- •1. Основная проблема химии
- •2. История химии как закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы
- •3. Принцип субординации дискретных уровней развития научного знания — основной принцип классификации науки
- •4. Принцип гомологии, или принцип уплотнения научной информации, и его значение для изучения химии
- •5. Иерархия дискретных уровней научного знания — основание теории развития химии
- •Литература
- •1. Решение проблемы химического элемента
- •2. Развитие учения о периодичности и теории валентности
- •3. Решение проблемы химического соединения
- •4. Учение о составе и появление технологии основных неорганических веществ
- •Литература
- •111 Химии. Вторая концептуальная
- •1. Возникновение первых структурных представлений
- •2. Эволюция понятия структуры в химии
- •3. Конец антиномии «структура — динамика»
- •4. Новые проблемы структурной химии
- •5. Пределы структурной химии. Ограниченность химической технологии, основанной на принципах структурных теорий
- •IV о химическом процессе.
- •1. Логические основы учения о химическом процессе
- •2. Рост исследований многофакторности кинетических систем — первая и основная тенденция развития учения о химическом процессе
- •3. Химия каталитическая и химия экстремальных состояний
- •4. Исследование гидродинамических факторов
- •6. Математическое моделирование в учении о химическом процессе
- •7. Новые методы управления химическими процессами. Спиновая химия
- •Литература
- •V концептуальная система.
- •1. «Лаборатория живого организма» — идеал химиков
- •2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии
- •3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
- •4. Самоорганизация химических систем — основа химической эволюции
- •5. О понятиях «организация»
- •6. О различных подходах к проблеме самоорганизации предбиологических систем
- •7. Общая теория химической эволюции и биогенеза а. П. Руденко
- •8. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем
- •9. Явления саморазвития химических систем
- •Литература
- •VI и химического производства
- •2. Особенности интенсификации развития химии как науки и производства
- •3. Возможно ли предвидение научных открытий?
- •4. Пути интенсификации химических процессов
- •5. Наиболее перспективные направления исследований в области химии экстремальных состояний
- •6. Пути интенсификации развития химии и химического производства посредством катализа
- •7. Теория химической технологии вместо «технического оформления процессов» — важный путь интенсификации химического производства
- •8. О резервах интенсификации развития химии на уровне двух первых концептуальных систем
- •Литература
- •Глава 1. Основная проблема химии '4
- •Глава 1. Возникновение первых структурных представлений . . 75
- •Глава 1. Логические основы учения о химическом процессе . . .108
- •Глава V
- •Глава VI
2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии
Содержание понятий «биохимия» и-«биоорганическая химия» в известной степени условно. Здесь говорится о них лишь с единственной целью — проследить пути развития исследований, направленных на выяснение как субстанционального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие исследования осуществлялись и «чистыми» химиками-органиками, и биохимиками, и даже медиками. У каждой из этих трех групп специалистов были свои цели. Химиков-органиков увлекали перспективы синтеза все более сложных веществ путем конструирования их молекул с целью показа возможностей искусственного получения аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Медики стремились выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим же началом всех этих исследований является не столько объект — живой организм, сколько аналитический путь исследования — от живого организма к изучению веществ, а затем и процессов, его составляющих. Здесь важно подчеркнуть и еще одно обстоятельство, связанное с темой настоящей книги, а именно появление на определенной ступени развития биохимии идеи о ведущей роли ферментов, а затем еще шире биорегуляторов, в процессе жизнедеятельности. В конечном итоге эта руководящая
174
идея возникла и превратилась в нить Ариадны при изучении химиз ма живой природы именно в недрах биохимии, хотя и не без I помощи «чистой» химии, как о том свидетельствуют труды Берце- лиуса.
В биохимии и органической химии существует некая обширная общая область. Биологи называют ее статической биохимии. Хими-ки же рассматривают ее как одну из основных областей структурной органической химии. Речь идет об открытии, химическом анализе и изучении строения характерных для живой природы веществ. Исторические корни этой области уходят в далекое прошлое, но она не утратила своей актуальности и теперь. И нельзя не отметить, что к ней относятся даже такие поистине эпохальные исследования, как раскрытие структуры терпенов и сесквитерпенов Л. Ружичкой, хлорофилла и гемина Р. Вильштеттером и Г. Э. Фишером, холевых кислот и стероидов О. Виландом и А. Виндаусом, моно- и полисахаридов У. Н. Хеуорсом, каратиноидов и флавинов Р. Куном и П. Каррером. Все эти исследования отмечены Нобелевскими премиями.
Изучение субстанционального состава живого организма носило не только аналитический характер. А. Бутенанд, например, не только выделял в кристаллическом виде андростерон (для получения 15 мг которого ему понадобилось переработать 15 тонн мочи), но и синтезировал эстрон (Ci8H22O2) и прогестерон (C2iH3oO2). P. Робинсон выделил ряд алкалоидов, чтобы установить их строение, и вместе с тем синтезировал бикукуллин и берберин. В. Дю-Виньо осуществил в 1932 г. первый структурный анализ и первый синтез полипептидного гормона — окситоцина, а затем и витаминов группы В. И, наконец, триумфальным в этом направлении исследований является ювелирный труд Ф. Сэнгера, установившего полную структуру инсулина(C254H377N65O75S6), и принципиальный синтез этого белка методами классической органической химии, осуществленный тремя группами химиков (в США, ФРГ и Китае) с выходом (!) 0,02—0,07%.
Но при всех необычайных успехах «статической биохимии», а в равной мере и структурной органической химии по расшифровке состава и строения сложных химических соединений — фрагментов живого организма, исследования в этом направлении служили и служат всего лишь предпосылкой по отношению к более важным и, конечно, более сложным исследованиям химических_процессов жизнедеятельности. Эти последние исследования до~середины XX в. составляли так называемую динамическую биохимию, теперь же они относятся и к биоорганической химии, и к молекулярной биологии, и к такой сугубо синтетической науке, которую назвали физико-хихимической биологией.
Исторические корни динамической биохимии являются тоже довольно глубокими. Еще на рубеже XVIII и XIX вв. в физиологии различали процессы дыхания и брожения, ассимиляции и дисси-
175
миляции, как некие превращения вещества. История изучения брожения— наиболее типичный пример исследования живой природы.. В нем, как в зеркале, отразились все трудности и все перипетии' проникновения в тайны живого: и вера в жизненную силу, и надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, и упрощенные представления Либиха и Бертло о брожении как действии «обычных химических сил», и гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожением и ферментативной деятельностью дрожжевых клеток, и, наконец,, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим — участия на различных стадиях процесса брожения аденозинтрифосфорной кислоты, изомеразы, альдола-зы, козимазы, 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, энолазы, де-гидразы.
Исследование явлений брожения явилось своего рода и прологом и программой дальнейшего развития области знаний о процессах жизнедеятельности, хотя, конечно, оно и не исчерпывало всего объема информации о ферментах, накопленного наукой в XIX— XX вв. Именно исследование явлений брожения выявило две противоположные, но отнюдь не альтернативные концепции в изучении биокатализа вообще. Их только весьма условно можно назвать химической и биологической. Они выступали во взаимодействии, в борьбе, субъективно отвергая друг друга, но объективно помогая друг другу познать истину. Наиболее видными адептами химической концепции в XIX в. были Ю. Либих, М. Бертло, X. Ф. Шен-бейн, Г. Тамман, Э. Фишер, а биологической, если говорить действительно о видных ученых, — пожалуй, лишь Л. Пастер. Только в XX в. биологическая концепция стала располагать множеством имен, причем имен крупнейших ученых!
Знакомство с этими противоположными концепциями интересно как раз в смысле выяснения различий между третьей и четвертой концептуальными системами химии, т. е. между учением о химическом процессе без привнесений в него идей бионики и эволюционной химии, которую ведь тоже следует рассматривать как учение о хи-мическом процессе, но только как учение о высших формах химизма.
л Химическая концепция брожения, базирующаяся на. триумфе препаративного органического синтеза, в тенденции сводила весь биокатализ к обычному химическому катализу. И несмотря на значительные упрощения в познании действительности, ее заслуги в развитии энзимологии бесспорны и велики. Именно она помогла установить многие положения, прочно вошедшие в современную энзимологию, а именно: 1) аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; 2) положение о наличии в ферментах двух неравноценных компонентов — своего рода активных центров и носителей; 3) заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих ферментов;
176
4) вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; 5) сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами (гидролиз крахмала до глюкозы — далеко не единственный случай). Все это нашло отражение в следующем утверждении С. Аррениуса: «После того, как в биологической химии были открыты некоторые соотношения, подобных которым не было известно в общей химии, естественно, стали утверждать, что основные законы, действующие в обеих этих областях, различны; физиологи держались по преимуществу этого направления. Но гораздо лучшим приемом исследования являются поиски аналогичных явлений в общей химии. Если таковые в ней находятся, они оказываются в большинстве случаев гораздо легче объяснимыми; а после того, как для них бывает найдено удовлетворительное объяснение, вполне естественным является его же применение к биохимическим проблемам, которые тем самым оказываются выясненными до конца» [16, с. 13].
В основном так именно и происходило в развитии энзимологии до тех пор, пока и химики и биологи еще не видели тех принципиально различных уровней материальной организации, на которых осуществляются химические, .процессы inVitro.*—и биохимические in vivo**. Аррениус в своих утверждениях прав тоже до тех пор, пока познание живого осуществляется в русле дозволенной идеализации объекта, — его упрощения и омертвления. Идеализация объекта— один из необходимых путей познания. Но Аррениус возложил на химию чересчур большие функции в решении «биохимических проблем ... до конца», не заметив в силу объективных обстоятельств своего времени дозволенных границ идеализации. Теперь известно, что химическая концепция в энзимологии не смогла доказать постулируемое ею тождество между катализом и биокатализом.
Биологическая концепция на первых этапах развития энзиму-логин (XIX в. — первая треть XX в.) не имела под собой столь мощной основы, какая находилась под химической концепцией. С развитием органического синтеза и проникновением катализа в химическую промышленность она лишилась виталистической основы даже и в ее новом варианте, ибо химия разрушила саму необходимость обращения к каким-либо надхимическим, или, в общем случае, надмеханическим силам, под каким бы термином они ни выступали. Известным основанием биологической концепции служили работы Ш. Каньяр-Латура, Т. Шванна, Ф. Кютнинга и 3. Тюрпена, указавшие на то, что дрожжи относятся_не к химиче-. ским соединениям, а к живым организмам. Но и эти работы были отвергнуты, хотя и не опровергнуты химиками. Конечно, самой
* In vitro (лат.) — буквально «в склянке», т. е. вне организма. ** In vivo (лат.) —на живом организме.
177
фундаментальной опорой биологической концепции были труды Л. Пастера, в частности его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, его открытие масляно-кислого брожения и существование анаэробиоза, т. е. способности микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения без доступа кислорода воздуха. Одним из самых веских оснований, которые послужили Пастеру в его непоколебимой уверенности, в его выводах об особом уровне материальной организации ферментов, является открытая им строгая стереоспецифичность живой природы. Но, как известно, и эти основания были если не отвергнуты, то отодвинуты на задний план открытием внеклеточного брожения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.
Но теперь известно и другое. В конфронтации двух названных концепций произошло своеобразное обращение сторон: та сторона, которая некогда имела более слабые позиции, впоследствии — с переходом естествознания на новый, неклассический, уровень — оказалась более правой, ибо защищала более общие и более глубокие, хотя и менее очевидные идеи, по отношению к которым идеи, одержавшие когда-то верх, являлись лишь частностью.
О достоверности и перспективности идей Пастера свидетельствуют сегодня и химия, и биология. И именно неклассические формы — эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, получен вывод о том, что состав и структура биополимер-лых молекул представляют единый стандартизованный набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами, что указывает на единство физико-химических законов, управляющих как абиогенными процессами, |так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, была показана исключительная специфичность живого, которая проявляется не только в высоких уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, где, как в капле воды солнце, отражаются закономерности других уровней.
Конкретно эта специфичность молекулярного уровня живого проявляется в целом ряде совершенно чуждых классическому химическому мышлению фактов: в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии мезанизмов обра-зования полимеров и биополимеров, структура которых определя-егся только генетическим кодом, и, наконец, в совсем уж необычном факте: многие химические реакции окисления — восстановления в живой клетке, по утверждению Н. Н. Семенова, «могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами» [17, с. 30]. Все это говорит о том, что «в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в неживом мире». И в высшей степени примечательно то, что об этом свидетельствует именно молекуляр-
ная биология, изучающая организм на уровне химизма. Живое, говорит Н. Н. Семенов, не является «просто сложной комбинацией тривиальных физико-химических процессов».
Утверждения Пастера оказались, таким образом, достоверными,-а обвинения его в витализме — эфемерными. Но сейчас важно обратить внимание не только на то, что в конце концов Пастер в споре со своими оппонентами оказался прав. Более интересны перспективы учения Пастера — «научная программа Пастера» приблизительно в том ее методологическом аспекте, который обрисован в концепции развития науки Лакатоша. Эта программа была сформулирована Пастером в форме исследовательских задач еще в период его кристаллографических исследований [18].
Первое положение программы Пастера — это теоретическое обоснование открытых им «дисимметрических сил» в живой природе и отсутствия таковых в абиогенных системах. Второе положение— утверждение о существенных отличиях структурно-функциональных изменений химических объектов от поведения «организованного существа» и выдвижение принципиально нового понятия «организация», что предполагало разработку проблемы иерархии уровней организации неорганических и органических веществ. Третье положение программы Пастера, вытекающее из его утверждения о том, что брожение проявляется всегда в связи с жизнью, с организацией, а не в связи со смертью, что брожение не является контактным процессом, в котором превращение сахара происходит в присутствии фермента, ничего ему не давая и ничего от него не беря (цит. по [18]), было, по сути, направлено против метафизической трактовки сущности жизни, против какого бы то ни было противопоставления предмета и процесса, части и целого. И, наконец, четвертое положение программы заключалось в четко выраженном историческом подходе к проблеме происхождения специфичности живого, в его тезисе о том, что специфичность живого следует рассматривать не как результат простой композиции, а как «эво-люционно сложившийся жизненный потенциал».
Программа исследования живого, выдвинутая Пастером, и сегодня так же актуальна, как и программа изучения неорганического мира, предложенная в самом начале XIX в. Бертолле.
Конечно, это вовсе не означает, что Пастер был непогрешим. И здесь хотелось бы отметить, в частности, ту негативную сторону защищаемой им биологической концепции, которая относится к вопросу об освоении каталитического опыта живой природы, т. е. к теме настоящей книги. Не отрицая в принципе для некоторых простейших случаев биокатализа возможности выделения активного начала фермента и уподобления его неорганическому катализатору, Пастер решительно защищал тезис о том, что катализатором брожения является целостная живая клетка, и, следовательно, брожение, в особенности в анаэробных условиях, есть элемент жизнедеятельности. Такое утверждение если и не исключало вовсе, то во
179
всяком случае отдаляло возможность выделения и эксплуатации в условиях in vitro ферментных систем. Теперь стало ясно, что такая возможность существует, и она уже претворяется в действительности.
Уже в 1926—1929 гг. лауреатами Нобелевской премии Дж. Сам-нером и Дж. Нортропом были выделены первые ферменты в кристаллической форме — уреаза, пепсин и трипсин, которые, как было установлено, представляли собой чистые белки. В 1930-х годах были выделены внутриклеточные ферменты — «желтый фермент Вар-бурга» и алкогольдегидрогеназа, полученная в кристаллическом виде. Число выделенных в кристаллической форме ферментов с тех пор постоянно возрастало. При этом приходили все новые доказательства системной природы ферментов, состоящих из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента), которые обеспечивают целостность структуры молекулы фермента и единство его каталитического действия.
Можно заметить, что на этой стадии развития биохимии ферментов развернулись работы по моделированию биокатализаторов. В 1930-х годах их начал В. Лангенбек. Одновременно с этим формировался фронт работ, направленных на изучение строения и каталитической роли апоферментов. В 1940г. В. А. Энгельгардт с сотр. открыли ферментативную активность сократительных белков мышц в расщеплении аденозинтрофосфата. Но наибольшие успехи в этом направлении принес рентгеноструктурный анализ высокого разрешения, посредством которого Дж. К. Кендрью и М. Ф. Перутц в 1950-х годах выяснили строение миоглобина и гемоглобина. В эти же годы К. Б. Анфинсеном, С. Муром и У. X. Стейном были разработаны новые методы изучения химии белка, расшифрована первичная структура рибонуклеазы (состоящей из 124 аминокислотных остатков и содержащей 1876 атомов С, Н, О, N и S), созданы предпосылки для исследования механизма ее действия, изучена далее структура дезоксирибонуклеазы и, таким образом, переброшен мост к химии нуклеиновых кислот.
Исключительно важные исследования в этой области, связывающие химию белка с химией нуклеиновых кислот, осуществлены в СССР Ю. А. Овчинниковым с сотр. В частности, из Е. Coli выделены полинуклеотидфосфорилаза, ДНК-полимераза-1, полинуклео-тидлигаза. Определена полная последовательность аминокислот цитоплазматической аспартатаминотрансферазы, состоящей из 824 аминокислотных остатков.
Словом, успехи современной биохимии или биоорганической химии в области ферментативного катализа велики. Каталитический опыт живой природы перестал быть всего лишь далекой заветной мечтой химиков; он стал достаточно ясным как в общих очертаниях, так и во многих деталях. И теперь есть возможность ему подражать, его перенимать, осваивать.
180