Щенхаймер перешел к опытам с азотом-15. Им метили аминокислоты. Молекулы аминокислот в организме крыс, как выяснилось, постоянно проходили взаимообмен.
Радиоактивные изотопы позволили американскому биохимику Мелвину Калвину детально разработать последовательность реакций фотосинтеза, при котором зеленые растения превращают солнечный свет в химическую энергию и снабжают животный мир пищей и кислородом.
Глава 13
Молекулярная биология. протеин
XX в. открывал все новые и новые детали метаболизма клетки. Каждая метаболическая реакция, как выяснилось, катализируется каким-то определенным энзимом. Для того чтобы понять природу метаболизма, нужно исследовать данный энзим. Хэрден в своих исследованиях клеточного метаболизма также приоткрыл завесу тайны над энзимами.
Он и еще несколько ученых пришли к заключению, что энзим — очень большая молекула, включающая еще и маленькую молекулу, способную открепиться от большой и пройти через молекулярную мембрану. Эта малая, свободно связанная с большой, молекула была названа коэнзим.
Структуру коэнзима исследовал в 1920-х годах немецкий химик Ганс Карл фон Элер-Челпин. По мере выяснения молекулярной структуры витаминов стало совершенно очевидным, что многие коэнзимы содержат витаминоподобные структуры.
Было установлено, что витамины представляют собой те части коэнзимов, которые организм сам не вырабатывает и поэтому должен потреблять с пищей. Без витаминов коэнзимы не формируются; без коэнзимов, в свою очередь, энзимы бывают неэффективны, и метаболизм расстраивается. В результате возникают авитаминоз и болезнь дефицита витаминов.
Поскольку энзимы представляют собой катализаторы, необходимые организму лишь в небольших количествах, коэнзимы (и витамины) также нужны в небольших количествах. Вот почему следовые количества витаминов бывают насущно необходимы. Легко было установить, что организму необходимы следовые количества таких элементов, как медь, кобальт, молибден, цинк.
Но что же сам энзим? Ранее, при недостатке методического инструментария, ученым была видна только его работа.
Немецкий ученый Леонор Михаэлис (1875—1949) приложил к изучению энзимов правила химической кинетики и в 1913 г. вывел уравнение, описывающее изменение количества продуктов каталитической реакции в разных условиях, подтвердив, что энзимы подчиняются физико-химическим законам, которым подчинены и другие молекулы.
Но какова молекула энзима? Была известна хрупкость молекулы протеина, а энзимы теряют свою активность уже при осторожном нагревании. Был сделан вывод, что энзим — это протеин.
Доказать обратное взялся авторитетный немецкий химик Ричард Вилстеер (1872 — 1942), и его мнение убедило многих.
В 1926 г. вновь поднялся вопрос о протеиновой природе энзимов. Американский биохимик Джеймс Батчелор Самнер экстрагировал энзимы из бобов и назвал энзим уреазой: он катализировал разложение мочи на аммиак и двуокись углерода.
Выполняя экстракцию, Самнер получил на одном из этапов крошечные кристаллы. Он растворил их и получил раствор с концентрированной уреазной активностью. Эти кристаллы были энзимом и удовлетворяли всем тестам на протеин. Уреаза оказалась первым энзимом, доступным в кристаллической форме.
Американский биохимик Джон Хауарт Нортроп (1891 — 1987) в 1930 г. выделил из желудочного сока кристаллический пепсин, протеинрасщепляющий энзим; в 1932 г. он кристаллизовал трипсин, а в 1935 г. — химотрипсин. Оба энзима — протеинрасщепляющие, из поджелудочной железы. Все энзимы доказали свою протеиновую природу.
Развитие новых химических и физических инструментов биологических исследований в первой половине XX в. сделало возможным выявление тонких деталей больших протеиновых молекул, которые являются сущностью жизни.
По сути, возникла новая наука на грани физики, химии и биологии, которая исследовала механизм функционирования органических молекул.
Эта наука — молекулярная биология — стала особо важной после Второй мировой войны.
В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг (1884 — 1971) представил новый метод определения размера протеиновых молекул. Этот метод назывался ультрацентрифугированием. Термическое движение молекул воды поддерживает молекулы протеина в суспензии: на них не действует сила гравитации; однако при центростремительных силах, создаваемых в центрифуге, молекулы протеина оседают. По скорости оседания можно определить молекулярный вес протеина.
Протеин средней массы, например, гемоглобин, имеет молекулярную массу 67 000. Другие протеиновые молекулы еще тяжелее.
Размеры и сложность протеиновых молекул определяют их электрический заряд. Каждый протеин имеет свой положительный или отрицательный заряд, который меняется в зависимости от изменения кислотности среды.
Если протеиновый раствор поместить в электрическое поле, индивидуальные молекулы протеина движутся либо к положительному, либо к отрицательному электроду с определенной скоростью, заданной силой тока, размерами и формой молекулы и т. д. Скорость у каждого протеина строго своя.
В 1937 г. шведский биохимик Арне Вильгельм Каурин Тиселиус (1902 — 1971) изобрел метод электрофоретического и хроматографического анализа. Поскольку каждый компонент раствора движется строго со своей скоростью, их можно разделить. Более того, определенные цилиндрические линзы позволяют видеть изменения дифрагируемого света при прохождении его через раствор. Изменения в рефракции раствора можно сфотографировать. По интенсивности волны света можно подсчитать количество протеина каждого вида в данной смеси.
Были подвергнуты электрофорезу и сфотографированы протеины плазмы крови. Их разделили на фракции, включая альбумин, три группы глобулинов. Оказалось, что фракция гаммаглобулина содержит антитела.
Ультрацентрифугирование и электрофорез зависят от свойств протеиновой молекулы. Но наиболее эффективен способ рентгеновской дифракции. Когда рентгеновский луч проходит через вещество, создается определенное распределение частиц. Х-луч фиксируется на фотопленке, и по рассеянию луча можно идентифицировать протеин.
В 1951 г. американский химик Лайнус Полинг (1901—-1994) показал, что цепь аминокислот в белке имеет форму спирали.
По виду рентгеновской дифракции можно делать математические просчеты. В помощь биохимикам как раз в эти годы были разработаны компьютеры. Первой была обсчитана молекула не протеина, но витамина.
С использованием рентгеновской дифракции и компьютерной обработки впервые в 1960 г. английские ученые Макс Фердинанд Перутц и Джон Коудери Кендрю показали миру трехмерную молекулу миоглобина со всеми наличествующими аминокислотами в ее составе.
Использование физических методов исследования, например дифракции рентгеновских лучей, очень помогает в работе химикам, если предварительно исследована химическая природа составляющих молекулы и получена ее цельная картина. В таком случае физический метод будет направлен на практическое измерение и уточнение.
