Нобелевские премии. Ученые и открытия

Чолаков Валерий

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.

Одним из первых, кто добился крупных успехов в исследовании химического состава хлорофилла, был Рихард Вильштеттер. Он разработал методы извлечения этого растительного пигмента в больших количествах, не повреждая молекулы. В отличие от Берцелиуса Вильштеттер исследовал хлорофилл в мягких условиях с помощью реагентов, которые позволяли постепенно отщеплять различные части от сложного соединения, что и помогло определить его структуру. Вильштеттер подтвердил ранее высказанные предположения, что хлорофилл по своему строению родствен гемоглобину крови, но одновременно указал, что этот растительный пигмент содержит магний, а не железо, как гемоглобин.

Исследования Внльштеттером хлорофилла заложили основу для полного раскрытия его структуры [20] . За исследования

растительных пигментов, в частности хлорофилла, Р. Вильштеттер был удостоен в 1915 г. Нобелевской премии по химии.

Вильштеттер указал, что и хлорофилл, и гемоглобин принадлежат к группе порфиринов. Дальнейшее уточнение их структуры произвел Ханс Эйген Фишер. Он начал с опытов над гемоглобином, в частности над так называемым гемином — небелковой частью молекулы гемоглобина. В дальнейшем Фишер исследовал всю группу пигментов, имеющих одинаковую порфириновую структуру, подобную структуре гемина и хлорофилла. Разделяя эти молекулы различными способами, Фишер пришел к определенным выводам относительно их строения. Чтобы обосновать эти выводы, он прибег к классическому средству органической химии — решил их синтезировать.

20

Основополагающие исследования структуры хлорофилла были выполнены Марцелием Вильгельмовичем Ненцким, который в 1847—1901 гг. в Институте экспериментальной медицины совместно с Л.П. Мархлевским установил химическое родство гемоглобина и хлорофилла. — Прим. ред.

Это была довольно трудная задача, для ее выполнения Фишеру пришлось создать целый раздел органической химии — химию пиррольных соединений. Они имеют кольцевидную молекулу, состоящую из 4 атомов углерода и 1 атома азота. Фишер доказал, что из 4 пиррольных ядер строится исходная структура всех порфиринов. В центре этой кольцевидной структуры гемина находится железо, а у хлорофилла — магний.

Результаты Фишера — блестящий пример мастерства в проведении химического анализа и синтеза, и в 1930 г. ученый был удостоен за свои достижения Нобелевской премии по химии.

К порфирированному ядру в хлорофилле присоединяются другие молекулы, которые определяют его физические и химические свойства. Еще в 30-е годы Фишер пытался синтезировать молекулу хлорофилла, но это удалось сделать лишь в 1960 г. его ученикам М. Штерлу, А. Калояну и Г. Колеру. Одновременно с ними синтез хлорофилла осуществил и американский химик Роберт Берне Вудворд, лауреат Нобелевской премии по химии за 1965 г.

После успехов, которыми были отмечены первые десятилетия нашего столетия, в изучении фотосинтеза наступил застой. Оказалось, что классическими химическими методами больше нельзя получить никакой информации об этом процессе. Ученые чувствовали, что фотосинтез — это целая цепь быстро протекающих реакций, но не находили способа их изучения. Лишь в 40-е годы удалось разработать новые методы, которые подняли исследования фотосинтеза на качественно новый уровень. Большая заслуга в этом принадлежит американскому биологу Мелвину Калвину.

В 1935 г., находясь на стажировке в Манчестерском университете, Калвин познакомился с металлопорфиринами, к которым относятся гемин и хлорофилл. После возвращения в США он начал работать в Калифорнийском университете в Беркли. Там профессор Гильберт Ньютон Льюис порекомендовал Калвину продолжить исследование порфиринов, которым он занимался в Манчестере под руководством Майкла Полани. По счастливому совпадению Беркли был центром исследований в области радиохимии, и это обстоятельство сыграло в работе Калвина очень важную роль.

В 1940 г. Сэмуэль Рубен и Мартин Камен открыли радиоактивный углерод-14. Вскоре этот элемент стали широко использовать в качестве «меток» при исследовании биохимических реакций. Калвин, включившись в исследование процесса фотосинтеза, решил использовать этот метод в радиационной лаборатории, руководителем которой он стал в 1946 г. Там он и провел свои знаменитые опыты с хлореллой.

Калвин помещал эти зеленые водоросли в специальный сосуд и освещал их на протяжении 1—30 с. Одновременно через воду пропускалась двуокись углерода (углекислый газ), меченная углеродом-14. Под действием света этот элемент тотчас включался в цепь фотосинтеза.