Искусственное получение витамина К явилось большим подарком для медицины. Его начали широко применять для остановки кровотечений, при хирургических операциях, для лечения заболеваний печени и т. д. Использование витамина К для лечения новорожденных, у которых такой авитаминоз часто встречается, позволило значительно снизить детскую смертность.
В 1944 г. Нобелевский фонд возобновил вручение премий, которое вследствие войны было прервано на три года (1940—1942). Поскольку правила фонда допускают задержку объявления премии на год, это дало возможность вручить в 1944 г. премии лауреатам 1943 г. В области медицины ими стали X. Дам и Э.А. Дойзи — за открытие витамина К и определение его химической структуры.
Витамины, как сравнительно низкомолекулярные соединения, можно было успешно исследовать методами органической химии. Однако при исследовании самого сложного из них (витамина В12) возникла необходимость в более современных средствах. После восьмилетних кропотливых исследований Дороти Кроуфут-Ходжкин из Оксфордского университета определила наконец его строение методом рентгеноструктурного анализа.
Витамин В12 был открыт в 1948 г. Ученые установили, что он синтезируется различными микроорганизмами, прежде всего обитающими в кишечнике жвачных животных. Человек также получает это вещество от микроорганизмов, находящихся в его пищеварительном тракте. Однако иногда этот чрезвычайно тонкий процесс нарушается — и наступают тяжелые авитаминозы. Вскоре после открытия витамина B12 выяснением его структуры и занялась английская исследовательница.
Через восемь лет, в 1956 г., строение витамина В12 стало известно. Это явилось триумфом метода рентгеноструктурного анализа. Впервые таким образом была раскрыта структура столь сложного вещества. Необходимо вместе с тем отметить, что уже в то время другие ученые готовились к более сложным исследованиям. Макс Фердинанд Перуц и Джон Коудери Кендрю определили структуру таких сложных белков, как гемоглобин и миоглобин, за что в 1962 году получили Нобелевскую премию по химии. Их сенсационные результаты были достигнуты с помощью более современных средств рентгеноструктурного анализа с использованием ЭВМ.
Однако в 1964 г. Нобелевский комитет по химии, проявив уважение к пионерам в этой области, принял решение присудить премию Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая установила структуру пенициллина и витамина B12 без ЭВМ и современной техники.
Ферменты
Одним из основных жизненных процессов является биокатализ. С ним человек сталкивался еще в доисторические времена, когда, по всей вероятности, началось изготовление спиртных напитков. В XVIII в. Антуан Лоран Лавуазье исследовал ферментацию при получении спиртов и пришел к выводу, что в ходе этого процесса сахар распадается на спирт и двуокись углерода. Жозеф Луи Гей-Люссак, произведя точный количественный анализ, установил, что масса спирта и двуокиси углерода, вместе взятых, равна исходной массе сахара. Это доказывало вывод Лавуазье. Причины этого процесса установил еще в 1860 г. Антони ван Левенгук, наблюдая дрожжи в микроскоп.
Прошло, однако, более 150 лет, прежде чем получила развитие клеточная теория и ученые пришли к заключению, что ферментация является функцией живых клеток, В первой половине XIX в. были накоплены интересные данные о процессе катализа, в частности о биокатализе. В 1814 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф открыл в ячменных зернах вещество, которое превращало крахмал в сахар. Это был фермент амилаза. В 1833 г. его выделили французские химики Ансельм Пайен и Жан Персо. В то же самое время Йене Якоб Берцелиус предложил извлекать вещества, вызывающие ферментацию из живых клеток путём растирания их в порошок. Подобный эксперимент провел в 1846 г. в Берлине Фридрих Люденсдорф. Растерев на стекле клетки дрожжей, он добавил их в сахарный сироп, однако никакой ферментации не произошло.
Подобные опыты нанесли серьезный удар точке зрения Йенса Берцелиуса, Юстуса Либиха и Фридриха Веллера, которые считали, что биокатализ и ферментация — это обычные химические процессы. В то же самое время другие ученые высказывали мнение, что в живом веществе действуют особые процессы, которые не сводятся к чисто химическим. Получили также распространение идеи о некой таинственной «жизненной силе», которая и служит отличительным признаком живого от неживого. В то время подобная идея выглядела весьма привлекательной. Конец этому положил Луи Пастер, который своими оригинальными опытами показал, что ферментация возможна только при наличии живых клеток. Эксперименты крупного французского ученого были безупречны, однако они не отрицали возможности действия ферментов и вне живой клетки: ведь никому не удавалось выделить эти вещества в устойчивом состоянии. Такую задачу поставил перед собой в 1893 г. Эдуард Бухнер из Мюнхенского политехнического института. При содействии Адольфа Байера в институте была создана лаборатория по исследованию ферментов. Бухнер намеревался провести эксперименты с целью разрушения клеток и извлечения из них биокатализаторов. Руководство, однако, посчитало, что из подобных опытов, которые уже неоднократно ставились десятилетия назад, ничего не получится, и обязало Бухнера заняться другой темой.
Тогда ему пришлось обратиться в различные университеты. Он отправился в Киль, затем в Тюбинген и наконец, в 1896 г., во время летнего отпуска смог провести задуманные эксперименты в лаборатории своего брата Ганса, известного бактериолога Института гигиены в Мюнхене. Бухнер смешивал дрожжи с кварцевым песком и путем сильного встряхивания добился разрушения клеток. Он предложил метод фильтрации тонкой гомогенной массы под большим давлением. Так, из дрожжей был получен сок, обладающий большой ферментационной способностью. В нем не было ни одной частицы живого вещества, но, несмотря на это, сахар разлагался.
Эти опыты, удачно завершенные в 1897 г., положили начало современной энзимологии. В 1907 г. Эдуард Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии за открытие бесклеточной ферментации. После проведенных Э. Бухнером исследований сложных биокатализаторов, которые известный биохимик Вилли Кюне назвал энзимами или ферментами, стало возможным изучать их химическими методами.
Опыты Бухнера расширил и усовершенствовал английский биохимик Артур Гарден. В начале века стало известно, что при нагревании ферменты теряют активность. В 1906 г. Гарден и Уильям Юнг провели интересный эксперимент. Добавив к соку живых дрожжей сок прокипяченных дрожжей, они обнаружили, что ферментация резко усилилась. Это навело исследователей на мысль, что фермент состоит из каких-то двух веществ, одно из которых — термостойкое. Бухнер назвал открытый им фермент зимазой — от греческого названия дрожжей. Гарден ввел понятие «козимаза», которым он обозначал устойчивый компонент фермента[18].
Разработка метода ультрафильтрации через желатиновый фильтр открыла перед исследователями новые возможности. Этим методом Гарден разделил зимазу на составные части: через фильтр проходил только коэнзим, оказавшийся достаточно низкомолекулярным соединением. Гарден установил, что в разложении сахара определенную роль играет фосфорная кислота, которая соединяется с ним, образуя глюкозодифосфат. Так, Гарден выделил промежуточный продукт биологического распада углеводов.
Дальнейшие исследования в этой области связаны с деятельностью шведского ученого немецкого происхождения профессора Стокгольмского университета Ханса фон Эйлер-Хельпина. В 1906 г. он вместе с Карлом Мюрбеком приступил к исследованию ферментов. Производя разделение фермента от кофермента по методу Гардена, они после длительных экспериментов установили, что козимаза — это вещество из группы нуклеотидов (соединений аденина с пентозой) с молекулярным весом 490. X. Эйлер-Хельпин установил, что этот кофермент встречается и во многих других биокатализаторах, выполняющих самые разные функции. Это стимулировало исследование коферментов. Эти вещества сравнительно просты, и определение их структуры позволило применить методы органической химии для исследования процессов обмена веществ, связанных с переносом водорода.
Исследования Гардена и Эйлер-Хельпина явились очень важным этапом в развитии энзимологии. Оба ученых были удостоены в 1929 г. Нобелевской премии по химии за расшифровку механизма брожения и исследования в этой связи ферментов.
Еще в прошлом веке некоторые ученые пытались выделить в чистом виде и исследовать вещества, вызывающие биологический катализ. В 1896 г. Корнелис Пекельхаринг выделил белок из желудочного сока, однако не смог убедительно доказать, что это фермент, активизирующий процесс переваривания пищи. Большую работу по. выделению ферментов в чистом виде проделал со своими сотрудниками немецкий химик Рихард Мартин Вилып-теттер. Они добились в этом определенных успехов, и Вильштеттер высказывал даже предположение, что ферменты не относятся ни к белкам, ни к углеводам, а представляют собой какой-то новый тип веществ с неизвестной структурой. Подобные туманные рассуждения продолжались до 1926 г., когда Джеймсу Бетчеллеру Самнеру из Корнеллского университета удалось получить кристаллы фермента уреазы и он доказал, что это белок. Самнер начал свои исследования в 1917 г., и они вызвали немало насмешек со стороны его коллег, находившихся под влиянием идей Вильштеттера. Однако такое отношение только еще более подталкивало исследователя к достижению поставленной цели[19].
