Нобелевские премии. Ученые и открытия
Шрифт:
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,
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] .
19
В 1906 г. в лаборатории Н.П. Кравкова врач А.Д. Розенфельд выделил из хрена кристаллы фермента оксидазы и показал их белковую природу, но эта работа оказалась забытой. — Прим. ред.
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
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.