книги из ГПНТБ / Кретович В.Л. Введение в энзимологию

УДК 577.15

В. Л. К р е т о Dи ч. Введение в энзн.мологіпо. М., «Наука», 1974 г., стр. 1—352.

Книга представляет собой изложение основных положений со­ временного учения о ферментах. Во введении охарактеризованы предмет и задачи энзимологнн, а также дан краткий исторический очерк развития учения о ферментах. Далее рассматриваются со­ временные представления о структуре белков, методы выделения и очистки ферментов, подробно описываются коэнзимы, даются ос­ новные положения кинетики ферментативного катализа, излага­ ются данные о специфичности и механизме действия ферментов. Особая глава посвящена изложению основных принципов клас­ сификации и номенклатуры ферментов и’ рассмотрению отдельных представителей всех классов и подклассов. На основе сведений о механизме синтеза белка рассматривается проблема биосинтеза ферментов. Последняя глава книги посвящена регулированию действия ферментов в живой клетке.

Второе издание переработано и дополнено автором с учетом новейших достижений энзнмологип.

Книга рассчитана на широкий круг читателей — научных ра­ ботников студентов, аспирантов, а также практических работни­ ков, которые в своей деятельности соприкасаются с вопросами энзнмологнп.

Илл. 121, схем 49, табл. 12, бпбл. 9 стр.

© Издательство «Наука», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Воснову данной книги положены лекции по энзимологии, читаемые автором в Московском технологическом институте пищевой промышленности для студентов спе­ циальности «Химическая технология ферментных препа­ ратов».

Внастоящее время эизимология представляет собой один из наиболее бурно развивающихся разделов биохимии. Это объясняется прежде всего той ролью, которую ферменты играют в биологическом обмене веществ. Благодаря исклю­ чительной эффективности и специфичности ферментатив­ ного катализа обеспечивается лежащее в основе обмена веществ строго согласованное взаимодействие различных ферментативных систем. Естественно, что каждый биолог, работающий в той или иной области экспериментальной биологии, должен быть вооружен знанием основных по­ ложений современной энзимологии.

Наука все более и более приближается к пониманию механизма д р й с т в п я ферментов и осуществлению мечты о получении на этой основе высокоэффективных катали­ заторов, с помощью которых можно будет создавать но­ вые технологические процессы для получения удобре­ ний, пищевых продуктов, лечебных препаратов, раз­ личных материалов.

Впоследние годы бурно развивается промышленность ферментных препаратов, используемых в научных иссле­ дованиях, в клинической практике и разнообразных отрас­ лях народного хозяйства. Необходимо подчеркнуть, что развитие ферментной промышленности целиком и пол­ ностью зависит от успехов и достижений теоретической энзимологии. Поэтому в подготовке специалистов для промышленности ферментных препаратов курс энзимо­ логии должен быть важнейшим теоретическим курсом.

3

«Ферменты есть, так сказать, первый акт жиз­ ненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этнмн веществами, они есть возбудители всех химических превра­ щений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, бла­ годаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни. Они со­ ставляют основной пункт, центр тяжести фи­ зиолого-химического знания».

И. П. Па в л о в

ВВЕДЕНИЕ

Энзимология, или ферментология, является наукой об энзи­ мах (иначе ферментах) — биологических катализаторах белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способ­ ностью активировать различные химические соединения.

латинского fermenium, т. е. «закваска».

Ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни биоло­ гический обмен веществ. Поэтому энзимология составляет важ­ нейший раздел современной биохимии.

В последние годы с помощью высокоочищенных ферментных препаратов, расщепляющих лишь строго определенные связи, удалось расшифровать структуру ряда белков и нуклеино­ вых кислот. Таким образом, высокоочищенные препараты фер­ ментов являются важным средством для расшифровки строения био­ полимеров.

Вместе с тем ферменты имеют большое практическое значение, так как многие отрасли промышленности — виноделие, пивова­ рение, производство спирта, хлебопечение, сыроделие, производ­ ство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов и анти­ биотиков основаны на использовании различных ферментатив­ ных процессов. Поскольку каталитическое действие ферментов отличается исключительной эффективностью и специфичностью, не имеющей себе равных при иефермептативиом катализе, свой­ ства ферментов и механизм их действия привлекают к себе при­ стальное внимание химиков, стремящихся на основе познания сущ­ ности ферментативного катализа создать новые, более совершен­ ные катализаторы для химической промышленности.

Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицинской и агрономической практике — ле-

5

царственных веществ, стимуляторов роста растений, гербицидов, фунгицидов и инсектицидов, в конечном счете сводится к тому, что эти соединения стимулируют или ингибируют то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Поэтому совершенно очевидно, что изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов и ингибиторов имеет первостепенное значение для медицины и сель­ ского хозяйства.

Наконец, интерес к изучению ферментов усугубляется еще тем, что препараты ферментов находят все более широкое приме­ нение в ряде отраслей промышленности, в сельском хозяйстве, медицине и исследовательской работе. Практическое применение ферментов вызвало к жизни новую отрасль промышленности — промышленность ферментных препаратов. В настоящее время различные фирмы США, Европы и Японии выпускают свыше 150 ферментов в виде высокоочищенных, а многие в виде кристалли­ ческих препаратов.

Круг вопросов, изучаемых эизимологией, весьма разнообра­ зен. Это прежде всего разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их состава и молекулярной структуры. Далее, это изучение условий и скорости действия ферментов, а также влияния иа них разнообразных физических и химических факторов. Кардинальной проблемой энзимологии яв­

ментов в живой клетке, регулирование их действия, роль фермен­ тов в осуществлении различных физиологических функций и эво­ люция ферментов в связи с возникновением и эволюцией жизни составляют обширный круг важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых энзимологами.

Уже иа заре цивилизации человек в своей практической дея­ тельности сталкивался с различными ферментативными процес­

вание солода, слюпы и плесневых грибов для осахаривания крах­ малистого сырья, применение заквасок при изготовлении хлеба — все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамят­ ных времен. Однако экспериментальное изучение ферментатив­ ных процессов началось лишь во второй половине XVIII столе­ тия, когда французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр и итальянский натуралист Ладзаро Спалланцани описали свои опыты по перевариванию мяса в желудке птиц. Они заставляли индюков и хищных птиц глотать кусочки мяса, привязанные к тонкой металлической цепочке; когда затем через несколько часов такую цепочку вынимали из клюва птицы, то оказывалось, что за это время мясо полностью растворялось под действием пищевари­ тельных соков. Это растворяющее действие навело Спалланцани

6

на мысль о необходимости исследования особенностей химиче­ ского состава пищеварительных соков. Однако первое точное химическое исследование сложного ферментативного процесса было осуществлено лишь в 1789 г. одним из великих создателей современной химии — Антуаном Лораном Лавуазье, который, пользуясь разработанными им методами количественного хими­ ческого анализа, впервые дал баланс продуктов спиртового бро­ жения, подтвержденный и уточненный в 1810 г. Ж. Л. Гей-Люс­ саком.

В1814 г. действительный член Петербургской академии наук

К.С. Кирхгоф опубликовал результаты своих опытов, показав­ ших, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким обра­ зом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы в виде раствора, и мы с полным правом можем считать дату появления работы Кирхгофа датой возникновения эпзимологии. Вскоре после появления работы Кирхгофа французский химик П. Ж. Робике показал (1830 г.), что в плодах горького мин­ даля содержится растворимое белковое вещество, которое вызы­

вает гидролиз глгокозида амигдалина; позже оно было названо э м у л ь с и н о м.

Важной вехой в истории развития энзимологии явилась ра­ бота французских химиков А. Пайеиа и Ж. Ф. Персо, которые в 1833 г. опубликовали свое исследование, доказавшее, что опи­ санное Кирхгофом активное начало может быть выделено в виде порошка путем осаждения спиртом водной вытяжки, полученной из солода. Это активное начало было названо ими д и а с т а з . Таким образом, работа Пайена и Персо показала, что ферменты могут быть получены не только в виде растворов, но п в виде сухих растворимых препаратов. В 1835 г. Форе описал действие фермента сипигрипазы, гидролизующего глюкозид синигрии, содержащийся в семенах черной горчицы, годом позже Т. Шванн описал пепсин, в 1846 г. А. Дхобранфо открыл в дрожжах раст­ воримый фермент иивертазу, а в 1856 г. Ж. Корвизар открыл трипсин. К середине XIX столетия накопился уже значительный экспериментальный материал о распростраиении и свойствах ферментов.

Важную роль в развитии представлений о природе фермен­ тов сыграла деятельность знаменитого немецкого химика Юстуса Либиха, который вместе со своими многочисленными учениками уделял большое внимание изучению белков и ферментов. Ли­ бих, стремясь обобщить имевшиеся в то время в его распоряже­ нии сведения о природе ферментов и сущности брожения, вы­ сказал взгляд, согласно которому все процессы брожения явля­ ются чисто химическими, вызываемыми растворимыми фер­ ментами, подобными эмульсину миндаля или диастазу солода. Однако в 1856 г. были начаты знаменитые работы осиователя современной микробиологии, великого естествоиспытателя

7

Луи Пастера, посвященные природе брожений. Пастер своими опытами развивал представление о том, что брожение может быть вызвано только лишь живыми микроорганизмами и является неотъемлемым атрибутом их жизни. Вся блестящая аргумента­ ция Либиха и авторитет таких выдающихся ученых, как знаме­ нитый физиолог Клод Бернар и крупнейший химик Марселей Бертло, также стоявших на точке зрения химической природы брожений, не смогли поколебать железную логику эксперимен­ тов Пастера. Необходимо, правда, отметить, что Пастер саді предпринимал неоднократные попытки получить бесклеточный дрожжевой сок, который бы мог вызвать спиртовое брожение. С этой целью он подвергал дрожжи действию высоких давлений, растирал их с песком. Однако его опыты, так же как и опыты других исследователей в этом направлении, в то время не увен­ чались успехом.

Результаты исследований Пастера привели к разграничению растворимых ферментов, получаемых в виде экстрактов или бес­ клеточных ферментных препаратов, и микроорганизмов, вызы­ вающих различные брожения. Первые получили название «неор­ ганизованных ферментов», а вторые были названы «организован­ ными ферментами». Однако, несмотря на неудачи попыток полу­ чения из дрожжей бесклеточных экстрактов, способных вызывать спиртовое брожение, многие физиологи и химики все же продол­ жали придерживаться того мнения, что «организованные фер­ менты» обязаны своим действием присутствию в них растворимых, «неорганизованных» ферментов. Поскольку такое двоякое пони­ мание термина ф е р м е н т вносило некоторую путаницу, В. Кюне в 1878 г. предложил называть «неорганизованные» фер­ менты э н з и м а м и — термином, который с тех пор прочно вошел в науку.

Спор Либиха и Пастера о природе брожений был разрешен в 1897 г. работами немецкого ученого Эдуарда Бухнера, которому удалось, растирая дрожжи с инфузорной землей и подвергая их затем прессованию под очень сильным давлением, получить не содеряшвший клеток дрожжевой сок, вызывающий спиртовое бро­ жение. Таким образом, процесс брожения был осуществлен с по­ мощью содержавшихся в дрожжевом соке растворимых фермен­ тов. На основе этого открытия позже самым детальным образом была изучена каталитическая система дрожжевого сока и отдель­ ные ферменты, входящие в ее состав. Нужно отметить, что боль­ шую роль в развитии исследований, посвященных изучению фер­ ментов, вызывающих спиртовое брожение, сыграл простой и удоб­ ный метод получения так называемых ацетоновых порошков и бесклеточных ферментных экстрактов из дрожжей, предложенный профессором Московского университета А. Н. Лебедевым.

Открытие Э. Бухнера имело очень большое принципиальное значение, так как оно показало, что такой сложный физиологи­ ческий процесс, как спиртовое брожение, является следствием

8

лизм — деление ферментов на организованные и неорганизован­ ные, на ферменты существа и ферменты вещества, который всегда был только результатом непоследовательности научного мыш­ ления его защитников» (Тимирязев, 1939, стр. 489).

Спор о природе брожений и открытие Э. Бухнера стимулиро­ вали интенсивное исследование ферментативных процессов, и уже к началу нынешнего столетия было открыто значительное чис­ ло ферментов.

Ученик Пастера Эмиль Дюкло предложил название фермента производить от названия субстрата, на который данный фермент действует, прибавляя к нему окончание «аза». Это пред­ ложение было принято и применяется до настоящего времени. Правда, нужно отметить, что для некоторых ферментов сохра­ нены тривиальные названия, не подчиняющиеся этому правилу, как, например, пепсин, трипсин, химотрипсин, папаин.

Важным этапом в развитии энзимологии явились работы великого немецкого химика Эмиля Фишера, который в начале ны­ нешнего столетия обосновал современные представления о спе­ цифичности действия ферментов и развил свое ставшее общеиз­ вестным положение о том, что фермент подходит к своему суб­ страту, как «ключ к замку». В лаборатории Эмиля Фишера начали свою деятельность многие выдающиеся биохимики и энзимоло­ ги — Эмиль Абдергальден и Макс Бергманн, известные своими исследованиями по протеолитическим ферментам, один из кори­

9