допустить того, что для реализации такого простого химического процесса, как окисление спирта в уксусную кислоту (реакция идет под действием различных химических окислителей), необходимо участие такого сложного агрегата, как целая клетка живого микроорганизма

Ю. Либих предполагал, что наблюдается всего лишь корреляция между «физиологическим процессом» образования продуктов и ростом клеток.

Значительную роль в прояснении вопроса сыграла дискуссия между Луи Пастером и Марселином Бертло (1827-1907).

Марселин Бертло полагал, что процесс брожения осуществляется органической субстанцией дрожжей. Важным был эксперимент М. Бертло, в котором он разрушил клетки дрожжей, получил бесклеточный экстракт, переосадил его спиртом без существенной потери активности и показал, что полученная субстанция обладает каталитическими свойствами. Этот эксперимент показал, что «фермент» и живые клетки микроорганизмов не одно и то же: клетки содержат вещества, реально осуществляющие брожение.

На то, что брожение имеет характер каталитического процесса, указывал Эйльхард Митчерлих (1794-1863 гг.). В 1843 году он отмечал, что для проведения процесса сбраживания сахара необходимы относительно ничтожные количества дрожжей, не соизмеримые с количеством конвертированного субстрата (менее одного процента), то есть вклад вещества дрожжей в материальный баланс реакции ничтожен.

Существенную роль в дискуссии сыграла неоднозначность в терминах, существовавшая в те годы. В течение многих лет дрожжи называли ферментом. Л. Пастер был против распространения термина «фермент» на растворимые вещества, способные проводить конверсию сахара, а понимал под «ферментом» живые растущие клетки, осуществляющие образование этиленового спирта и СО2.

Термин «энзим» (от греч. - в дрожжах)  и энзимология был введен в 1876 году Вильгельмом Кюном (1837-1900) для обозначения «неорганизованных», «бесформенных» ферментов, таких, как диастаза, пепсин, трипсин, известных уже тогда.

Спор был окончательно разрешен лишь в 1897 г., когда немецкие ученые братья Ганс и. Эдвард Бухнеры показали, что дрожжевой бесклеточный сок (полученный при растирании дрожжей с инфузорной землей) способен сбраживать сахар с образованием спирта и углекислого газа. Стало ясным, что дрожжевой сок содержит сложную смесь ферментов (названную зимазой) и эти ферменты способны функционировать как внутри, так и вне клеток. По словам одного из историков, появление пузырьков углекислого газа в опыте братьев Бухнеров означало рождение современных биохимии и энзимологии.

  1.  Опыты братьев Ганса и Эдварда Бухнеров

Эдвард Бухнер (1860-1917) начал исследования процесса спиртового брожения под руководством своего брата ученого, Ганса Бухнера.

В 1885 г. он опубликовал свою первую статью о влиянии кислорода на процесс брожения. Проделанные Э. Бухнером опыты опровергали преобладавшую в то время точку зрения, которой придерживался и Луи Пастер, что брожение не может проходить в присутствии кислорода.

В 1893 г., когда Эдвард Бухнер начал поиск активных веществ, способствующих брожению, преобладали две соперничающие между собой теории брожения. Согласно механистической теории, дрожжи, постоянно разлагаясь до жидкого состояния, создают химическое напряжение, которое заставляет разлагаться молекулы сахара. В соответствии с этой точкой зрения спиртовое брожение представляло собой хотя и сложную, но, в общем, обычную химическую реакцию. Против этой теории возражали виталисты, которые, подобно Луи Пастеру, верили, что в живых клетках содержится некая жизненная субстанция, которая и «несет ответственность» за брожение. По их мнению, без некоего «жизненного», хотя пока еще не найденного, компонента в живых клетках одни только химические вещества не могли бы вызвать процесс брожения. Несмотря на то что сторонники механистической теории доказали, что вещества, обнаруженные в живых клетках, могут быть синтезированы, никому еще не удавалось выделить вещество, способствующее брожению, или вызвать этот процесс в неживых веществах.

Подбадриваемый своим братом, Эдвард Бухнер решил найти активное вещество путем получения чистых образцов внутренней жидкости дрожжевых клеток. Используя метод, предложенный ассистентом своего брата Мартином Ганом, он измельчил в ступке дрожжи вместе с песком и землей, избежав, таким образом, разрушительного действия высоких температур и не пользуясь растворителями, которые искажали результаты, полученные его предшественниками. Отжатое в марле под давлением ячеистое вещество выпустило жидкость. Он предположил, что эта жидкость способна вызывать брожение. Позже, однако, когда он вместе с ассистентом Мартином Ганом попробовал сохранить эту жидкость, добавив концентрированный раствор сахарозы, выделился углекислый газ. Это было поразительно, ибо, даже, несмотря на то, что дрожжевые клетки были мертвы, ясно было, что нечто в выделенной ими жидкости вызвало

брожение.  Эдвард Бухнер выдвинул гипотезу, что активным веществом является энзим, или фермент, который он назвал зимазой. Его открытие означало, что брожение происходит в результате химической активности энзима как внутри, так и вне дрожжевой клетки, а не под влиянием, так называемой жизненной силы.

Опубликованная в 1897 г. работа  «О спиртовом брожении без участия дрожжевых клеток» вызвала споры среди его коллег-ученых, и в последующие годы Эдвард Бухнер потратил немало времени на сбор фактов в подтверждение своей теории.

В 1902 г. он опубликовал еще одну статью на 15 страницах, в которой объяснял и защищал эту свою работу, а также несколько других, где излагал результаты проведенных им исследований химического воздействия дрожжей на молочный сахар.

В 1907 г. Эдварду Бухнеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенную им научно-исследовательскую работу по биологической химии и открытие внеклеточной ферментации».

Из-за смерти короля Швеции Оскара II церемония награждения была отложена, однако, в письменном представлении от имени Шведской королевской академии наук К. А. X. Мернер обобщил противоречивые взгляды на процесс брожения, которым положили конец проведенные Бухнером исследования. «Пока брожение рассматривалось как выражение жизни, – писал Мернер, – мало было надежды на возможность более глубоко проникнуть в проблему протекания этого процесса».  Вот почему «произошла сенсация, когда Бухнеру удалось показать, что спиртовое брожение может вызываться соком, выделенным из дрожжевых клеток, которые не содержат живых клеток... Недоступные до этого времени области теперь стали объектом химических исследований, а перед химической наукой открылись новые, ранее невиданные перспективы».

В Нобелевской лекции Эдвард Бухнер описал свои открытия и отдал должное предшественникам и коллегам. «Мы все более убеждаемся в том, что клетки растений и животных подобны химическим фабрикам, – сказал он, – где в разных цехах производятся разные продукты. Энзимы в них выполняют роль контролеров. Наши знания об этих самых важных частях живых веществ постоянно увеличиваются. И хотя, возможно, нам еще далеко до цели, мы шаг за шагом приближаемся к ней».

Дальнейшее развитие  опытов братьев Бухнеров привело к изучению процесса ферментации английским  химиком Артуром Гарденом.

Некоторые ученые все еще полагали, что брожение происходит в результате воздействия загадочной «жизненной силы» на живую клетку, но к 1904 г. для        А. Гардена стало очевидным, что ферментация – это совокупность химических процессов. Для подтверждения своей гипотезы он получил препарат зимазы и профильтровал его под высоким давлением через пористый фарфор, пропитанный желатином. Он открыл, что фермент зимаза состоит из двух компонентов, один из которых проходит через такой фильтр, а другой – нет.  Артур Гарден также обнаружил, что брожение прекращается, когда он удаляет какой-нибудь компонент из дрожжевого экстракта. Это было первым доказательством того, что один компонент фермента нуждается в присутствии второго для эффективного функционирования. Он оставил название «зимаза» за одним компонентом, а другой компонент (или кофермент) стал называть козимазой. В дальнейшем он обнаружил, что зимаза является белком, в то время как козимаза белком не является (вещество небелковой природы).

В 1905 г. Артур Гарден сделал свое второе основополагающее открытие: процесс ферментации требует наличия фосфата, состоящего из одного атома фосфора и четырех атомов кислорода. Он отметил, что скорость распада молекулы сахара и образования двуокиси углерода и спирта со временем медленно падает. Однако, когда он добавил в раствор фосфат, активность ферментации резко возросла. Основываясь на данных наблюдения, Гарден заключил, что молекулы фосфата связываются с молекулами сахара, создавая условия для ферментативного индуцирования брожения. Более того, он обнаружил, что фосфат, отделяясь от продуктов реакции, в результате сложной цепи превращений остается свободным.

В 1929 г. Артуру Гардену совместно с Гансом фон Эйлер-Хельпином была вручена Нобелевская премия по химии «за исследование ферментации сахара и ферментов брожения». 

  1.   Первые попытки выделения ферментов в чистом виде

Вскоре были открыты первые протеолитические ферменты - пепсин (Т. Шванн, 1836) и трипсин (Л. Корвизар, 1856). К середине 19 в. было показано, что под действием протеолитических ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептоинов (К. Леман, 1850).

Попытки выделить ферменты в индивидуальном состоянии предпринимали многие исследователи, среди которых следует упомянуть одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского, Р. Вильштеттера и др.  

Исследуя строение белков, Александр Яковлевич Данилевский          (1838-1923) сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории структуры белков. А.Я. Данилевским впервые высказана идея об обратимости действия ферментов и на основании этого осуществлен ферментативный синтез белковоподобных веществ (пластеины). Он разработал оригинальную методику разделения и очистки ферментов путем адсорбции и элюции (десорбция), которую широко используют и в наши дни. В 1862 г. Данилевскому впервые удалось разделить трипсин и панкреатическую амилазу. Эти работы заложили основы современных методов получения белков.

Белковая природа ферментов была однозначно доказана в 1926 г. американским биохимиком  Джеймсом Бетчеллером Самнером (1887-1955), выделившим в кристаллическом виде фермент уреазу из семян канавалии.

  1.  Открытие Дж. Самнера и Дж. Нортропа явлений кристаллизации ферментов  

Честолюбивый исследователь, Джеймс Самнер хотел «выяснить, что такое жизнь, что заставляет организмы, расти, отчего вообще все вертится», объяснял он позднее.

Поэтому он поставил перед собой задачу выделить и получить в чистом виде фермент, сделав, таким образом, свой первый шаг на пути определения химического состава этого важного и в то же время малопонятного биологического соединения.

В то время когда Джеймс Самнер приступил к исследованиям, химия ферментов все еще оставалась тайной, хотя высказывалось немало предположений, что состоят они из белка. Даже великому немецкому химику Рихарду Вильштеттеру  не удалось получить ферменты в чистом виде, и он пришел к заключению, что ферменты представляют собой не белки, а неизвестный еще науке класс соединений.

В ходе подготовки докторской диссертации Джеймс Самнер уже проводил опыты с уреазой, растительным ферментом, который участвует в разложении мочевины.

В 1916 г. была обнаружена высокая концентрация уреазы в канаваллии, тропическом растении, родиной которого является Южная Америка, и именно из бобов канаваллия Джеймс Самнер попытался выделить фермент уреазу. Исходя из предположения, что это белковый фермент, он выделил весь белок, какой ему удалось обнаружить в больших количествах в цветках канаваллия, применяя для этого различные растворители, фильтры и методы осаждения.

После 9 лет безуспешной работы Джеймс Самнер, наконец, выделил микроскопические кристаллы, которые представляли собой белок. Его открытие, опубликованное в 1926 г., было встречено скептицизмом и откровенными насмешками. Особенно критически отнесся к нему                  Рихард Мартин Вильштеттер (1872-1942) со своими учениками, утверждая, что полученные Д. Самнером кристаллы содержат всего лишь какое-то незначительное активное небелковое вещество. В течение последующих 4 лет он защищал свою точку зрения в серии статей, где приводил дополнительные экспериментальные данные в пользу выдвинутой теории.

И только в 1930 г., после того как Джеймс Самнер в течение года занимался изучением ферментов в Стокгольмском университете с Гансом фон Эйлер-Хельпином, его теория наконец-то получила поддержку со стороны американского биохимика  Джона Ховарда Нортропа (1891-1987). 

«За открытие явления кристаллизации ферментов» Джеймсу Самнеру в 1946 г. была присуждена Нобелевская премия по химии.

В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Арне Тиселиус заявил, что «полученные Джеймс  Самнером результаты свидетельствуют о проведенной им новаторской работе, которая впервые убедила исследователей в том, что ферменты представляют собой вещества, которые можно выделить в чистом виде в ощутимом количестве».

«Немало людей говорило мне, что мое стремление выделить фермент – не что иное, как глупость, – вспоминал Джеймс Самнер в своей Нобелевской лекции. – Но эти слова еще больше убеждали меня в том, что, если эта попытка может оказаться успешной, ее стоит предпринять».

Через год после получения Нобелевской премии Самнер был назначен директором новой лаборатории химии ферментов Корнеллского университета, где продолжал свои исследования и нес большую преподавательскую нагрузку.

В 1930 г. Джон Ховард Нортроп (1891-1987) заявил, что сначала выделил в кристаллическом виде фермент пепсин, а 5 лет спустя – трипсин, панкреатический фермент. Эти факты помогли убедить биохимиков в белковой природе ферментов, хотя некоторые из них содержат также и небелковые вещества.

К 1946 г. было выделено и определено около 30 ферментов. 

Следующий шаг в их исследовании был сделан в 1935 г. коллегой Дж. Нортропа по Рокфеллеровскому институту  Уэнделлом Мередит  Стэнли (1904- 1971), который впервые получил кристаллы вируса табачной мозаики, нуклеопротеина. В 1939 г. Джон Нортроп первым выделил бактериальный вирус, а в следуюшем году – дифтерийный антитоксин в кристаллическом виде.

«За получение в чистом виде вирусных белков» Джону Х. Нортропу и Уэнделлу М. Стэнли в 1946 г. была присуждена Нобелевская премия по химии.  Ее вручил от имени Шведской королевской академии наук Арне Тиселиус. Обращаясь к Джону Нортропу, Тиселиус сказал: «Вы и ваши сподвижники превратили кристаллизацию ферментов и других активных белков в искусство, и вы в нем – мастер». В своей Нобелевской лекции Джон Х. Нортроп говорил о том, что опыты, проведенные им и его коллегами – лауреатами, «подтверждают вывод, что источник активности ферментов лежит в самой молекуле белка, а не вызывается небелковыми примесями».

4. Работы, посвященные химической кинетики ферментативного катализа

Следующий этап исследования ферментов связан с выявлением, осознанием и анализом того факта, что ферменты обладают способностью взаимодействовать лишь с избранными субстратами, то есть обладают специфичностью, а также доказательствами того, что субстрат в процессе каталитической реакции образует лабильный комплекс с белком.

Детальное исследование ряда каталитических систем провел Эмиль Фишер (1852-1919 гг.). Он синтетически получил дипептиды и олигопептиды. В 1907 г. им был синтезирован октадекапептид, состоящий из восемнадцати различных аминокислот. В 1894 году Э. Фишер начал цикл работ по специфичности действия ферментов. Эти работы были следствием его исследований структуры сахаров и пептидов. Для объяснения специфичности действия ферментов им было сформулировано положение о том, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку. Это положение не потеряло актуальности и сегодня, оно лежит в основе представлений о стерическом соответствии между субстратом и ферментом. Выдающиеся работы были выполнены Э. Фишером в области химии углеводов и красителей. Работы Э. Фишера заложили основы изучения нуклеиновых кислот. 

В 1902 г. Эмиль Фишер был удостоен Нобелевской премии по химии «за исследования сахаров и пуриновых производных».

То, что фермент взаимодействует с субстратом и образует «фермент-субстратный комплекс», следовало из анализа кинетики каталитической реакции. Впервые скорость ферментативных реакций проанализировал Г. Тамман. Он провел тщательное сравнительное исследование действия ферментов и химических катализаторов гидролиза и показал, что ферментативный гидролиз гликозидов и дисахаридов аналогичен классическому кислотному, исследуемому со времен К.С. Кирхгофа.             Г. Тамман впервые изучил температурные зависимости скорости ферментативной реакции. Результаты работы были опубликованы в 1892 году в «Журнале Русского физико-химического общества» и впоследствии в «Журнале физической химии», издаваемом Якобом Хендриком Вант-Гоффом и  Фридрихом Вильгельмом Оствальдом.

Достаточно завершенную форму химико-кинетические исследования приобрели в работах Луи  Анрии(1834-1913) и Леона Михаэлиса (1875-1949). Из кинетических данных однозначно следовало, что в процессе каталитического действия фермент образует комплекс с субстратом. Интерпретация Л. Анри и Л. Михаэлиса роли этого комплекса была различной, однако оба подхода для объяснения экспериментальных данных постулировали образование фермент-субстратного комплекса.

Значительный вклад в фундамент химической кинетики ферментативного катализа внесли работы Э.Армстронга (1904 г.), обнаружившего эффекты ингибирования ферментативных реакций аналогами субстрата, и С. Соренсена (1868-1939 гг.), продемонстрировавшего  зависимость  скоростей ферментативных реакций от концентрации ионов водорода.

Таким образом, практически все великие химики 19-го столетия внесли свой вклад в создание фундамента химической энзимологии. Их притягивал феномен биологического катализа. Общий, междисциплинарный характер химической энзимологии сохраняется и сегодня.

XX-ый век внес в понимание феномена биологического катализа очень многое. Качественно изменили облик химической энзимологии новые физико-химические методы исследования. Методы молекулярной биологии и генетической инженерии многое прояснили в механизмах реакций и позволили получать биокатализаторы новой структуры, не существующие в природе. В XX-ом веке в науку пришло много исследователей, что способствовало резкому количественному и качественному подъёму знаний. Наконец, появились методы работы с большими объемами информации и проведения вычислений гигантских объемов. Как многие отрасли химии, химическая энзимология стала разделом технической химии.

Нельзя сегодня утверждать, что феномен биологического катализа понят до конца. Основной вопрос, оставшийся неразгаданным – это каким образом возникли биологические катализаторы, обладающие фантастической активностью, как они эволюционируют, не ясны детали многих ферментативных реакций, не до конца прояснены механизмы регуляции активности ферментов и механизмы регуляции их экспрессии, не всегда однозначно прослеживается связь каталитических активностей фермента с физиологическими ответами клетки.

   Открытие  ферментов позволило начать грандиозную  работу по полному описанию всех процессов  метаболизма, не завершённую до сих  пор. Одним из первых значительных находок  в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла  трикарбоновых кислот.

5 .  Дальнейшие направления развития энзимологии

В литературе появляются работы, в которых делаются попытки прогнозирования дальнейшего развития энзимологии на ближайшее десятилетие. Перечислим основные направления исследований энзимологии будущего.

Во-первых, это исследования более тонких деталей молекулярного механизма и принципов действия ферментов в соответствии с законами классической органической химии и квантовой механики, а также разработка на этой основе теории ферментативного катализа. Во-вторых, это изучение ферментов на более высоких уровнях (надмолекулярном и клеточном) структурной организации живых систем, причем не столько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов в сложных системах. В-третьих, исследование механизмов регуляции активности и синтеза ферментов и вклада химической модификации в действие ферментов.  В-четвертых, будут развиваться исследования в области создания искусственных низкомолекулярных ферментов – синзимов (синтетические аналоги ферментов), наделенных аналогично нативным ферментам высокой специфичностью действия и каталитической активностью, но лишенных побочных антигенных свойств. В-пятых, исследования в области инженерной энзимологии (белковая инженерия), создание гибридных катализаторов, сочетающих свойства ферментов, антител и рецепторов, а также создание биотехнологических реакторов с участием индивидуальных ферментов или полиферментных комплексов, обеспечивающих получение и производство наиболее ценных материалов и средств для народного хозяйства и медицины.

Наконец, исследования в области медицинской энзимологии, основной целью которых является выяснение молекулярных основ наследственных и соматических болезней человека, в основе развития которых лежат дефекты синтеза ферментов или нарушения регуляции активности ферментов.

Литература

  1.  Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф.Биологическая химия: [Текст] Учебник.– 3-е изд., перераб. И доп.– М.: Медицина, 1998.– 704 с.: ил.– (Учеб. лит. Для студентов мед. вузов).

  1.  Биохимия – Энциклопедия – Фонд знаний «Ломоносов»  [Элетронный ресурс] Режим доступа: http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0163:article.  

  1.  Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология: [Текст] Учебник / Сергей Дмитриевич Варфоломеев. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 480 с.

  1.  Волков В.А.Выдающиеся химики мира: [Текст] Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И – М.: ВШ, 1991. С. 532-628.

  1.  История открытия ферментов Биофайл Научно-информационный журнал [Элетронный ресурс] Режим доступа: http://biofile.ru/bio/4378.html.  

  1.  Кузнецов В. И.     Общая химия: Тенденции развития: [Текст] — М.: Высш. шк., 1989.—288 с.: ил.

  1.  Химическая энзимология [Элетронный ресурс] Режим доступа: http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0135622:article.        

PAGE   \* MERGEFORMAT 24


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4134. Типи зображень по глибині кольору 532 KB
  Типи зображень по глибині кольору Установка глибини кольору необхідна на початку роботи із зображенням і визначає його тип і кількість можливих відтінків тони (кольори). Розглянемо можливості перенесення кольорів і поняття глибини кольору, використо...
4135. Спусковое регенеративное устройство триггер 502 KB
  Триггеры Триггер — это спусковое регенеративное устройство с двумя или более устойчивыми состояниями, переключаемыми в соответствии с сигналом, поступающим на информационные входы. Существует большое количество разновидностей триггеров, к...
4136. Шифраторы и дешифраторы 375.5 KB
  Шифраторы и дешифраторы Шифратор – специфический преобразователь кодов, - устройство, обеспечивающее выдачу определенного кода в ответ на возбуждение одного из входов. Шифраторы реализуют преобразование унитарного кода (другое название – к...
4137. Дослідження роботи служби www 107.91 KB
  Дослідження роботи служби www 1.Мета роботи Дослідити різноманітні види пошуку та пошукових систем, які використовуються в Internet Хід роботи Досить вказати пошуковий запит і клацнути мишкою на відповідній кнопці, на екрані буде відобра...
4138. Санітарний паспорт кабінету інформатики та інформаційно-комунікаційних технологій 43.5 KB
  Санітарний паспорт кабінету інформатики та інформаційно-комунікаційних технологій Паспортна частина Адреса: Смільчинецький навчально-виховний комплекс Черкаська обл. Лисянський район, с.Смільченці Побудована: по типовому проекту Розташ...
4139. Вивчення закону Ома 110.5 KB
  Вивчення закону Ома Мета роботи. Встановити залежність сили струм від напруги у зразку з монокристалу визначеної речовини та визначити його опір, питому електропровідність та концентрацію носіїв струму. Теоретичні відомості. Електричним струмом пров...
4140. Дослідження залежності моменту інерції тіла від положення осі обертання 192.5 KB
  Дослідження залежності моменту інерції тіла від положення осі обертання Мета роботи. Визначити момент інерції тіла при трьох різних положеннях осі обертання. Теоретичні відомості. Вектор лінійної швидкості спрямований по дотич...
4141. Мультиплексоры и демультиплексоры 372.5 KB
  Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передае...
4142. Робота зі спільними ресурсами в середовищі Windows 2000/XP 60.68 KB
  Робота зі спільними ресурсами в середовищі Windows 2000/XP Мета навчитисьвідкривати доступ до ресурсів компьютера тавикористовуватимережеві ресурси в ОС Windows. Хід роботи Завдання Створюємо в своєму каталозі папку і наз...