3. Пути освоения каталитического опыта живой природы

Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от того совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. По-видимому, теперь можно говорить даже о множестве путей освоения катали­тического опыта живой природы. Наиболее перспективными из них представляются такие, которые уже сегодня ведут к определенным практическим результатам, — даже к созданию промышленных ана­логов химических процессов, происходящих в живой природе. Первый путь — это развитие исследований в области метал- локомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответст-i вующие объекты живой природы. Начальные шаги в этом направ­лении сделаны в 1954 г. К. Циглером и Дж. Натта, обнаружившими стереоспецифическую полимеризацию олефинов и диенов в присут­ствии комплексных титан-алюминийорганических соединений. Далее под действием комплексных металлорганических соединений были осуществлены реакции гомогенного гидрирования непредель­ных и ароматических соединений, окисления олефинов в альдеги­ды и кетоны. В 1964 f. М. Е. Вольпин с сотр. открыли__фиксацию атмосферного азота в присутствии металлокомплексов, что послу­жило началом многолетнего исследования М. Е, Вольпиным и А. Е. Шиловым кинетики и механизма этой реакции электрометал-локомплексного катализа. Ныне реализовано более 40 многотон­нажных промышленных процессов с участием металлокомплексных катализаторов. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые орга­низмы в ферментативных реакциях, а также приемами классиче­ского гетерогенного катализа.

Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освое­ния каталитического опыта живой природы, заключается в опреде­ленных успехах моделирования биокатализаторов. В. Лангенбеку в ГДР, Л. А. Николаеву в СССР и другим исследователям путем ис­кусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов, характеризующиеся высокой активностью и селектив­ностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов, и вместе с тем большей простоты строения. Полное представление о работах в этой области можно получить из книги Л. А. Николаева [19.], который уже давно и успешно занимается изучением биокатализа и модели­рованием биокатализаторов. Из обзора этих работ вытекают два очевидных вывода.

1. Моделирование отдельных функций изолированных фермен­тов не только возможно, но в ряде случаев достигается даже не­сколькими путями. Это дает свободу выбора действия для тех, кто ставит перед собой цель получить для практики высокоактивные катализаторы тех или иных реакций.

181

2. Ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заме­нить «нативные катализаторы», действующие в биосистемах.

По поводу первого вывода можно сказать, что его оптимизм вполне оправдан. Если практика подбора катализаторов пока еще и не базируется на работах в области моделирования ферментов, то путь к этому уже открыт, хотя на этом пути и требуются еще глубокие систематические исследования.

Что же касается второго вывода, то он не так уж пессимистичен. Речь идет о замене биокатализатора в биосистеме искусственной моделью. Такая задача, конечно, невероятно трудна; она сравнима с задачей создания искусственных органов, например сердца, для организма человека. Однако любая попытка ее решения и любой даже отрицательный результат, полученный при этом, имеют несом­ненную познавательную ценность.

Существует и обратная сторона этой задачи — заменить мало­активные неорганические катализаторы, которыми сейчас в основ­ном оперирует химия, неизмеримо более активными катализатора­ми, хотя бы в какой-то степени воспроизводящими функции фер­ментов. Здесь встречаются принципиально те же трудности, что и в замене фермента его моделью. Трудности эти следующие.

Во-первых, даже в случае хорошо изученных биокатализаторов имитация их конструкций далеко не всегда дает должный эффект, так как активность и особенно специфичность биокатализаторов определяется рядом других компонентов биосистемы, например бел­ковым носителем, структурой органеллы, средой клетки и т. д. Все эти стороны биокатализаторов, как отмечает Николаев, практиче­ски не моделировались вовсе.

Во-вторых, бывает немало случаев недостаточной изученности тех или иных фрагментов тонкой структуры и тем более закономер­ностей функционирования биокатализаторов. И тогда просто недос­тает надежного объекта моделирования.

И, в-третьих, принципы функционирования биокатализаторов и катализаторов, применяемых в химических лабораториях, сущест­венно различны.

Катализаторами в химии выступают, как правило, бертоллид-ные системы. Только они обладают столь широким набором раз­личных активных центров, что среди этого набора почти всегда най­дутся центры, способные обеспечить как структурное, так и энерге­тическое соответствие (по принципам Баландина). Поэтому в хи­мическом катализе широко распространены случаи каталитической активации одним и тем же катализатором (например, оксидом хро- , ма, хлоридом алюминия, фторидом бора, платиной) целой гаммы реакций и, наоборот, один и тот же субстрат может активировать­ся самыми различными катализаторами. Совсем иное дело в био-, катализе. Биокатализаторами являются особого рода системы, в некотором роде промежуточные между бертоллидными и дальто-нидными — молекулярными; их бертоллидные качества состоят в:

182

различной энергоемкости (т. е. весьма широком спектре электрон­ных зарядов) связей, а их дальтонидные качества состоят в строго определенном составе и строении частиц. Широкий спектр элек­тронных зарядов связей в биокатализаторах служит основой ла­бильности системы, но отнюдь не набором разных активных цент­ров. Активные же центры биокатализаторов строго локализованы, энергетически определенны, т. е. высоко стерео- и энергетически специфичны, и поэтому являются единственным ключом к замку — субстрату, именно данному и только данному субстрату. В отличие от обычных реакций биокаталитические процессы протекают не пу­тем увеличения энтропии переходного состояния, а посредством уменьшения энтропии промежуточного продукта. Образование про­межуточного комплекса фермент — субстрат (ключ — замок) озна­чает опять-таки повышение степени организации. Если же происхо­дило бы повышение энтропии переходного состояния, то это угро­жало бы хаотизацией системы.

По-видимому, уже из этого суждения следует вывод о необходи­мости изучения законов химической эволюции и законов биогенеза для решения проблемы освоения каталитического опыта живой при­роды. Небезынтересно в связи с этим напомнить, что даже наиболее оптимистически настроенные химики, которые с успехом моделиру­ют биокатализаторы, все же считают, что они «проявили бы легко­мыслие, если бы утверждали, что изолированное изучение биоката­лизаторов— ферментов достаточно для получения исчерпывающей информации о том, что такое биокатализ» [19, с. 13]. Да, конечно, фермент можно выделить из биосистемы; можно точно определить его структуру, во всяком случае не менее точно, чем, например, структуру витамина А или какого-либо стероида. Фермент можно ввести в реакцию и заставить осуществлять каталитические функ­ции. Но, «получая фермент в чистом виде и с облегчением выбрасы­вая остатки исходных материалов, мы жертвуем новым ради при­вычного— разрушенная клетка со всем ее ферментным аппаратом более интересный объект, чем одна, грубо удаленная деталь» (там же). Если в изучении биокатализа идти последовательно, то анали­тическая стадия неизбежна. Однако задержка только на этой стадии означает отказ от познания механизма действия фермента­тивного аппарата в целом. «Важно... не останавливаться на дан­ных анализа, — говорит далее Л. А. Николаев, —и попытаться свя­зать в одно целое сведения, относящиеся к деталям. Тогда окажет­ся, что биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза, и ка-кими бы трудными ни казались эти вопросы, исследователя остается утешение, что, не теряя их из виду, он все же сделает мень­ше ошибок, чем если вовсе забудет об их существовании» (там же).

Но среди химиков пока еще немного исследователей, которые бы отчетливо представляли себе связь между проблемами катализа, бйокатализа и эволюции. Пожалуй, идеи И. Берцелиуса в этом нап­равлении можно считать самыми ранними и наиболее передовыми.

183

Ныне в связи как с достижениями, так и с трудностями модели­рования биокатализаторов взгляды на роль проблемы химической эволюции в изучении катализа существенно изменились. При моде­лировании биокатализаторов теперь принимаются во внимание уже не только «некоторые общие закономерности биогенеза»*, но по возможности и вся совокупность такого рода закономерностей. Принципы искусственного отбора структур в направлении совер­шенствования моделей все более приближаются к принципам естест-|венного отбора. Но, что весьма существенно, одновременно с этим в самой каталитической химии накапливается все больше эмпири­ческого материала, не укладывающегося в рамки отправных по­стулатов классической кинетики о неизменности химического со­става, энергетических параметров и специфичности действия ката­лизаторов. Изо дня в день появляется все больше работ, результа­ты которых свидетельствуют о физических и химических изменени­ях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям катали­тической базисной реакции.

Третий путь к освоению «приемов», которыми пользуется живая природа в своих лабораториях in vivo, состоит в значитель­ных, причем полученных в самые последние годы, достижениях хи­мии иммобилизованных систем. Как было уже сказано, энзимология давно уже накопила информацию об уникальных качествах биока­тализаторов. Но вместе с тем она указала и на их крайнюю лабиль­ность, неустойчивость при хранении и быструю потерю активности при перенесении в реакционные системы, функционирующие in vitro. Ведь именно поэтому «техническая биохимия» не могла пойти да­лее нескольких ограниченных областей промышленности, где при­меняются преимущественно гидролитические ферменты, выделяе­мые микроорганизмами. Эти области— производство вин, пива, чая, хлеба и некоторых других пищевых продуктов, обработка ко­жи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, кото­рым располагает природа, для осуществления лабораторных и про­мышленных процессов наталкивались на, казалось бы, неразреши­мые проблемы: 1) трудную доступность чистых ферментов и их не­померно высокую стоимость; 2) их нестабильность при хранении и транспортировке; 3) быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удалось их выделить и пустить в дело. Но теперь оказалось, что эти проблемы удается решить. Благодаря успехам микробиологической промышленности стало возможным получать многие ранее трудно доступные или недоступные ферменты по це­нам в 100—1000 раз (!) ниже цен на ферменты растительного и жи­вотного сырья. Но, главное, теперь открыты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало основанием химии иммобилизованных систем, или «биоорганического катализа». Сущ­ность этого открытия и всех последующих исследований, направ-

* Так именно назвал первую часть своей книги [19] Л. А. Николаев.

184

ленных на разработку научно обоснованных принципов иммобили­зации, состоит в такой химической модификации выделенных из живого организма (или живым организмом) ферментов, которая превращает последние в гетерогенный катализатор, обеспечивает его стабильность и непрерывное действие в условиях in vitro.

Несмотря на то, что основная масса работ в области химии им­мобилизованных систем появилась относительно недавно, в этой области в значительной степени благодаря систематическим иссле­дованиям И. В. Березина и его сотрудников достигнуты большие успехи. Решены вопросы использования иммобилизованных фер­ментов в тонком органическом синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных соединений, в разделении рацема­тов на оптически активные формы. Некоторые из названных про­цессов реализованы в промышленных масштабах. Намечаются пу­ти применения иммобилизованных оксидаз, выделенных микроор­ганизмами, для тяжелого органического синтеза, в частности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводородов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, оксидов. Изучаются перспек-тивы ферментативного обезвреживания сточных вод. Подробно о достижениях химии иммобилизованных систем см. в книге, посвя­щенной истории моделирования опыта живой природы, «Биоката­лиз» (М., 1984).

Следующий, четвертый путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой ши­рокой задачи — изучением и освоением всего каталитического опы­та живой природы, в том числе и опыта формирования «выходного устройства» — фермента, клетки, организма. Это такая ступень, на которой возникают основы эволюционной химии как действенной науки с ее эвристическими и рабочими функциями, как пролога к принципиально новой химической технологии, способной стать ана­логом живых систем.