Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
В истории физиологии отчетливо прослеживается постепенный переход от исследований животных как целого к исследованиям тканей и экстрактов из них. С одной стороны, это позволило детально изучить процессы обмена веществ, а с другой — привело к потере связи между структурой и функцией. Лишь в 50—60-е годы, с развитием современных методов исследования, физиологию клетки начали связывать с функциями субклеточных структур. Особенно большие успехи были достигнуты в изучении синтеза белковых веществ, осуществляемого в рибосомах по команде ДНК с помощью различных видов РНК. Теперь предстоит установить, где именно в клетке возникают и другие химические вещества. В настоящее время более значительных успехов удалось добиться в изучении их синтеза.
В то время как процесс разложения углеводов исследован сравнительно давно, их синтез долгое время оставался неразгаданным. Многие видные ученые допускали, что указанные реакции обратимы и сахара создаются так же, как и разлагаются. Лишь в 1949 г. аргентинский ученый Луис Федерико Лелуар, ученик Бернардо Усая, сделал открытие, которое в корне изменило направление мыслей биохимиков. Он установил, что превращение моносахаридов из одного вида в другой происходит в присутствии какого-то неизвестного вещества. Выделив это вещество, Лелуар определил его химическую структуру. Оно представляло собой фрагмент углевода, связанный с нуклеотидом. Исследования аргентинского ученого показали, что трансформация моносахаридов происходит после их соединения с подобным нуклеотидом. Это делает их активными и реакцию возможной. Далее выяснилось, что с помощью нуклеотидов осуществляется биосинтез таких полисахаридов, как гликоген, крахмал, целлюлоза и т. д.
Эта идея имела большое значение для биохимии. Ученые отказались от представлений об обратимом характере этих реакций. Выяснилось, что разложение и синтез идут разными путями. Впоследствии было установлено, что это относится и к другим группам соединений, в частности к белкам и нуклеиновым кислотам.
Л. Лелуар специализировался в 1936 г. по биохимии у Ф.Г. Хопкинса в Кембридже, в 1944 г. был ассистентом Карла Кори, а затем Бернардо Усая в Буэнос-Айресе. Восприняв опыт этих крупных ученых, он сумел внести свой собственный большой вклад в биохимию, что и принесло ему в 1970 г. Нобелевскую премию по химии.
Важное место в учении о метаболизме занимает исследование жирных кислот и других соединений, образующих большую группу липидов. Особый интерес представляют стерины, к которым относятся многие физиологически активные соединения. Химическая структура этих соединений начала выясняться в начале XX в.; в 1928 г. Генрих Виланд и Адольф Виндаус (Виланду премия была присуждена за 1927 г.) получили Нобелевскую премию по химии за исследования структуры соответственно желчных кислот и холестерина. Было установлено, что у животных и растений имеется большое число стеринов, например витамин D, половые гормоны, гормоны надпочечников и т. д. Некоторые из них были известны довольно давно. Холестерин был открыт еще 200 лет назад в желчных камнях. Однако детали механизма синтеза стеринов начали выясняться лишь после того, как Конрад Эмиль Блох и Феодор Линен применили для изучения цепи биохимических реакций- метод меченых атомов.
Исследования этих ученых заложили основы современных представлений о динамике процессов в живых клетках. Фундаментальным открытием — оно было сделано в лаборатории Рудольфа Шёнхеймера в Колумбийском университете — явилось выяснение роли уксусной кислоты как структурного элемента при синтезе холестерина и жирных кислот. Эти исследования в основном выполнены Блохом. В то же самое время Линен в Мюнхенской лаборатории Генриха Виланда (его тестя) также изучал метаболизм уксусной кислоты и открыл ее активированное состояние, которое оказалось предшественником всех липидов человеческого организма. Этот активированный ацетат образуется в ряде процессов обмена веществ.
Работы Блоха и его сотрудников позволили выяснить, как из двууглеродной ацетатной группы получаются длинные молекулы с 30 атомами углерода. Была определена последовательность родственных соединений, близких в химическом отношении, но довольно далеких друг от друга в физиологическом плане. Оказалось, что они имеют общее происхождение и представляют собой просто этапы в цепи биосинтезов. Например, ланостерин выделяется из шерсти овец, а родственный ему холестерин широко распространен в крови и тканях человека. В свою очередь холестерин является предшественником желчных кислот некоторых половых гормонов.
Линен, который работал над теми же проблемами, получил аналогичные результаты. Однако наряду с этим он интересовался и клеточным аспектом проблемы, связывая его более тесно с обменом веществ и структурой. Кроме того, Линен показал, как может видоизменяться цепь синтезов, в результате чего вместо стеринов получаются терпены, каучуки и другие вещества. В этих реакциях участвуют и активированные изопреновые молекулы.
Биохимические исследования К. Блоха и Ф. Линена во многом способствовали изучению путей биосинтеза в организме одной биологически очень важной группы соединений. Холестерин давно интересовал медицину, так как его отложение на внутренних стенках кровеносных сосудов ведет к их сужению и закупорке. Проблема снятия этих отложений и поддержания кровеносной системы в должном состоянии все еще остается нерешенной. За исследования обмена холестерина и жирных кислот К. Блох и Ф. Линен были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Химия клетки ведет свое начало с середины прошлого века. Одно из первых ее достижений — открытие нуклеиновых кислот. Как говорит само их название, эти кислоты связаны с ядром клетки. Они были открыты в 1869 г. Фридрихом Мишером. Сам он использовал термин «нуклеин», и лишь 20 лет спустя немецкий биохимик Р.Альтман ввел понятие нуклеиновой кислоты.
Свои открытия Мишер сделал, работая в лаборатории известного биохимика Ф. Гоппе-Зейлера. В 1879 г. в этой лаборатории начал исследования нуклеиновых кислот Альбрехт Коссель. Нуклеиновым кислотам и связанным с ними протеинам он посвятил более четверти века. В 80-е годы Коссель, проведя успешные эксперименты по гидролизу нуклеиновых кислот, обнаружил, что они содержат аденин, гуанин, фосфорную кислоту и еще какое-то вещество, подобное сахару. В сущности, он открыл первичную структуру этих сложнейших биополимеров.
В клетке нуклеиновые кислоты тесно связаны с белками, имеющими щелочной характер. Коссель отдал много сил и времени их изучению. Оказалось, что они принадлежат к группе протаминов (которые относятся к простейшим белкам) и гистонов.
Исследования Косселя в биохимии происходили в очень важный для нее период — период ее утверждения как науки. Исследуя такие сложные соединения, как нуклеиновые кислоты и белки, ученый открыл ряд их составных элементов: гипоксантин, аденин, гуанин (являющиеся составными частями нуклеина), а также аминокислотный гистидин. За свои достижения А. Коссель был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.
В 1936 г. Макс Фердинанд Перуц, молодой австриец, работавший в Кавендишской лаборатории, приступил к исследованию структур гемоглобина методом рентгеноструктурного анализа. Это вещество переносит кислород в кровь и имеет огромное значение для физиологии. Первые рентгенограммы были получены в 1937 г. Объектом исследования служил гемоглобин лошади. Результаты было исключительно трудно интерпретировать, так как они требовали трудоемких вычислений, а ЭВМ тогда еще не существовало. Год за годом Перуц с исключительным терпением продолжал свои эксперименты, поддерживаемый и поощряемый руководителем лаборатории У.Л. Брэггом. В 1953 г. Перуц усовершенствовал метод рентгеноструктурного анализа, что облегчило расшифровку получаемых рентгенограмм. В 1959 г., после более чем двадцатилетней работы, Перуц и его сотрудники смогли наконец продемонстрировать пространственную структуру гемоглобина. В этой работе ему помогали многие ученые. Дж. Бернал научил его, как делать рентгенограммы, а Д. Кейлин, один из крупнейших английских биохимиков нашего века, обеспечил ему доступ в свою биохимическую лабораторию. Крик, Уотсон и Сенгер, будущие лауреаты Нобелевских премий, работали у Перуца и в свою очередь освоили его опыт.
В 1946 г. из английских военно-воздушных сил был демобилизован специалист, участвовавший в разработке радаров. Джои Кендрю, закончивший Кембриджский университет по специальности химика, вернувшись в этот научный центр, начал работать у Перуца. Под влиянием Бернала и Полинга он заинтересовался структурой белков и решил избрать объектом своих исследований небольшую белковую молекулу — миоглобин. Это вещество, родственное гемоглобину, содержится в мышцах. Его молекула, в 4 раза меньшая, чем у гемоглобина, служит своеобразным накопителем для кислорода. Наличием миоглобина объясняется красный цвет мышц. Особенно много миоглобина у морских млекопитающих, которые длительное время остаются под водой и потому нуждаются в большом запасе кислорода в тканях тела; из-за большого содержания миоглобина их мышцы имеют очень тёмный цвет.
