История исследования белка и его химического состава.
Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных времен использовался человеком как составная часть пищи. Согласно описаниям Плиния Старшего, уже в Древнем Риме яичный белок применялся и как лечебное средство. Однако подлинная история белковых веществ начинается тогда, когда появляются первые сведения о свойствах белков как химических соединений (свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Среди белков животного происхождения, вслед за яичным белком, были охарактеризованы белки крови. Образование сгустков крови при ее свертывании описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем; позднее на этот факт обратил внимание и Р. Бойль. Впервые термин белковый применительно ко всем жидкостям животного организма, использовал французский физиолог Ф. Кене в 1747 г., и именно в таком толковании термин вошел в 1751 г. в «Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д'Аламбера. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит ученому Беккари.
Итак, белок попал в число объектов химических исследований 250 лет тому назад. В 1728 году итальянский ученый Якопо Бартоломео Беккари получил из пшеничной муки первый препарат белкового вещества – клейковины. Он подверг клейковину сухой перегонке и убедился, что продукты такой перегонки были щелочными. Это было первое доказательство единства природы веществ растительного и животного царств. Он опубликовал результаты своей работы в 1745 году, и это была первая статья о белке.
А после него, в 1759 г. А. Кессель-Майер, а несколько позднее И. Руэль описали выделение клейковины из различных растений и охарактеризовали ее свойства. В 1762 г. А. Халлер исследовал процесс образования и свертывания казеина, а в 1777 г. А. Тувенель, работавший тогда в Петербурге, называет творог белковой частью молока. Важнейший этап в изучении белков связан с работами французского химика А. Фуркруа, который рассматривал белки как индивидуальные вещества и доказал единую природу белковых веществ, выделенных из растительных и животных источников. Для трех главных белковых компонентов крови он предложил названия альбумин, желатин и фибрин. Затем, в 1780 г. ученый Ф. Вассерберг относит к телам белковой природы хрусталик глаза.
В XVIII – начале XIX веков неоднократно описывали белковые вещества
растительного и животного происхождения. Особенностью таких описаний было сближение этих веществ и сопоставление их с веществами неорганическими. Важно отметить, что в это время, еще до появления элементного анализа, сложилось представление о том, что белки из различных источников – это группа близких по общим свойствам индивидуальных веществ.
В 1810 году Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар впервые определили элементный состав белковых веществ. В 1833 году Ж. Гей-Люссак доказал, что в белках обязательно присутствует азот, а вскоре было показано, что содержание азота в различных белках приблизительно одинаково. В это же время английский химик Д. Дальтон попытался изобразить первые формулы белковых веществ. Он представлял их довольно просто устроенными веществами, но чтобы подчеркнуть их индивидуальное различие при одинаковом составе, он прибег к изображению молекул, которые бы сейчас назвали изомерными. Однако понятия изомерии во времена Дальтона еще не было.
Были выведены первые эмпирические формулы белков и выдвинуты первые гипотезы относительно закономерностей их состава. Так, Н. Либеркюн считал, что альбумин описывается формулой C72H112N18SO22, а А. Данилевский полагал, что молекула этого белка по крайней мере на порядок больше: C726H1171N194S3O214.
Данилевский, который в своей работе "Исследование состава, физического и химического строения продуктов распадения белковых веществ и генетических отношений между различными их видами" справедливо утверждал, что белки построены из аминокислот и имеют полимерную природу. Немецкий химик Ю. Либих в 1841 году предположил, что белки животного происхождения имеют аналоги среди растительных белков: усвоение белка легумина в организме животного, по Либиху, вело к накоплению аналогичного белка – казеина. Одной из самых распространенных теорий доструктурной органической химии была теория радикалов – неизменных компонентов родственных веществ.
В 1836 году голландец Г. Мульдер высказал предположение о том, что все белки содержат один и тот же радикал, который он назвал протеином (от греческого слова “первенствую”, “занимаю первое место”). Протеин, по Мульдеру, имел состав Pr = C40H62N10O12. В 1838 году Мульдер опубликовал формулы белков, построенные на основании теории протеина. Это были дуалистические формулы, где радикал протеина служил положительной группировкой, а атомы серы или фосфора – отрицательной . Вместе они образовывали электронейтральную молекулу: белок сыворотки крови Pr10S2P, фибрин Pr10SP. Однако аналитическая проверка данных Г. Мульдера, проведенная русским химиком Лясковским, а также Ю. Либихом, показала, что “белковых радикалов” не существует.
В 1833 году немецкий ученый Ф. Розе открыл биуретовую реакцию на белки – одну из основных цветных реакций на белковые вещества и их производные в настоящее время. Был сделан также вывод о том, что это самая чувствительная реакция на белок, поэтому она в то время привлекла наибольшее внимание химиков. В середине XIX века были разработаны многочисленные методы экстракции белков, очистки и выделения их в растворах нейтральных солей. В 1847 году Карл Рейхерт открыл способность белков образовывать кристаллы. В 1836 году Теодор Шванн открыл пепсин – фермент, расщепляющий белки. В 1856 году Л. Корвизар открыл еще один подобный фермент – трипсин. Изучая действие этих ферментов на белки, биохимики пытались разгадать тайну пищеварения. Однако, наибольшее внимание привлекли вещества, получающиеся в результате действия на белки протелитических ферментов (протеаз, к ним относятся вышеприведенные ферменты): одни из них были фрагментами исходных молекул белка (их назвали пептонами), другие же не подвергались дальнейшему расщеплению протеазами и относились к известному еще с начала века классу соединений – аминокислот (первое аминокислотное производное – амид аспарагин был открыт в 1806 году, а первая аминокислота – цистин в 1810). Аминокислоты в составе белков впервые обнаружил в 1820 году французский химик А. Браконно. Он применил кислотный гидролиз белка и в гидролизате обнаружил сладковатое вещество, названное им глицином. В 1839 году было доказано существование в составе белков лейцина, а в 1849 году Ф. Бопп выделил из белка еще одну аминокислоту. К концу 80-х гг. XIX века из белковых гидролизатов было выделено уже 19 аминокислот и стало медленно укрепляться мнение, что сведения о продуктах гидролиза белков несут важную информацию о строении белковой молекулы. Тем не менее, аминокислоты считались обязательным, но неглавным компонентом белка. В связи с открытиями аминокислот в составе белков французский ученый П. Шютценберже в 70-х гг. XIX века предложил уреидную теорию строения белка. Согласно ей молекула белка состояла из центрального ядра, роль которого выполняла молекула тирозина, и присоединенных к нему сложных группировок, названных Шютценберже лейцинами. Однако гипотеза было очень слабо подкреплена экспериментально, и дальнейшие исследования показали несостоятельность.
Для формирования современных представлений о структуре белка существенное значение имели работы по расщеплению белковых веществ протеолитическими ферментами. Одним из первых их использует Г. Мейснер. В 1850 г. К. Леман предлагает называть пептонами продукты разложения белков пепсином. Изучая этот процесс, Ф. Хоппе-Зайлер и Ш. Вюрц в 70-х годах прошлого столетия пришли к важному выводу, что пептоны образуются в результате гидролиза белков ферментом. Они были весьма близки к правильному толкованию таких экспериментов с позиций структурной химии, но, к сожалению, последнего шага на пути к теории строения белка сделать не сумели.
Дальнейшие структурные исследования белка, а также основополагающие работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели в конце концов к формулированию пептидной гипотезы, согласно которой белки построены из аминокислот, соединенных пептидными связями -СО-NH-.
В 1902 Э. Фишер создал метод анализа и разделения аминокислот, основанный на переводе их в сложные эфиры, которые можно было подвергать фракционной перегонке, не опасаясь разложения. С помощью этого метода провел качественное и количественное определение продуктов расщепления белков и открыл аминокислоты валин, пролин и гидроксипролин. Позднее из аминокислот он получил продукты их конденсации, названные полипептидами. Последовательно синтезировал ди-, три- и т.д. пептиды, всего около 125. Один из них, состоящий из 18 аминокислот, долгое время оставался наиболее сложным из всех синтезированных органических соединений с известной структурой. Фишер установил механизм соединения аминокислот в линейные цепочки через образование пептидной связи (и ввел этот термин), разработал методы синтеза D- и L-аминокислот. Пептидная теория получила полное подтверждение в дальнейших исследованиях. Изучение строения белков было поставлено на прочную научную основу.
В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А.E. Мирски сформулировал теорию строения и функции белка. В 1936 г. он положил начало изучению атомной и молекулярной структуры белков и аминокислот (мономеров, из которых состоят белки) с применением рентгеновской кристаллографии. В 1942 г. Полингу и его коллегам, получив первые искусственные антитела, удалось изменить химическую структуру некоторых содержащихся в крови белков, известных как глобулины. В 1951 г. П. и Р.Б. Кори опубликовали первое законченное описание молекулярной структуры белков. Это был результат исследований, длившихся долгих 14 лет. Применяя методы рентгеновской кристаллографии для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, они обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой таким образом, что образуют спираль. Это описание трехмерной структуры белков ознаменовало крупный прогресс в биохимии.