Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Образцов Петр Алексеевич

Пищевые и многие другие бытовые отходы на свалках благополучно поедает микроб, но полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат и прочие пластики он переварить не в состоянии. Однако те же химики могут решить проблему уничтожения полимерных бытовых отходов, синтезируя съедобные для микробов материалы. И определенные достижения есть — например, в Японии выпускают столовую посуду из модифицированного крахмала. Такие тарелки и чашки — в сущности, из обычной картошки — охотно поедают микробы, а при желании их могут есть и люди (ну если уж очень голодны). Этакие вангоговские «Едоки картофеля» на современный лад.

Однако

из такого полимера невозможно изготовить бутылки для питьевой воды, пива и прочих жидкостей, а именно они составляют большую часть неразлагающегося мусора. Сейчас их формуют из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), а «картофельные» и прочие съедобные полимеры не в состоянии удовлетворить предъявляемым к ПЭТФ-бутылкам требованиям — выдерживать давление газа, быть легкими и совершенно инертными к содержимому. Но в конце концов американские химики сумели получить съедобный для микробов полимер из отходов растениеводства, например стеблей кукурузы или соломы. Для этого им потребовалось разработать органические катализаторы, ведущие реакцию синтеза в нужном направлении. Эти катализаторы безвредны и в принципе их можно использовать даже при изготовлении полимерных капсул для лекарств, растворяющихся в желудочном соке.

Мало того, выброшенные бутылки из пластмассы можно использовать как сырье для новых бутылок, то есть проводить рециклизацию. Но для этого, разумеется, опять требуется сортировка мусора, то есть ядовитый дым горящих свалок развеется не скоро.

Действие многих сильнейших ядов основано на ингибировании (подавлении) активности ферментов человеческого организма. Так происходит потому, что функционирование организма, то есть самоё жизнь, определяется и регулируется ферментами. О них в следующей главе.

Глава 6

Из дрожжей

Время от времени в печати появляются заметки, согласно которым некий западный профессор (скорее всего, прохиндей) рассчитал стоимость человека средних размеров. Ну конечно, мы состоим из стольких-то килограммов водорода, кислорода, углерода, азота, изрядного количества фосфора и кальция и мизерного количества различных микроэлементов. Если взять рыночную стоимость этих веществ и сложить, то можно якобы увидеть, что человеческое тело стоит всего-то пару десятков долларов.

Но все это чушь. Такой расчет в принципе неверен и невозможен уже хотя бы потому, что не существует никакой рыночной стоимости углерода или фосфора. В торговых справочниках можно найти цену на эти и многие другие вещества, но всегда с указанием степени очистки. Это означает, что привычное нам железо действительно может стоить несколько десятков центов за килограмм, но только железо невысокой чистоты, которое обычно и используется в промышленности и в быту. Гвоздь, например, сделан из железа с чистотой примерно 97 %. А вот железо с чистотой 99,9999 % и выше стоит в тысячи раз дороже, чем обычное. То же самое относится к кислороду, водороду и прочим элементам, из которых состоят наши тела, как говорил Платон, «временные пристанища души». Ну и какую же чистоту имеет в виду тот «профессор»?

Но это еще не все. Самое важное, пожалуй, то, что человек состоит все-таки не из элементов, а из их соединений, среди которых есть и дешевые — вода, фосфаты кальция в костях — и невероятно дорогие, стоящие намного дороже золота. К таким веществам относятся прежде

всего ферменты, о которых благодаря рекламе стиральных порошков в последнее время узнали даже те, кто не имеет никакого отношения к химии.

Переварить можно все, но не всем

Само слово «ферменты» происходит от латинского «fermentum», брожение или закваска. В научной литературе и в англоговорящих странах для этих соединений принято использовать другое название — энзимы, взятое уже из греческого языка. На упаковках порошков и этикетках косметических средств, произведенных за границей или на наших предприятиях, купленных иностранцами, часто используют именно этот термин ввиду лености переводчиков. Бороться с этим бессмысленно и, видимо, не нужно, тем более что исконно русское слово «ферменты» оказалось, увы, латинским.

Происхождение слов «фермент» и «энзим» говорит о давности знакомства человечества с этими веществами. И неудивительно — ведь без них не испечешь хлеб, не сделаешь вино или сыр. Однако только в 1897 году Эдуард Бухнер доказал, что для сбраживания сахара в спирт не требуются живые микроорганизмы дрожжей — вполне можно обойтись соком дрожжевой культуры с удаленными клетками. Кстати, так уж сложилось, что изобретенную им фарфоровую воронку, используемую в любом химическом кабинете или лаборатории, мы называем воронкой Бюхнера, а открывателя ферментов — Бухнером. Хотя это один и тот же человек и правильнее все-таки писать его фамилию через «у».

Итак, Бухнером было установлено, что брожение вызывают именно вещества, а не «существа», как полагал великий Пастер, являвшийся сторонником витализма (об этом учении коротко сказано в предисловии). Явление катализа, то есть резкого ускорения реакций в присутствии небольших количеств некоторых соединений, во времена Бухнера уже было хорошо известно, поэтому ученые поняли, что имеют дело именно с катализаторами, но биологической, органической природы. Ферменты и есть биологические катализаторы, поскольку с точки зрения химии они являются белками, важнейшими для биологии веществами. Кстати, поэтому ферменты съедобны — пивные дрожжи можно есть, их даже рекомендуют как важный источник витаминов.

Как индивидуальное соединение фермент (уреаза) впервые был выделен в 1926 году, а в 70-е годы прошлого века американские химики синтезировали фермент рибонуклеазу. Трудности этой работы связаны с тем, что ферменты имеют молекулы громадных размеров, в сотни раз больше размера того же фосфата кальция. Искусственный фермент оказался столь же работоспособным, как и природный, что наводит на грустную мысль о принципиальной возможности создания искусственного живого существа — не гениального механического робота, а именно андроида из мяса и костей.

К настоящему времени известно более двух тысяч ферментов. В человеческом организме обнаружены сотни ферментов. Их основными свойствами являются фантастическое ускорение реакций (в миллионы и миллиарды раз) и поразительная специфичность — умение ускорять именно данный конкретный процесс, и никакой другой. То есть фермент подходит для «своего» вещества, как «ключ к замку», и это даже не метафора, а вполне официальный термин, использующийся в науке энзимологии. Тоже вот любопытно, что объект науки мы называем ферментом, а ее саму — не ферментологией, а энзимологией.