Наука биохимия представляет собой нечто значительно более широкое, чем приложение химии к биологическим проблемам. Это скорее попытка выявить и в конечном счете воспроизвести те значительно более тонкие и регулируемые химические процессы, которые происходят в живых организмах. Биохимия выросла из изучения процесса брожения, и датой утверждения ее как самостоятельной отрасли науки можно, несколько произвольно, считать открытие, сделанное Э. Бухнером (1860—1917) в 1897 году почти случайно, когда он обнаружил, что размятые дрожжи могли вызывать брожение в сахаре, несмотря на отсутствие живых клеток. Этот факт показал, что причиной брожения является мертвое химическое вещество, то, что было названо энзимом (en Zyrne) в дрожжах, и что большинство других химических реакций, происходящих в живой материи, вызывается подобными же веществами.

Однако потребовалось чуть ли не сорок лет для того, чтобы люди начали хотя бы только понимать природу энзимов и механизм их действия. В великой полемике XIX века—в полемике между Пастером и фон Либихом о природе брожения—оба ученых и были правы, и ошибались. Либих в конце концов имел основания утверждать, что брожение вызывается химическим веществом. С другой стороны, эти вещества не представляли собой лабораторных химикалии, а могли быть произведены только живыми организмами, и в этом был прав Пастер, утверждавший, что жизнь играет в брожении существенно важную роль. Правда, неживые дрожжи, подобно диастазу солода, были известны человеку и использовались им уже на заре истории. Значение открытия Бухиера состояло в том, что оно доказывало давно подозревавшийся факт, что реакции внутри клетки, часто приписывавшиеся действию таинственных жизненных сил, вызываются внутриклеточными ферментами, или энзимами.

Биохимию от более классической органической химии, которая сама происходит из изучения продуктов жизни, в корне отличает то, что она имеет дело с химическими процессами, происходящими внутри и вокруг клеток живых организмов с помощью энзимов. Так, например, имеются две важные операции, выполняемые почти всеми животными организмами,—брожение и окисление, а также еще одна, от которой, по современным представлениям, зависят все остальные, а именно—фотосинтез зеленых растений. Все они просты по своим компонентам, однако осуществляются чрезвычайно сложным путем, проходя через целый ряд этапов, каждый из которых управляется особым энзимом.

Совершенно невозможно в узких рамках этого раздела пытаться распутать и представить историю биохимии так, как она должна быть представлена в соответствии с ее исторической последовательностью, показав одновременно ее взаимодействие с медициной, земледелием и промышленностью. Исходные материалы так разнообразны, что включают в себя фактически несколько тысяч различных химических веществ, отобранных не совсем произвольно из числа многих миллиардов подобных веществ, которые могут быть найдены в живых организмах! Еще более разнообразны и многочисленны происходящие между ними реакции. Ключи к этому лабиринту фактически обеспечены человеческим, социальным и экономическим отбором определенных проблем при попытках объяснить и научиться управлять полезными или вредоносными естественными процессами. Необходимость способствовать брожению или росту или остановить их, познать действие лекарств, сделать анализ подлинных качеств тех или иных продуктов питания—все это сыграло свою роль в развитии биохимии и благодаря успехам, одержанным на каждой стадии (открытие витаминов, гормонов, антибиотиков), шаг за шагом поднимало престиж и усиливало активность биохимии. В стороне от линии главного направления интересов медицины и промышленности не раз открывались захватывающие и вознаграждавшие за все труды неожиданные новые пути, и даже чистое любопытство тоже сыграло здесь свою роль. Великий Гопкинс начал свои исследования в области биохимии с анализа пигмента в крыльях бабочки, что привело его к открытию важной группы птеринов, связанных с пантотеновой кислотой, одним из компонент витамина В.

Если бы даже и удалось сжато изложить историю биохимии так, чтобы она заняла лишь очень небольшое место, ее все же нельзя было бы подать неподготовленному читателю без объяснений, более пространных, чем сама история. Перед лицом этих трудностей и рискуя вызвать раздражение моих друзей-биохимиков, лучшее, что я могу сделать,—это отказаться от исторического подхода и разобрать очень ограниченное число аспектов биохимии, особенно хорошо иллюстрирующих взаимодействие между научным исследованием и общественными силами. Далее, для того чтобы вообще сделать мое изложение удобоваримым, я буду рассматривать успехи биохимии в свете моего данного уровня знания этой науки, каким бы устаревшим оно неизбежно ни было; в результате успехи эти по необходимости предстанут перед читателем на фоне научного знания, совершенно отличного от того, которое фактически существовало в то время, когда они были одержаны. Принятая мною последовательность изложения является скорее логической, чем исторической, но даже и в таком случае трудно представить каждую часть его так, чтобы она находилась в зависимости только от того, что ей предшествовало, а не оттого также, что за ней последует. Поэтому тем, кто достаточно сильно заинтересуется этим изложением, придется, я уверен, прочесть его еще раз.

Я начинаю с краткого описания промежуточных молекулярных строительных блоков, из которых, по видимому, создана большая часть живой материи. Это необходимо как вступление к рассмотрению действия энзимов и коэнзимов, а также процессов брожения, окисления и фотосинтеза. Затем я перехожу к истории витаминов, меченых атомов и гормонов как дальнейших примеров биохимического действия малых количеств специальных веществ. Отсюда я думаю вернуться к рассмотрению наиболее сложных и характерных биологических материалов, белков и сказать несколько слов об их производстве, о пищеварении, а также о той роли, какую они играют в организме.

Это ведет к общему описанию метаболизма и рассмотрению всей биохимии малых организмов, таких, как бактерии и дрожжи. Описание и анализ материалов и процессов, происходящих в организме, представляет собой только первый шаг. Необходимо также объяснить, как они возникли, а рассмотрение этого ведет к постановке вопросов о происхождении и первых этапах развития жизни. Наконец, я скажу также несколько слов и о взаимоотношениях между биохимией и развитием медицины.

Основные молекулы живых организмов

Работа последних лет дала многочисленные подтверждения тому, что скорее именно деятельность непрерывных циклов химических процессов, а не существование какой-либо материальной субстанции придает жизни ее специфический характер. Однако прежде чем окажется возможным рассмотреть эти процессы, необходимо сказать несколько слов о формах молекул, составляющих промежуточное звено между простыми неорганическими молекулами газов, подобно аммиаку или углекислоте, и чрезвычайно сложными белками и нуклеиновыми кислотами, существенно необходимыми для ныне живущих организмов. Логически, а, вероятно, также и исторически молекулы меньших размеров, состоящие примерно из десятка атомов, предшествуют более крупным молекулам, содержащим от тысячи до нескольких миллионов атомов.

Было, по сути дела, показано, что все они могут быть разложены на относительно небольшое число типов, которые, в свою очередь, распадаются в основном на четыре крупные группы, а именно: 1) двадцать с лишним типов аминокислот, из которых состоят белки; 2) несколько азотсодержащих циклических соединений с двойными связями, в том числе пурины и пирияидины нуклеиновой кислоты, пирроли и порфирин клеточных пигментов и множество физиологически активных алкалоидов; 3) растительные кислоты и углеводы, главным образом сахара и их производные; 4) жиры и родственные им стероли. Из этих основных молекул сложены, по видимому, все живые организмы на земле, биохимия которых изучена. И хотя изучены пока еще немногие, приведенные выше должны, очевидно, представлять собой характерные для них всех образцы.

Из этих последних аминокислоты или по крайней мере наиболее простые из них являются, повидимому, наиболее примитивными и были действительно получены Миллером из аммиака и углекислоты, подвергнутых воздействию света. Азотсодержащие кольцевые соединения, по видимому, возникают из первой путем образования кольца и дегидрогенизации. Сахара и карбогидраты получаются, как сейчас представляется, посредством фотосинтеза из углекислоты и воды, однако это сложный процесс и первоначально они произошли, очевидно, из первой группы путем устранения из нее азота. Жиры и стероли являются, по видимому, наиболее далекими от первоначальных материалов, из которых они могли произойти,—кольцевых соединений или Сахаров, но пока происхождение их все еще остается неясным.

Об общем источнике всей существующей сейчас жизни на земле говорит не только присутствие относительно ограниченного числа групп основных молекул, но также и наличие общих путей синтеза и распада во всех живых организмах, причем в первом более отчетливо выступают растения, в последнем— животные. Тот факт, что, если оставить в стороне яды, каждое животное может получить какую-то пищу из каждого растения и что в конечном счете все животные питаются растениями, показывает, что с биохимической точки зрения жизнь представляет собой единство.

Способ действия энзимов

Такое единство поддерживается действием связанных между собой цепей реакций, катализаторами которых ныне являются энзимы, хотя существующие сейчас энзимы не могли быть первыми выполнявшими эту роль молекулами. Действия энзимов, с помощью которых маленькая частица даже неочищенного препарата, вроде сычужка или солода, может преобразить колоссально большое количество так называемого субстрата, вроде молока или крахмала, могли быть познаны только тогда, когда появилась возможность получения энзимов в достаточно чистом состоянии. Добиться этого удалось только в середине 20-х годов, и даже сейчас всего несколько десятков энзимов удалось получить в кристаллическом виде, хотя нам известны довольно чистые препараты сотен других.

Только когда энзимы были очищены, можно было по достоинству оценить их колоссальную действенность. Одна молекула такого энзима, как пероксидаза, может активизировать миллион молекул перекиси водорода в одну секунду. Основное значение очищения состояло в том, что оно показало, что знмаза дрожжей не одним махом превращает сахар в спирт и углекислый газ, а процесс брожения осуществляется примерно двадцатью отдельными энзимами, каждый из которых выполняет одну мелкую химическую операцию, устраняя тот или иной атом из молекулы вещества или изменяя химическую связь. В действительности оказалось, что биологические превращения химических веществ в клетке очень похожи на те, которые совершаются на современном химическом заводе, где каждый реактивный сосуд выполняет только одну операцию и передает видоизмененный материал следующему для дальнейшей переработки. Далее, как оказалось, каждая отдельная операция вызывает очень небольшое изменение энергии, что обеспечивает прохождение реакции при сравнительно низкой температуре, без выделения достаточно большого количества теплоты, способного заметно ее повысить. Система энзимного превращения подобна паре ступенек, которые помогают вступающему в реакцию веществу перешагнуть через высокий энергетический барьер, не нуждаясь в энергии или высокой температуре, необходимой для того, чтобы перескочить через него одним махом.

Стоило только найти способ очищения энзимов, как стало очевидным, что большинство из них представляет собой или содержит протеины. Было давно известно, что протеины, или белковые вещества, подобные яичному белку или постному мясу, встречаются во всех живых клетках и в затвердевшем виде— в таких наружных покровах, как шелк, шерсть или рог. Энгельс уже в 1877 году говорил о жизни как о «способе существования белковых тел». Здесь, в очищенных энзимах, впервые начинает проявляться, по крайней мере, одна причина их важного значения, а именно—их способность вызывать биохимические изменения. Позднее нам придется сказать еще кое-что о структуре белков. Пока же будет достаточно отметить, что большинство белковых энзимов состоит из крупных растворимых молекул, содержащих тысячи или больше атомов, молекулы которых относятся как к кислотным, так и щелочным группам.

Биохимические методы исследования

Биохимические методы, как методы, отличные от методов физической пли органической химии, выросли главным образом именно в связи с изучением действия энзимов. Искусство биохимика состоит в выделении из куска растертой ткани живой материи, вроде печени или зародыша семени, содержащихся в ней различных энзимов. Кроме всех технических приемов химии, старых и новых, биохимик оперирует также приемами, которым он научился или которые он заимствовал от самих энзимов. Часто оказывается возможным путем использования известных лекарств отравить или нейтрализовать какой-либо определенный энзим и, остановив таким образом цепь в соответствующей точке, найти промежуточный продукт. Самая активность энзима, измеряемая топ скоростью, с какой он преобразует вещество, может помочь проследить его. Более активный препарат должен содержать больше энзимов. Если оказывается, что дальнейшее фракционирование уже, повидимому, не повышает активности, то это означает, что он уже почти чист.

Колдовской котел

Метод концентрирования, проводимый под наблюдением за специфичной активностью, является одним из наиболее мощных средств, перенятых биохимиками из классической химии (супруги Кюри использовали его для изоляции радия), которая в свою очередь заимствовала его из практики шахтеров. Используя эти методы, лишь только будет обнаружена какая-то активность, можно будет начинать поиски тех веществ, которые содержат ее в большом количестве; найдя лучшее из них, можно его очистить, причем часто в процессе такой очистки оно выделяет связанные вещества, обладающие совершенно неожиданными свойствами. Используемые исходные материалы являются столь же разнообразными, как те, которыми пользовался примитивный медик или ведьмы в трагедии «Макбет»:

…А потом—спина змеи Без хвоста и чешуи. Песья мокрая ноздря С мордою нетопыря, Лягушиное бедро И сопиное перо, Ящериц помет и слизь, В колдовской котел вались.

Сейчас, однако, они уже больше не смешиваются, а тщательно отделяются друг от друга. Именно таким путем были обнаружены и выделены в чистом виде не только энзимы, но также и витамины, гормоны и антибиотики.

В результате пяти десятков лет терпеливой работы растущей армии биохимиков—в 1911 году в Англии имелось только 50 членов Общества биохимиков, сейчас их свыше 1600—были до конца раскрыты несколько полных цепей реакций и найдены несколько сот энзимов и других биологически активных веществ. Многие из этих последних, с молекулами меньших размеров, были анализированы, а некоторые синтезированы методами органической химии.

Коэнзимы

По мере того как цепи реакций, вызываемых энзимами, начали изучаться более тщательно, было обнаружено, что белки в энзимах действовали не одни. Для хода реакции в равной степени необходимо некоторое количество небелкового материала, обычно растворимого и обладающего небольшим молекулярным весом. Первый из этих коэпзимов—козимаза—был обнаружен Гарденом и Юнгом в 1906 году и идентифицирован в 1937 году Етвиемом как дипуклеотид никотиновой кислоты, витамин, используемый против пеллагры. Количество известных коэнзимов меньше числа энзимов, однако одни и тот же коэнзим может выполнять функции нескольких энзимов. В нескольких случаях было обнаружено, что функция коэизима заключается в получении и передаче атомов или маленьких молекул, освобожденных реакцией главного энзима. Так, например, рибофлавин действует как донатор водорода для превращения кислорода в перекись водорода.

Дыхательные пигменты

Это соединение белкового энзима с маленькой, но активной молекулой выявляет тесный параллелизм .между действием энзимов и так называемых дыхательных пигментов, подобных гемоглобину крови или цитохрому клетки. Дыхательные пигменты состоят из белкового глобулина, слабо связанного с ярко окрашенной и обычно содержащей металл порфириповой группой. Такое сочетание, повидимому, позволяет маленькой молекуле, вроде кислорода, держаться в нем очень слабо, легко вступать в соединение и отделяться от него. Таким путем дыхательные пигменты служат для выполнения решающей операции введения и устранения маленьких молекул в биохимической системе.

Меченые атомы

Специфичность пигментов в значительной степени зависит от входящего в их состав металла: так, например, в гемоглобине —пигменте крови позвоночных активно только железо, в крови головоногих моллюсков—ванадий, в пигменте крови улиток—медь. Поскольку эти вещества очень активны и для молекулы белка, содержащей примерно 5000 атомов, нужен только один атом металла, количества требуемого металла очень малы. Без него, однако, система не будет действовать и животное или растение погибнет. Таково объяснение, найденное для таинственных болезней, вызывавших падение веса крупного рогатого скота и овец, пасущихся на лугах, в почвах которых отсутствует тот или иной металл. Отощание скота, например, может сейчас излечиваться внесением 28 унций кобальта на один акр лугов. Весьма вероятно, что в будущем использование меченых атомов значительно расширит области, где возможно ведение рентабельного сельского хозяйства.

Фотосинтез

Порфирины представляют собой окрашенные молекулы, то есть, иными словами, реагирующие на видимый свет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что один из них—хлорофилл—оказывается самой широко распространенной и эффективной светоулавливающей молекулой в фотосинтезе. Через эту молекулу проходит вся солнечная энергия, вызывающая у растений рост, у животных—движение, а у людей—мысль. Грубый продукт фотосинтеза, происходящего в высших растениях, кажется достаточно простым. Из воздуха усваивается углекислый газ, который, превращаясь в углерод и соединяясь с водой, образует один из видов углеводов—сахар, крахмал или целлюлозу,—а избыточный кислород возвращается в воздух.

Фактически долголетние исследования с применением всех известных фотохимических способов очистки, а также с помощью атомов показали лишь то, что процесс этот очень сложен и пока еще окончательно не разгадан. Действие света выражается, повидимому, в том, что он выделяет кислород из воды, а остающиеся атомы водорода используются затем для восстановления образовавшейся из углекислоты воздуха спиртокислоты в сахар.

Открытие действия дыхательных пигментов, энзимов и коэнзимов указало путь к объяснению давно известных явлений: сильного действия некоторых веществ на крупные организмы, оказываемого даже в тех случаях, когда онн вводятся в них в чрезвычайно малых дозах. Фактически это обстоятельство было известно еще в каменном веке, когда были впервые открыты и начали применяться яды. Слово «токсон» означает на греческом языке стрелу и яд. В нескольких простейших случаях способ действия ядов может быть объяснен. Действие цианистого калия и окиси углерода, например, состоит в том, что они лучше соединяются с гематином гемоглобина и окислительными энзимами, чем кислород, который они должны были бы нести эти последние и тем самым блокируют главный механизм переноса кислорода.

Открытие витаминов

Значение в биологическом процессе очень малых доз некоторых веществ было выявлено также и в наше время, причем, как это ни парадоксально, в обратном порядке, то есть исходя из того, чего не хватает человеку. В прошлом многие болезни приписывались—вполне справедливо—недостаточности питания. Самой серьезной из таких болезней была, конечно, цынга—болезнь моряков. Она была также первой болезнью, которая была определена как авитаминоз.

Уже в XVIII веке капитан Кук спас от нее свой экипаж благодаря огромным запасам свежих фруктов. Однако это средство не было научным, и в связи с огромной популярностью в XIX веке микробной теории болезней оно начало постепенно забываться. Только гений Гопкинса впервые привлек внимание ученых к наличию в полноценной диете небольших доз веществ, при отсутствии которых рост организма останавливался и появлялись болезненные симптомы.

Эти вспомогательные факторы, названные позднее витаминами, дал» непосредственный толчок к изучению биохимии, поскольку здесь, наконец, были открыты химические вещества, которые могли быть применены и применены непосредственно для лечебных целей. Стоило только утвердиться идее о том, что то или иное специфическое состояние обусловлено недостаточностью в организме каких-то веществ, как все усилия и химические методы исследования были направлены на то, чтобы выяснить, чего именно не хватало, выделить те вещества, которые могли ее устранить, определить их формулы и, наконец, получить их синтетическим путем. В этой работе, конечно, было много трудностей, хотя некоторые витамины имели простое строение, как, например, витамин С, или аскорбиновая кислота, впервые выделенная Сцент-Дьерди, парадоксально определившим витамин как «вещество, которое вызывает у вас болезнь, если вы его не употребляете в пищу». Другие витамины были, несомненно, очень сложными. То, что было сначала названо витамином В, оказывается, содержит, по меньшей мере, пятнадцать различных веществ, каждое из которых выполняет в организме свою особую функцию. Вероятнее всего, многие, возможно все, витамины действуют как коэнзимы и могут представлять только те из них, которые, поскольку они обычно встречаются в пище, организм уже утратил способность усваивать.

Социальные последствия открытия витаминов

Открытие и выделение витаминов и определение количества каждого из них, необходимого для поддержания здоровья, в принципе обеспечили первую приблизительно законченную н количественную оценку потребности людей в пище. Таким образом, в XX веке наука дала в руки человечества средство для обеспечения хорошей жизни—в той мере, в какой она зависела от питания,—для населения всего мира. Витамины распространены довольно широко, и, следовательно, разнообразное и обильное питание всегда содержит достаточное их количество. Вот почему авитаминозы являются в первую очередь болезнями бедноты, которые могут быть совершенно изжиты при хорошем экономическом строе и хорошем правительстве. Так, например, если в XIX веке рахит с характерными для него искривленными конечностями был в Англии столь обычным явлением, что его даже называли английской болезнью, сейчас здесь трудно встретить хотя бы один случай этого заболевания. Это весьма недавнее достижение, обусловленное деятельностью служб охраны здоровья матери и ребенка. Между тем еще в 1931 году выборочное обследование показало, что у свыше 80 процентов детей школьного возраста наблюдались те или иные клинические признаки рахита. С другой стороны, у народов, находящихся в менее привилегированных условиях, дело обстоит далеко не так хорошо. В обширных частях Африки все еще существует бери-бери, а пеллагра в Италии и в южных штатах США—обычное явление.

Ценность научного исследования состояла в этих случаях в том, что оно выявляло данные о питании, которые до того смешивались с соображениями, никакого отношения к нему не имеющими. Было так легко приписывать болезни бедноты пьянству или порокам, и пока не становилось совершенно очевидным, что больные истощены или умирают от недостатка пищи, считалось, что для них делалось все, что можно было сделать. Сейчас с нашими новыми знаниями уже нельзя больше скрыть того факта, что лишение людей хорошей пищи, содержащей витамины, является преступлением против человечества. С того момента, как этот факт был твердо установлен и стал широко известным, было уже невозможно больше допускать то, что, по сути дела, являлось умышленным лишением трудоспособности и калеченьем людей.

Весьма характерно, что не подобные соображения, а скорее забота о боеспособности армий во второй мировой войне привела к действительно эффективному использованию властями прикладной науки о питании. Это было осуществлено с таким успехом, что оказалось возможным добиться лучшего состояния здоровья населения Англии, чем оно фактически было до войны, при значительно сокращенных средних нормах питания, что, не будь открыты витамины, неизбежно означало бы широкое распространение авитаминоза, особенно среди детей, равно как и общего роста эпидемических заболеваний.

Гормоны

Значение для организма очень малых количеств специальных молекул не ограничивается, однако, молекулами, принимаемыми в пище. В то же самое время, по мере продолжения этих исследований, другие опыты показывали, что во многих случаях состояние организма зависит от существования мизерных количеств веществ, вырабатываемых в самом организме, обычно в особых местах—в так называемых железах внутренней секреции, функция которых составляла для ранних анатомов тайну. Таким образом, была открыта новая группа веществ—гормоны, или вестники, как их впервые назвал Э. Старлинг (1866— 1927) в 1905 году, такие, как остерон и родственные ему гормоны яичника, связанные с женским половым циклом и лактацией. Другим открытым гормоном является тироксин; неспособность организма вырабатывать его может вызвать базедову болезнь и кретинизм. Основным элементов в тироксине является йод, и его отсутствие во многих районах является основной причиной этих заболеваний, которые могут быть предупреждены при надлежащем распределении иодидов. В случае других гормонов, таких, как инсулин, проблема была более сложной, поскольку сам гормон представляет собой белок и поэтому пока еще не может быть получен синтетическим путем. Больные, страдающие диабетом, зависят от заданной выработки гормона другим организмом, или от инсулина, экстрагируемого из поджелудочной железы крупного рогатого скота и овец. К несчастью, распространенность заболевания диабетом во всем мире значительно больше, чем потенциальное снабжение инсулином от животных. Если мы не хотим допустить смерти сотен тысяч людей от болезни, причины которой могут быть устранены, необходимо предпринять самые решительные и хорошо субсидируемые меры получения инсулина или его заменителей синтетическим путем.

Гормоны растений

Успехи исследований в области витаминов и гормонов не ограничивались одними животными. В 1928 году Вент и другие начали с помощью биохимических методов изучать то, каким образом влияют на рост растений внешние стимулы, такие, как свет и сила тяжести. Сказать, что растения естественно растут вверх и тянутся к свету, значит банальностью прикрыть невежество. Измерение их роста является важным шагом к пониманию роста; однако только с помощью эксперимента, управляя состоянием окружающей среды и изменяя ее процесс, он мог быть постепенно познан. Таким образом были открыты естественные субстанции, ауксины, вызывающие удлинение клеток, а отсюда и рост растения, которое может тянуться прямо вверх или искривиться в зависимости от равномерности распределения ауксинов. Позднее было найдено, что подобное же влияние имеют искусственно получаемые вещества, химически не очень похожие на ауксины. Эти гетероауксины сейчас широко применяются для интенсификации роста растений, в особенности для ускорения развития корней черенков. В более крупных дозах они вызывают неправильный рост и гибель растений, в связи с чем начинают находить себе применение как средство для уничтожения сорных трав. Для патологического состояния капиталистического мира характерно, что некоторые из подобного рода веществ с соблюдением строжайшей секретности и затратой больших средств разрабатываются с целью использования их для уничтожения посевов противника в биологической войне и что такой метод использования их был недавно испытан против крестьян Малайи, не вызвав действенного протеста.

Изучение витаминов и гормонов и в еще большей степени те часто поразительные результаты, которые получаются в практике их применения, делают чрезвычайно заманчивой мысль рассматривать организмы не как механические, а как химические машины, работа которых целиком определяется всей совокупностью вводимых в них активных агентов. Как отмечают опытные биологи и даже биохимики, из того, что введение в организм определенного химического вещества дает известный физиологический результат, еще не следует, что именно это самое или весьма похожее на него химическое вещество вызывает тот же результат в здоровом организме. Надо учитывать наличие еще многих других химикалии и нейрологических факторов, и один и тот же эффект может быть получен весьма различными путями. Тем не менее знание этого факта не должно приводить к какому-то скептицизму или мистицизму в биологии. Если правильно смотреть на него, то он должен послужить стимулом для более глубокого и более широкого биологического исследования.

Иммунология

До сих пор мы говорили о таком свойстве молекул, как их активность в организмах. Некоторые из них обладают другим свойством—специфичностью, которое также связано с белками. Почти случайно в реакции искусственного иммунитета Пастер обнаружил, что безвредная вакцина, взятая из концентрата мертвых бактерий, могла иммунизировать пациента против нападения тех же бактерий в вирулентном состоянии. Это открытие легло в основу новой науки—иммунологии. Ее практические успехи были отмечены буквальной ликвидацией таких болезней, как дифтерит.

По сути дела, это открытие представляет собой только дальнейший этап в выявлении процессов, которые на протяжении миллионов лет выполняли функцию защиты животных от заразных заболеваний. Их распознавание и использование человеком также скрыто в глубине истории. Никто не знает происхождения метода прививки против оспы, издавна практиковавшегося на Востоке, однако он мало чем обязан науке. И тем не менее именно из этого источника Джеинер почерпнул в 1796 году свой метод прививок, имевший важное значение потому, что это был первый случай научного применения принципа защитной иммунизации, традиционно используемого доярками против более слабой формы этой болезни, наблюдающейся у рогатого скота. Должно было пройти почти 80 лет, прежде чем эта первая попытка получила дальнейшее развитие, и только в нашем веке принципы иммунизации нашли себе широкое применение. То же самое произошло позднее, когда была сделана серьезная попытка применения к человеку старого способа переливания крови.

Группы крови

Сначала наряду с успехами имели место и неприятные случаи; причем было обнаружено, что белки в крови некоторых людей имели свойство вступать в реакцию и, по сути дела, осаждать кровяные тельца у других людей. Это открытие положило начало изучению Ландштейнером групп крови, что должно было оказаться таким неоценимым средством для спасения жизни во время воины, а также и в мирное время. Обе эти реакции основываются на том факте, что белки обладают высокой специфичностью; что каждый вид белка может выступать в организме как агент для выработки антитела, которое будет осаждать в будущем данный и только данный белок. Механизм этой реакции все еще остается неясным, однако о нем известно достаточно для того, чтобы показать, что она затрагивает только одну определенную часть молекулы белка. Дальнейшее ее изучение неизбежно прольет свет на важные в биологическом отношении детали структуры белка.

Структуры молекул белка

Изучение специфичности и функций энзимов начинает вскрывать ту важную роль, которую, по всей вероятности, играют белки в живых существах. Они придают им одновременно индивидуальность и активность. По сравнению с большинством молекул, изучаемых органической химией, белки имеют очень сложную структуру. Прежде всего их молекулы велики—слишком велики, чтобы поддаваться обычным химическим методам измерения, но достаточно велики, чтобы поддаваться физическому измерению, как это показал Сведберг, когда выделил их с помощью ультрацентрифуги—своего рода сепаратора, но вращающегося в сто тысяч раз быстрее.

Еще более удивительным было то, что белки могли быть превращены в кристаллы, то есть что миллионы одного и того же рода белковых молекул могли строиться, пользуясь выражением Ньютона, «по рядам и шеренгам» с той же правильностью, какая наблюдается у простейших атомов в неорганических кристаллах. Это означает, что молекулы белков любого данного типа в основном идентичны. Такая идентичность не обязательно должна быть абсолютной вплоть до последнего атома или связи, однако способность к кристаллизации действительно означает, что молекулы отличаются друг от друга по своей форме и размерам всего лишь в пределах нескольких процентов.

Существование белковых кристаллов дало возможность исследовать структуру белка с помощью того же рентгеновского анализа, который раньше применялся к органическим кристаллам. Таким образом были установлены точные размеры белковых молекул, которые колеблются от молекул, содержащих 1000 атомов, до таких, которые состоят из миллионов атомов,—в большинстве случаев атомов углерода, азота, кислорода и водорода. Рентгеновский анализ дал также некоторое представление о способах соединений этих атомов. Наиболее вероятной в данный момент гипотезой является то, что они состоят из связок цепочек аминокислот, довольно прочно соединенных друг с другом посредством электрических зарядов.

Структура составляющих белки цепочек постепенно выясняется при помощи новых методов—физических и химических. Первым решающим шагом явилось определение Сангером в 1952 году точного порядка аминокислот в двух цепочках, составляющих молекулу инсулина. Это открытие явилось величайшем победой аналитической химии. Как эти цепочки сложены или свернуты, пока еще не известно. Мы все еще очень далеки от разрешения проблемы структуры белков. До тех пор пока наши знания о ней не расширятся, мы не сможем дать сколько-нибудь основательного ее объяснения, то есть такого объяснения, которое привело бы к более или менее полному и сознательному управлению процессами, связанными с белками. Под этим мы понимаем не только уже рассмотренные нами чисто химические процессы, но также и элементарные физиологические функции, такие, как сокращение мышц, от которого зависит движение всякого животного, и передача нервных сигналов.

Волокнистые белки

Как мышцы, так и нервы состоят из волокнистых белков, и из них же образованы инертные части животных организмов, такие, как коллаген хрящей, кератин волос, ногтей и рогов, а также шелк у насекомых и пауков. Эти твердые волокнистые белки могут рассматриваться в известном смысле как побочные биологические продукты, экскременты, сохраненные для структурных целей. Ту же самую роль играет волокнистая целлюлоза в растениях и хитин в жестком панцире насекомых. Именно в силу своей твердости, крепости и устойчивости волокнистые белки оказались неоценимыми для человека, начиная с первобытных времен, став затем основой крупной шерстяной, шелковой и кожевенной промышленности.

По той же самой причине они были первыми белками, исследованными с помощью рентгеноанализа. Работа Марка и Астбэри (Astbury) показала, что эти белки представляют собой цепочки аминокислот, скрученные в таких эластичных белках, как шерсть, и прямые в жестких белках, подобных шелку. Это открытие много сделало для того, чтобы дать научную основу для видоизменения старых методов и обеспечить средства для создания новых текстильных волокон. Уже удалось получить целый ряд новых второстепенных волокнистых белков из естественных глобулярных белков, таких, как арднл из эдестина земляных орехов; а подлинно синтетические белки, подобно полибензоиловому глютамату, могут сейчас получаться в форме волокна и угрожают конкурировать с целиком искусственными полиамидами найлона.

Структура и происхождение глобулярных белков

Однако от искусственного производства волокнистых белков из аминокислот до действительного построения активных, так называемых глобулярных, молекул белка—дистанция огромного размера. Это, по видимому, зависит от того, каким образом складываются и сворачиваются пептидные цепочки, чтобы образовать определенную молекулу, как, например, молекулу инсулина. Эта проблема решается по линии физической, биохимической и цитологической. С помощью рентгеноанализа ведутся поиски абсолютного решения, которое позволило бы определить место каждого атома, но такое решение, несмотря на остроумпуюспиральпую гипотезу Пяулннга. будет, по видимому, найдено не раньше чем через несколько лет. Тем не менее уже сейчас очевидно, что существуют белки всех степеней сложности, начиная с просто сложенных цепочек,—узлов таких связок, как, например, в гемоглобине,—и кончая правильными группами таких узлов в вирусных белках.

Бресслер в СССР сделал попытку получить ресинтез белков, направив действие в обратную сторону с помощью высокого давления. В природе, как кажется, если следовать идеям Касперона, белки в клетке синтезируются при помощи нуклеиновых кислот, причем каждый тип нуклеиновых кислот дает свой собственный тип белка. Это происходит нормальное процессе роста под влиянием хромосом и микросом и аномально—при вирусных инфекциях, а также, повидимому, под воздействием рибонуклеиновой кислоты.

Обмен веществ

Одной из центральных проблем биологии является обмен веществ. Как уже указывалось, некоторые из процессов обмена веществ, как, например, сгорание сахара, более или менее изучены; однако значительная часть работы еще впереди и изучение конструктивной части метаболизма, или анаболизма, еще едва только началось. Одно стало, однако, вполне ясным в самое последнее время главным образом благодаря использованию меченых атомов: как анаболизм, или создание сложных соединений из более простых структур в организме, так и катаболизм, или разрушение их, происходят значительно более ускоренными темпами, чем это до сих пор предполагалось. Молекулы в нашем теле н во всяком организме находятся в состоянии непрерывного восстановления, и атомы протекают через него почти непрерывным потоком. Весьма вероятно, что никто из нас не сохранил больше чем несколько атомов, с которыми мы начали свою жизнь, и что, даже будучи взрослыми, мы, вероятно, меняем большую часть материала нашего тела всего за несколько месяцев.

Похожие статьи:

1. Закон сохранения материи и энергии
2. Биомембраны
3. Принципы передачи химической энергии
4. Циклы химических реакций
5. Принципы устройства биологических мембран