Шамин А.Н. Биокатализ и биокатализаторы:
Исторический очерк. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Исследовательской работой, в той или иной мере связанной с проблемами биологического катализа, в настоящее время занята огромная армия исследователей – биологов, химиков и физиков. Формирование энзимологии в самостоятельную, весьма обширную отрасль знания происходило в последние несколько десятилетий. Роль биокатализаторов в обмене веществ и их исключительные свойства оправдывают те усилия, которые затрачиваются сейчас на изучение механизма действия ферментов, на выяснение их структуры и ее связи с функциональными особенностями.

Энзимология уже давно проникла в промышленность. Традиционные отрасли биохимической промышленности – пивоварение, хлебопечение, виноделие, чайная и табачная промышленности – невозможны без знания природы лежащих в их основе ферментативных процессов. Возникшая в последние годы промышленность ферментных препаратов целиком и полностью зависит от развития энзимологии.

Изучение биологического катализа уходит своими корнями в незапамятное прошлое. Чрезвычайный интерес представляет определение того момента, или той эпохи, когда произошел перелом в изучении биокаталитических процессов – переход от практического использования к попыткам проникновения в их сущность, от рецептурной техники к познанию природы биокаталитических процессов, от примитивно-виталистических толкований к пониманию материальной природы агентов, вызывающих и поддерживающих течение разнообразных реакций.

В данной книге не предполагается проследить всю историю энзимологии от ее истоков и до сегодняшнего дня. Мы ставили перед собой ограниченную задачу – показать, каким образом возникли предпосылки для формирования современной энзимологии.

Для этого нами были рассмотрены две основные проблемы – природы биокаталитических процессов и природы биокатализаторов. Такое ограничение было вызвано двумя причинами. Во-первых, историческое исследование развитая и становления этих проблем имеет не только частное значение для история энзимологии или биохимии. Понимание первопричин возникновения этих проблем и судьба некоторых важнейших представлений, связанных с их возникновением и развитием, немаловажны для понимания того, как формировались некоторые основополагающие понятия в химии в целом, например, понятие о реакционной способности. Во-вторых, эта книга является первой из нескольких исследований, посвященных проблеме развития энзимологии. Специфика рассматриваемых вопросов и стремление к целостности заставили нас разделить материал по истории энзимологии на две принципиально отличающиеся друг от друга части – первая связана с формированием общих понятий и не касается развития конкретных проблем энзимологии, вторая посвящена изучению развития этих проблем во взаимосвязи со всем комплексом биохимических наук.

Автор признателен сотрудникам сектора истории общей и органической химии Института истории естествознания и техники за внимание к его работе. Автор благодарен также сотрудникам Научной библиотеки им.A.M.Горького Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, в том числе сотрудникам Отдела редких книг этой библиотеки, за неоценимую помощь в подборе и ознакомлении с литературой, редкой и труднодоступной.

Введение

Вопрос о природе биологических каталитических процессов принадлежит к числу основных проблем естествознания. По существу, все химические процессы, протекающие в живых организмах, – каталитические. Каждый живой организм в своей сущности – это огромный, хитроумно организованный катализатор. Что же касается самих биологических катализаторов, ответственных за осуществление отдельных реакций или сопряженных систем реакций, то, как писали Дж.Нейландс и П.Штумпф: "Фермент можно в известном смысле рассматривать как "живую" молекулу" (l, стр.9). Исследования ферментов и ферментативных процессов составляют неотъемлемую часть современной молекулярной биологии.

Проблема биокатализа теснейшим образом связана со множеством проблем как широчайшего теоретического, так и прикладного или медицинского характера. Кроме того, вся проблематика энзимологии имеет величайшее философское значение, так как прогресс современной биологии показал неотделимость сложнейших проявлений свойств живых организмов от их химической, молекулярной основы. Развитие энзимологии и учения об обмене веществ привело к созданию представлений о принципиальном единстве химизма жизненных процессов у всех существующих на Земле организмов.

С внешними проявлениями тех свойств живой материи, которые мы сейчас называем биокаталитическими, или ферментативными, человек встретился, вероятно, еще на заре цивилизации. Проблема сущности жизни также привлекала к себе человеческие умы с незапамятных времен. Начиная с глубокой древности и до наших дней, создатели многих философских систем в той или иной форме уделяли вопросу о природе жизненных проявлений самое пристальное внимание (2). "Аристотелевская картина мира была, по существу, сосредоточена на изучении Земли и человека. Предполагалось, что центр вселенной – человек – находится в непосредственном контакте со всеми ее частями благодаря различным влияниям и духам, связывающим его с планетными сферами. Сам по себе человек представлял собой маленький мир – микрокосмос" (3, стр.239). Эти слова Д.Бернала показывают те исходные взгляды, которые легли в основу представлений о причинах и силах, обусловливающих течение всех процессов, происходящих в этом микрокосме.

Весь процесс зарождения учения о биокатализе и биокатализаторах можно представить себе как двоякий ход развития. Во-первых, перед нами лежит история познания и приложения причин биологических процессов к данной конкретной области в самом широком, и метафизическом и физическом смыслах этого слова. Во-вторых, мы можем проследить появление конкретных фактов, открытий, положенных в основу рациональных знаний об отдельных реакциях, т.е. все то, что составляет ткань истории данной отрасли знания.

В связи с этим имеет смысл обратить самое пристальное внимание на раннюю историю биокатализа хотя бы потому, что, по словам А.Митташа и Э.Тейса, "...небиологические катализы в древней химии почти не встречаются, хотя основное отношение алхимиков к природе с их стремлениями к превращению элементов и к осуществлению других чудесных реакций при помощи "камня мудрецов", "quinta essercja", "великого эликсира", "универсальной тинктуры" или "Magisterium" было таково, что в нем уже можно было усмотреть неясные каталитические тенденции" (4, стр.1).

Естественно, что представления о каталитических явлениях могли складываться лишь в результате открытия фактов, которое заставило отделить каталитические процессы от иных, некаталитических.

Для этого было необходимо "...1) установить, что в отличие от других химических реакций каталитические процессы совершаются только в том случае, когда имеется посредничество какого-то агента, с помощью которого основные вещества – реагенты – могли вступать в акты превращений; 2) определить, что реагенты отличаются от агентов; последние в результате реакции остаются количественно и качественно неизменными, т.е. они или регенерируются в процессе реакции, или вообще в течение всей реакции остаются химически неизменными и оказывают влияние на ход превращений реагентов только своим присутствием" (5, стр.8).

Второе положение могло быть сформулировано только после создания количественных методов в химии.

Таким образом, поиски "хронологического старта* каталитической химии в целом, а не только биокатализа, связаны с изучением развития представлений о существовании такого рода превращений, в которых, помимо непосредственных участников реакции, фигурирует еще некая "третья сила", вызывающая и регулирующая данное превращение.

Авторы исторических исследований по катализу (4,5) обычно очень бегло касаются существования представлений о неких "ферментах" или "ферментациях", которые и рассматривают как очень далекие прообразы катализаторов или каталитических процессов. При этом авторы лишь ссылаются на эмпирические поиски алхимиков, а появление этих терминов связывают с признанием существования процессов, в которых принимают участие некоторые чисто химические агенты, подобные солям, кислотам или щелочам [см.; например, (6)].

Однако уже первое знакомство с подлинниками работ химиков XVI–XVII вв., изучивших и описавших те или иные "ферментации", показывает, что вопрос об исторических корнях катализа чрезвычайно сложен. Он должен рассматриваться не только как история эмпирических открытий, но в более широком плане: как история формирования принципиальных общих представлений, позволивших перейти к первым обобщениям в области биологического катализа и катализа вообще. Таким образом, это был закономерный этап истории химии, подготовивший умы химиков к восприятию новых фактов и объяснению причин биокаталитических и каталитических процессов на основе неких моделей и образов, которые могли лишь формально совпадать с тем новым, что познавала наука.

Необходимо учитывать также, что за триста лет, охватывающих историю поздней алхимии, иатрохимии и химии флогистона, в истории науки произошли столь значительные сдвиги, что почти невозможно сравнивать взгляды, скажем, Т.Парацельса со взглядами Р.Бойля или Г.Шталя, не говоря уже о создателях новой химии (7). Однако этот этап истории химии был непрерывным, хотя и изобиловал революционизирующими теориями и учениями.

Для рассматриваемого нами вопроса весьма важно знать, что понимали химики на протяжении всего исследуемого нами периода под такими понятиями, как превращения, причины превращений, механизмы превращений.

1) "Превращения" (реакции); это понятие связано с представлениями об элементах, с понятиями о веществе. Необходимо помнить, однако, что некоторые превращения связывались с изменениями нематериальных начал, которым могла быть приписана элементарная, основополагающая сущность.

2) Причины превращений; представления о них связаны с развитием понятий о силах, их вызывающих" (Если речь идет о силах, то ясно, что именно здесь нужно искать отсветы на вопросы, связанные с поисками истоков каталитических идей.)

3) Механизмы превращений; именно в XVI–XVII вв. происходило развитие "динамического" мировоззрения, пришедшего на смену кинетизму и картезианству. В то же время проблема немеханической и противоположной ей механической (в том числе физической и химической) сущности лежала в начале пути от познания и определения причин (сил) к познанию и определению закономерностей.

Все эта соображения определили структуру данной работы. Она состоит из трех частей. Первая из них посвящена истории формирования некоторых общих представлений о каталитических и биокаталитических процессах. Вторая посвящена проблеме химической природы биокаталитических процессов, без чего был невозможен прогресс энзимологии на ранней фазе ее развития; Третья часть посвящена проблеме химической природы биокатализаторов, без чего был невозможен прогресс в изучении механизмов биокаталитических реакций. От решения этих двух проблем зависело формирование энзимологии в современном понимании этого слова – как науки, всесторонне изучающей химические процессы, протекающие в живом организме с участием биологических катализаторов, по своей природе белковых веществ.

В 1930 г. Дж.Б.С.Холдейн писал: "Полное историческое изложение энзимологии должно включать в себя рассмотрение ее взаимоотношений с чистой химией. Так, энзимология очень многим обязана теории строения белков Гофмейстера и установлению строения сахаров, выполненному Фишером. С другой стороны, без применения энзимов в качестве реагентов триптофан вряд ли был бы открыт, и мальтоза была бы редким веществом, и комплекс глюкозидов можно было бы классифицировать только со значительным трудом" (8, стр.2).

В то же время совершенно очевидно, что развитие энзимологии не менее тесно связано с развитием биологии в целом. Такое тесное переплетение различных направлений науки сильно затрудняет анализ основных фактов истории и периодизацию истории энзимологии, но в то же время делает их чрезвычайно интересными и поучительными, так как некоторые положения представляется возможным применить и к другим смежным и пограничным наукам, в первую очередь биохимического и биофизического комплексов. Поэтому, в дополнение к изложению упомянутых выше проблем, мы присовокупили специальную глазу, представляющую собой очерк развития энзимологии в целом. Это сделано с целью облегчения понимания места указанных проблем в развитии всех отраслей биохимии, значительная часть которой не рассматривается нами в данной книге и будет изложена отдельно.

Сейчас энзимология находится перед новой ступенью своего развития, что не только позволяет, но и делает необходимым изучение ее истории. "В настоящее время энзимология достигла той стадии, когда в ближайшем будущем можно надеяться пожать обильные плоды всего громадного числа исследований, которые были проведены в последние годы", – так характеризуют современное положение М.Диксон и Э.Уэбб (9, стр.14).

Необходимо также включить в эту книгу главу "Истоки учения о каталитических процессах", тем более, что проблемам истории энзимологии в целом не было посвящено еще ни одного специального исследования. В упомянутых работах по истории химического катализа вопросам биокатализа уделено очень мало места (4, 5). Имеется незначительное число обзоров до истории учения о ферментах, однако эти обзоры, как правило, либо подчинены цели обосновать какие-либо общие концепции автора, как обзор В.Лангенбека (10), либо весьма поверхностны и касаются лишь некоторых аспектов энзимологии [см. (ll, 12)]. Некоторые обзоры носят информационный характер подобно обзору советской литературы по энзимологии Ч.Де Лонга (13). Имеется некоторое число исследований, посвященных отдельным ученым [см. (14–18)], много сделавшим в этой области, среди них выделяется работа А.А.Осинкина о жизни и деятельности К.Кирхгофа (19). Вопросы истории исследований окислительных ферментов послужили темой монографии С.С.Кривобоковой (20).

Сведения по истории учения о ферментах можно почерпнуть из исторических очерков или введений, сопровождающих специальные монографии по отдельным вопросам химии ферментов. Так, данные по ранним этапам истории энзимологии можно найти в монографиях П.Щютценберже (21), К.Негели (22), Г.А.Гивартовского (23), К.А.Смородинцева (24), Р.Грина (25) и др. Надо учитывать, однако, что so многих подобных работах приводятся далеко не точные, а иногда просто неверные сведения, искажающие историю учения о ферментах на ранних этапах развития. Исторические сведения можно найти также в монографиях Г.Эйлера (26), В.Бейлиса (27), Р.Вильштеттера (28), Э.Вальдшмидт-Лейтца (29), К.Опденгеймера и Р.Куна (30,31), Дж.Холдейна (8).

В послевоенные годы появилось значительное число фундаментальных монографий по химии ферментов, а также учебных пособий. Характерно, что многие из них содержат вводные главы по истории энзимологии, а одна из первых послевоенных обобщающих монографий по химии ферментов, книга Дж.Самиера и Г.Ф.Сомерса, – любопытную хронологическую таблицу основных событий в истории энзимологии (32) (не лишенную, впрочем, ошибок). Исторические сведения содержат книги Д.Нортропа, М.Кунитца и Р.Херриота (33), М.Диксона и Э.Уэбба (9), Л.Уэбба (34) и др.

Однако все эти работы страдают общим недостатком. Их авторы не занимались специально историческим исследованием вопроса, а пользовались вторичными источниками. Все это привело к тому, что многие неверные положения кочевали из одного издания в другое, приобретая убедительность из-за частого цитирования. Во всех случаях, когда эти сведения резко расходятся с истинным положением вещей, мы делали специальные указания в тексте работы.

Об авторе

Родился 29 августа 1931 г. в Москве. Окончил Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Доктор химических наук, профессор. Работал в Институте биохимии им. А.Н.Баха АН СССР, затем во Всесоюзном институте научной и технической информации (ВИНИТИ) АН и СМ СССР. В 1962–1996 гг. работал в Институте истории естествознания и техники имени С.И.Вавилова РАН. С 1967 г. профессор истории фармации Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова. Профессиональный историк науки (аспирантура ИИЕиТ – 1962–1964  гг., докторская диссертация там же – 1970 г.). В 1990 г. избран Исполнительным директором Фонда науки (с 1997 г. – Фонд науки им. Ю.А.Овчинникова).

Основные направления исследований: история науки, история химии и биологической химии, история фармации, науковедение. Специалист в области истории научной книги (автор каталога инкунабулов естественно-научного, медицинского и математического содержания, хранящихся в библиотеках мира). В последние годы изучал организационно-финансовую структуру науки зарубежных стран, проблемы формирования научного потенциала различных стран и регионов.

Автор более 300 работ, в том числе 15 монографий, ряд которых переведен на иностранные языки. Под его руководством защищено 18 кандидатских и 2 докторских диссертации.

Действительный член Международной академии информатизации, Европейской ассоциации истории медицины и здоровья, Американского общества истории науки и Общества истории алхимии и химии (Великобритания). Член редколлегий журналов "Биология в школе", "Вопросы медицинской, биологической и фармацевтической химии", "Вопросы медицинской химии", серий "Классики науки" и "Памятники науки" (РАН).

В 1988–1992 гг. – президент Комитета по истории науки Международного биохимического союза (International Union of Biochemistry). В 1989–1993 гг. – член Высшего экологического совета Российской Федерации. Председатель Специализированного совета по специальности "История науки и техники – химические науки" (ИИЕиТ РАН). В 1997 г. был избран Американским биографическим институтом "Человеком Года" по специальности "история науки". В 1998 г. был награжден Международным орденом "Order of International Ambassadors" и Серебряной медалью Кембриджского биографического центра.

За время, прошедшее с первого издания книги, в области биокатализа были сделаны новые выдающиеся достижения: например, американские ученые Р.Груббс и Р.Шрок вместе с французом И.Шовеном открыли новый класс катализаторов, позволяющий проводить многие химические реакции обмена, что поможет создать действенные лекарства от рака, туберкулеза, лейкемии и болезни Паркинсона. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по химии за 2005 год.