4.1.2. Создание теорий химического строения, жиров, углеводов и белков

Такие вещества, которые содержатся в почве, море, воздухе, тверды, стабильны и неизменны. Вода, будучи подогретой, закипает и испаряется, но пар вновь можно остудить и превратить в воду. И железо, и соль можно перевести в жидкое состояние, как и вновь, сделать твердыми, В то же время вещества, получаемые из живых организмов — растений, — например, сахар, бумага, рас­тительное масло, — характеризуются теми же непрочностью и нежностью консистенции, которыми обладали их содержащие организмы. При нагревании они дымятся, сгорают и тем самым претерпевают необратимые изменения; дым и пепел бумаги не обратятся в бумагу вновь. Значит, можно предположить, что мы имеем дело с двумя различными вариациями материи.

Шведский химик Берцелиус (рис.4.1.1) предложил в 1807 г. вещества, получаемые из живых (либо когда-то бывших живыми) организмов, называть «органическими веществами», а иные — «неорганическими веществами». Он предположил, что, в то время как возможно конвертировать (и достаточно легко) органические вещества в неорганические, обратное изменение невозможно. Чтобы это изменение произошло, должна присутствовать некая живая сила, которой харак­теризуется лишь живая материя.

Рис. 4.1.1. Йене Якоб Берцелиус (1779 —1848).

Такая точка зрения, однако, долго не просуществовала. В 1828 г. германский химик Фридрих Веллер (1800 — 1882) при исследовании цианидов нагревал цианат аммония, считавшийся неорганическим компонентом, и обнаружил, к своему изумлению, в продукте реакции кристаллы мочевины. Мочевина была главным твердым составляющим человеческой мочи и определенно органическим компонентом.

Это открытие воодушевило других ученых на то, чтобы синтезировать органические вещества из неорганических, и вскоре пришел успех. Французский химик Пьер Эжен Марселей Бертло (1827 — 1907) окончательно разрушил стену между органическими и неорганическими веществами. Он синтезировал некоторые хорошо известные органические вещества, например метиловый спирт, этиловый спирт, метан, бензол, ацетилен, из чисто неорганических веществ.

С развитием соответствующих аналитических методик в первых декадах XIX в. химики обнаружили, что органические вещества состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота. Вскоре они выявили и последовательность сочетания атомов, при котором эти вещества приобретают свойства органической субстанции.

Во второй половине XIX в. появилось уже множество синтезированных органических веществ; органическая химия не оставалась более наукой о веществах, образованных жизненными формами. Однако деление химии как науки на две части оставалось; только органическая химия стала именоваться «химией углеродных соединений». Жизнь как таковая уже не связывалась с ней.

В 1827 г. английский физиолог Уильям Прут (1785-1850) впервые назвал группы сложных органических соединений, содержащихся в живых организмах: гидрокарбонаты (углеводы), липиды (жиры), протеины (белки). Гидрокарбонаты, включающие сахара, крахмалы, целлюлозу, со­ставлены из углерода, водорода и кислорода, как и липиды (включающие жиры и масла). Гидрокарбонаты, впрочем, относительно богаты кислородом, в то время как липиды бедны им. Гидрокарбонаты либо растворимы в воде, либо растворимы первона­чально в кислотах, в то время как липиды нерастворимы в воде.

Решение проблемы строения и синтеза жиров связано с именем М. Бертло. Начав исследования глицерина и его производных, он установил в 1854 г., что глицерин является многоатомным спиртом. Берт­ло синтезировал его моно-, ди- и триацетаты. Синтезировав затем ряд аналогичных эфиров, он окончательно установил, что природные жиры представляют собой сложные эфиры жирных кислот (рис.4.1.2).

Гораздо более сложным оказалось исследование строения другой груп­пы природных веществ — Сахаров. Наибольший успех в исследованиях углеводов выпал на долю немец­кого химика Эмиля Фишера (рис.4.1.3). В 1890 г. он предложил простую номенклатуру углеводов. Используя открытый им фенилгидразин, Фишер разработал метод превращения альдогексоз в кетогексозы, например, глюкозы во фруктозу, позволивший установить различия и тождество конфигураций групп СНОН у различных гексоз.

Рис. 4.1.2. Тристеарин – пример триацилглицерола (природного жира).

Рис. 4.1.3. Эмиль Херманн Фишер (1852 — 1919)

В продуктах конденсации, полученных по Бутлерову и Лёву, Фишер открыл D, L-фруктозу, для получения которой он разработал новый ме­тод — синтез из формальдегида и глицеринового альдегида в присутствии щелочи. Фишер разработал также ряд других методов синтеза альдогек­соз, полностью подтвердивших выдвинутые им представления о строении Сахаров (Нобелевская премия, 1902).

После изучения углеводов и исследований соединений пуриновой груп­пы (аденин, гуанин, мочевая кислота, кофеин, теобромин, гипоксантин и др.) Фишер приступил к анализу аминокислот и белков.

Протеины, однако, наиболее сложные из этих трех групп, наиболее легко разрушаемые, а также являют собой саму характеристику жизни. Протеины содержат азот и серу, а также углерод, водород, кислород и, хотя обычно растворимы в воде, коагулируют и становятся нерастворимыми при общем нагре­вании. Поначалу их называли альбумино-подобными субстанциями, поскольку единственным общеизвестным примером был белок куриного яйца (по-латински «альбумин»).

Приступая к систематическому изучению белков, Э. Фишер исходил из представления, что белки построены только из аминокислот, и попы­тался доказать наиболее вероятное, с его точки зрения, амидное соеди­нение аминокислотных остатков. Он разработал метод разделения смесей аминокислот (так называемый эфирный метод) и использовал его для выделения и индентификации отдельных аминокислот из продуктов кис­лотного, щелочного или ферментативного разложения белков. После этого он перешел к решению ключевого вопроса о характере связей отдель­ных аминокислот в молекуле белка. Фишер пошел при этом по новому пути. Вместо применявшегося ранее исключительно аналитического метода исследования он использовал метод синтеза: он добивался получе­ния из аминокислот все более и более сложных соединений и пытался их идентифицировать с продуктами частичного распада белковой моле­кулы — пептонами. Разработав в течение 1902—1919 гг. несколько методов синтеза соеди­нений аминокислот, так называемых пептидов и полипептидов различного строения, среди которых был, в частности, октадекапептид, состоящий из 18 аминокислотных остатков, Фишер доказал, что основным типом связи аминокислот в молекуле белка является амидная связь между аминогруп­пой одной аминокислоты и карбоксилом другой. Эту связь Фишер назвал пептидной (рис.4.1.4). Пептидная теория удачно объяснила многие основные свойства белковых веществ — как химические и физико-химические, так и биологи­ческие.

Рис. 4.1.4. Образование пептидной связи в белках

Развивающаяся органическая химия также внесла вклад в эволюционную концепцию. Все виды живых организмов состоят из тех же самых классов органических веществ: гидрокарбонатов, липидов, протеинов. Они различаются от вида к виду, но различия малы. Образно выражаясь, кокосовая пальма и корова — существа совершенно разные, но масло кокосовое и коровье отличаются лишь в некоторых деталях.

Более того, ученым в середине XIX веке стало ясно, что сложную структуру гидрокарбонатов, липидов, протеинов можно в процессе пищеварения разложить на относительно простые «кирпичики». Эти кирпичики одни и те же для всех видов, и все отличия сосредотачиваются в способе их комбинации. В процессе потребления одним организмом других (процессе пищеварения) кирпичики складываются в сложные вещества, которые и составляют суть питания.

С химической точки зрения, жизнь во всех вариациях, несмотря на разительные внешние различия, одна и та же. А если так, то эволюционные изменения одних видов в другие — дело деталей, и эта точка зрения утвердила правдоподобность эволюционной концепции.