По словам самого Самнер а, ему просто повезло с выбором фермента. Вильштеттер работал с сахаразой и не мог получить даже ее концентрат. Самнер взял для исследования семена растений, в которых в большом количестве содержался фермент уреаза. После многолетних экспериментов он получил наконец это вещество в кристаллической форме путем охлаждения и центрифугирования гомогената из растительных клеток. Значение этого экспериментального результата нельзя недооценивать, особенно если учесть, что лаборатория Самнера располагала незначительными средствами и имела мало сотрудников, а сам он еще в 17-летнем возрасте лишился руки.
Вначале сообщение о том, что кристаллизован фермент, было встречено с недоверием. Однако постепенно число сомневающихся в результатах Самнера становилось все меньше, и, наконец, последний из них, Рихард Вильштеттер, признал себя побежденным. Вслед за этим подобными опытами увлеклись многие ученые, и вскоре были достигнуты новые успехи. Вторым биохимиком, сумевшим получить ферменты в кристаллическом виде, стал Джои Хоуарт Нортроп из Принстона.
Американский биохимик занимался исследованием желудочных соков. Еще в конце прошлого века возникло подозрение, что это белковые вещества. Пекельхаринр был «на пороге» этого открытия. В 1920 г. Дж. Нортроп, повторив его эксперименты, значительно усовершенствовал их и через 10 лет сумел выделить из желудочного сока чистый пепсин. Впоследствии Нортроп и его сотрудники, совершенствуя свою методику, получили еще пять ферментов.
Это были выдающиеся открытия в области химии ферментов и вообще белков. Разработанные учеными способы выделения этих сложных веществ — и именно в кристаллической форме—имели исключительное значение для их исследования, особенно методом рентгеноструктурного анализа. Вершиной этих исследований стало получение в кристаллическом виде вирусов табачной мозаики и полиомиелита, которое осуществил в 1932 г., также в Принстоне, Уэнделл Мередит Стэнли.
Вирусы были открыты русским ученым Дмитрием Иосифовичем Ивановским в 1892 г. Шесть лет спустя их исследовал Мартин Бейеринк, который первым высказал мысль, что это какой-то новый тип возбудителей заболеваний исключительно малых размеров, невидимых в микроскоп. Когда Стэнли удалось получить вирусы в кристаллической форме, это послужило подтверждением их белковой природы, и показало, что они занимают промежуточное положение между живым и неживым миром.
Исследования Самнера, Нортропа и Стэнли завоевали в 30-е годы признание во всем мире. В 1946 г. эти ученые были удостоены Нобелевской премии по химии. Дж. Самнер получил половину премии (за доказательство белковой природы ферментов и выделения их в виде кристаллов), другая половина была разделена между Дж. Нортропом (за выделение ферментов в кристаллическом виде) и У. Стэнли (за получение вирусов в кристаллическом виде).
Исследования кофермеитов показали, что многие из них относятся к нуклеотидам. Эти вещества представляют собой комплекс из трех связанных между собой соединений: остатка фосфорной кислоты, сахара (пентозы) и одного из азотных оснований (пурина или пиримидина).
Когда английский ученый Александер Тодд в 40-е годы приступил к исследованию нуклеотидов, их состав в общих чертах был известен, однако оставалось неясным, как связываются между собой различные субструктуры. В 1949 г. Уолдо Кои определил, в каком месте пятиатомного кольца сахара присоединяются другие соединения. Тодд развил эти идеи и установил точную структуру нуклеотидов. Его результаты не только сыграли исключительно важную роль в энзимологии, но и заложили основы для исследования структуры ДНК, осуществленного Фрэнсисом Гарри Комптоном Криком, Джеймсом Дьюи Уотсоном и другими. учеными.
А. Тодд известен также своими исследованиями витаминов и ряда других биологически активных природных веществ. Свою научную деятельность он начал у Роберта Робинсона с опытов над растительными пигментами — антоцианами в 30-е годы. Наибольшую известность, однако, получили его исследования нуклеотидов и нуклеотидокоферментов, за которые он и был удостоен Нобелевской премии по химии в 1957 г.
В 50-е годы в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке работали два исследователя, чьи имена для биохимиков неразрывно связаны. Это Станфорд Мур и Уильям Хоуард Стайн, внесшие огромный вклад в исследование структуры ферментов.
Биокатализаторы являются белковыми телами, и их исследование составляет часть химии белков. Большие достижения здесь принадлежат Эмилю Фишеру, который установил, как связываются аминокислоты (из которых построены все белки). Английский ученый Фредерик Сенгер разработал в 50-е годы метод определения последовательности аминокислот в белках. Он определил структуру гормона инсулина, за что в 1958 г. был удостоен Нобелевской премии по химии. В то же самое время С. Мур и У. Стайн усовершенствовали метод, создав автоматическую установку для исследования полипептидных цепей, из которых построены белки.
В 1960 г. эти два исследователя определили первичную структуру, т. е. последовательность соединения аминокислотных оснований в панкреатической рибонуклеазе. Параллельно они усовершенствовали свою методику, развив дальше метод Сенгера: исследуемые белковые молекулы разделялись с помощью ферментов на отдельные фрагменты. (Биохимикам хорошо известно, что различные ферменты разрывают молекулы в разных точках.) Получался набор белковых фрагментов, которые разделялись с помощью ионообменных смол и анализировались. Эти фрагменты частично взаимно перекрывались, что позволило путем их сопоставления определять общую последовательность аминокислот.
Стайн и Мур установили первичную структуру и других ферментов. Параллельно с ними работал Кристиан Бемер Анфинсен, который изучал связь между первичной (упорядоченностью аминокислот в цепях) и третичной (пространственным расположением этих цепей) структурами. Вторичная структура ферментов была исследована Лайнусом Карлом Полингом в конце 40-х годов. Он установил, что несколько полипептидных цепей закручивается, образуя различного рода спирали. В свою очередь спиральные нити также деформируются определенным образом, создавая третичную структуру.
Исследованием именно этого наиболее общего строения белковой молекулы, определяющего ее форму и функцию, занялся Анфинсен из Национального института здравоохранения в Бетесде (близ Вашингтона). Он установил, что при денатурации белка (когда клубок полипептидной цепи раскручивается) возможно спонтанное восстановление пространственной структуры (обратное раскручиванию белка). Разумеется, это происходит в том случае, если сами цепи не повреждены. Эти результаты привели Анфинсена к выводу, что в первичной структуре белка заложена вся информация о пространственном строении его молекулы. Для химиков это был очень важный вывод. Он означал, что достаточно только правильно упорядочить аминокислоты в цепи — и можно искусственным путем синтезировать молекулу белка, которая ничем не будет отличаться от природной.
Исследования Стайна, Мура и Анфинсена оказали большое влияние на развитие химии белков и особенно на исследование ферментов, которые относятся к числу наиболее интересных белковых молекул. В 1972 г. за фундаментальный вклад в химию ферментов эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по химии.
XI. ФОТОСИНТЕЗ
В середине XVIII в. ученые заметили, что процессы горения, окисления и дыхания связаны с расходом кислорода из воздуха. Возник тревожный вопрос: не исчерпается ли в один прекрасный день в атмосфере этот живительный газ? Пожалуй, это был один из первых случаев, когда научное открытие предвещало опасность для существования мира. Впоследствии не раз возникали подобные ситуации, но, к счастью, со временем выяснялось, что пессимистические прогнозы — это лишь результат ограниченности человеческих знаний. Так произошло и в 70-е годы XVIII в., после того как Джозеф Пристли поставил свои знаменитые опыты по фотосинтезу.
В 1771 г. он сообщил, что на свету зеленые растения восстанавливают воздух, «испорченный» дыханием животных или в процессе горения. Пристли открыл круговорот кислорода в природе, установив, что в организме животных он соединяется с углеродом, образуя углекислый газ, а затем восстанавливается в процессе жизнедеятельности растений. Человечество могло дышать спокойно.
В 1918 г. французские ученые Жозеф Пелетье и Жозеф Каванту выделили из листа растения зеленый пигмент, которому дали название «хлорофилл» (от греческого «хлорос» — зеленый и «филон» — лист). Великий Берцелиус не оставил без внимания и этот вопрос и в 1837 г. попытался исследовать свойства хлорофилла, подвергнув его воздействию сильных кислот и щелочей. В 1864 г. английский ученый Джордж Стоукс установил, что зеленый растительный пигмент состоит из смеси различных веществ. Наиболее полно этот вопрос был изучен русским ученым Михаилом Семеновичем Цветом с помощью созданного им метода хроматографии.
