От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Следовательно, отчасти правы были и Пастер, и Либих: в самом деле брожение вызывают микробы, но химическими превращениями веществ при этом управляют ферменты, находящиеся внутри микробных клеток. Однако ферменты могут оказывать точно такое же действие, находясь и вне живых клеток. Таким образом, спор между Пастером и Либихом привел к новым важным открытиям, касающимся мира микробов.
Ферменты изменяют, направляют и контролируют все химические реакции в живых клетках. К настоящему времени описано более 2000 различных ферментов, некоторые из них представлены в клетке всего лишь несколькими молекулами, другие, напротив, тысячами или даже сотнями тысяч. Все они действуют как «ускорители реакций» (катализаторы), то есть они преобразуют, часто в считанные доли секунды, одни вещества в другие, при этом сами оставаясь неизменными. Образование спирта и углекислого газа из сахара, завершаемое ферментами за несколько секунд, в случае их отсутствия растянулось бы примерно на 5000 лет!
Наиболее важные для всех живых организмов атомы (вверху) объединяются в молекулы, которые и образуют основные строительные «блоки» клеток — молекулы сахаров (в центре), аминокислот и жирных кислот (здесь не изображены). Молекула виноградного сахара (глюкозы) состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Тысячи молекул глюкозы, связываясь в разветвлённые цепи, образуют молекулу крахмала (внизу слева). Итак, молекула крахмала состоит из однородных блоков — глюкозных единиц (или остатков), в состав же молекул белка входят различные блоки — это 20 различных аминокислот; суммарное число аминокислотных остатков в белковой молекуле может составлять несколько сотен; аминокислотные остатки в молекуле связаны в цепи и, кроме того, образуют дополнительные поперечные связи. Так возникают шарообразные или нитевидные белковые молекулы (внизу справа).
Размеры атомов составляют ~0,1—0,5 нм. 1 нм = 0,001 мкм.
При пивоварении ферментативная активность проявляется уже на первом этапе. Когда ячмень прорастает и становится солодом, то крахмал, содержащийся в зёрнах, превращается в сахар, что также дело «рук» ферментов, содержащихся в зерне,— амилаз. Уже само наименование фермента указывает на его функцию. Все ферменты имеют названия с окончанием «-аза». Крахмал — лат. amylum; отсюда и амилазы — ферменты, расщепляющие крахмал.
Как амилазы производят сахар из крахмала? Большинству читателей, по-видимому, наиболее известен картофельный или пшеничный крахмал, имеющий вид белого порошка. Это вещество не имеет сладкого вкуса, однако же его молекула состоит из тысяч строительных «блоков» — сахарных остатков,— связанных между собой в длинные цепочки. Растения, когда растут, прежде всего синтезируют в своих клетках из многих отдельных молекул сахара крахмал, который накапливается в зернах злаков или в клубнях картофеля. Когда же растению, например, при прорастании ячменя или клубней картофеля, требуется сахар для строительства новых клеток, то им необходимо вновь расщепить запасённые молекулы крахмала на «блоки», из которых они построены,— сахарные «кирпичики» или сахарные остатки. Только тогда для этой цели в клетках прорастающих зёрен образуются амилазы.
Подобно большинству ферментов, амилазы представляют собой сферические молекулы белка диаметром около 0,01 мкм; на поверхности этого «шарика» имеется выемка, которой амилазы и накладываются на крахмальную цепь, расщепляя таким образом молекулу крахмала всего за несколько секунд на отдельные сахарные «блоки».
В слюне и кишечнике человека (да и других животных) также содержатся амилазы для расщепления крахмала: если очень долго и тщательно разжёвывать хлеб, то можно явно ощутить сладкий вкус сахара, образующегося из крахмала, присутствующего в хлебе.
А вот фермент, с которым мы уже знакомы,— это сычуг из телячьих желудков. Сычужный фермент расщепляет белок молока на частицы, которые склеиваются, образуя комки. Фермент всегда проявляет свою активность лишь к какому-либо одному веществу; так, сычужный фермент способен разлагать исключительно белок молока, а амилазы расщепляют только крахмал. Далее мы ещё узнаем, как невероятно быстро и согласованно работают миллиарды молекул ферментов в микробных клетках, в объёме, меньшем, чем 0,000000001 мм3!
Механизм действия ферментов. Амилазы — ферменты, расщепляющие крахмал. Вверху: молекула фермента состоит из нескольких сотен аминокислотных остатков, которые прочно связаны друг с другом, образуя сферическую частицу с небольшим «дефектом» — выемкой на поверхности. В центре: молекула амилазы накладывается этой выемкой на конец молекулы крахмала: «блоки» глюкозы, из которых состоит молекула крахмала, точно входят в амилазную выемку. Этот механизм можно сравнить с замком и подходящим к нему ключом. Амилаза последовательно отщепляет от молекулы крахмала по одному остатку глюкозы. Молекулы крахмала и амилазы перемещаются в противоположных направлениях, и при этом число молниеносно отщепляющихся молекул глюкозы очень быстро увеличивается. В результате молекула амилазы за несколько минут превращает одну молекулу крахмала в тысячи молекул глюкозы, то есть каждую секунду от цепочки крахмальной молекулы отделяется по нескольку сот молекул глюкозы!
В то же время амилазы не могут расщеплять аминокислотные цепи белковых молекул, так как аминокислоты пространственно не подходят к выемке в молекуле амилазы (внизу справа) подобно тому, как ключ от хорошего замка не подходит ни к какому другому замку. А ферменты, расщепляющие белки (протеазы), с высокой скоростью отщепляют в своих выемках молекулы аминокислот от молекулы белка, однако же эти ферменты не способны расщеплять молекулу крахмала! Следовательно, каждый фермент с помощью выемки на поверхности своей молекулы «узнаёт» «своё» вещество (свой субстрат) и преобразует только его. Лишь таким образом клетка, располагая в общем-то крошечным внутренним объемом, может поддерживать необходимый «порядок» среди тысяч возможных превращений содержащихся в клетке веществ, то есть так клетка управляет своими процессами.
«Охота» за микробами
Итак, Пастер выяснил, что болезни вина и пива вызывают микробы. А не обусловливают ли какие-нибудь микроорганизмы также многие болезни человека, животных и растений?
В 1865 г. Пастера попросили приехать в Южную Францию. Среди гусениц тутового шелкопряда вспыхнула ужасная эпидемия, и сосредоточенному там промысловому шелководству угрожало банкротство. Пастер и его сотрудники довольно быстро обнаружили крохотного паразита, который поражал гусениц. Но, кроме того, они обнаружили и другого возбудителя болезни — бактерий! На основании этого Пастер рекомендовал шелководам уничтожить всех больных гусениц и шелковичные деревья, листьями которых они питались, и продолжать разведение, используя яйца только здоровых самок тутового шелкопряда. Благодаря этим мерам шёлковая промышленность Франции была спасена. Начиная с этого времени и возникло предположение о том, что болезни домашних животных и человека также вызывают микробы.
В Европе тогда свирепствовала сибирская язва — заразная болезнь, уносившая целые стада крупного рогатого скота и опасная также для людей. Ещё в 1849 г. немецкий сельский врач Алоиз Поллендер (1800—1879) обнаружил с помощью микроскопа в крови животных, заболевших сибирской язвой, множество продолговатых телец. Позднее эти палочки находили и другие исследователи. К изучению сибирской язвы обратился также немецкий врач Роберт Кох (1843—1910). Он впрыскивал под кожу мышам и морским свинкам кровь, взятую от заболевших коров. Вскоре после этого подопытные животные тоже заболели сибирской язвой и погибли от неё. В их крови Кох снова нашёл зловещие палочки. Это были бактерии! Очевидно, они и были возбудителями сибирской язвы.
