История открытия и изучения энзимов /ферментов

Луи Пастер в лаборатории

Уже в течение нескольких тысяч лет люди используют ферменты, такие как дрожжи и бактерии. Так, например, известно, что шумеры еще в 3000 г. до н.э. варили пиво, выпекали хлеб и изготавливали сыр. Для процесса использования дрожжей в жидкости или в тесте, то есть для различных процессов брожения, инициированных посредством эзимов, был создан термин «ферментация», еще до открытия существования бактерий (или микробных дрожжей) и их воздействия посредством энзмов.

Слова ферментация и фермент вошли в европейские языки в 15 веке, они восходят к латинскому слову fermentum. Колумелла использовал это выражение около 60 г. н.э. для разрыхления и набухания почвы, в то время как Сенека использовал его примерно в то же время в своих эпистулах для описания процесса ферментации, который он считал необходимым для образования меда. Слово «фермент», означающее «агент ферментации» или «закваска», было заимствовано из латинского языка, и от него произошли термины ферментация и ферментер.

Первые процессы ферментации были описаны Парацельсом и Андреасом Либавиусом. После того, как Рене Реомюр исследовал пищеварение птиц в 1752 году и обнаружил, что у хищных птиц нет желудков, которые измельчают зерна, а скорее выделяют жидкость в желудке, Лаззаро Спалланцани смог доказать в 1783 году, что одного их желудочного сока достаточно для разжижения мяса. Это опровергло теорию чисто механического процесса пищеварения.

Первое прямое использование ферментов без участия микроорганизмов было сделано немецким фармацевтом Константином Кирхгофом в 1811 году, когда он обнаружил, что большее количество сахара может быть получено путем нагревания крахмала с добавлением серной кислоты. Французский химик Ансельм Пайен усовершенствовал этот процесс в 1833 году; поскольку в то время считалось, что сахар отделяется только от крахмала, этот процесс был назван «диастазой» (по-гречески «отдельный»); сегодня термин «диастаза» используется как синоним амилазы. За этим последовало открытие Эрхарда Фридриха Лейхса в 1831 году, что человеческая слюна явно осахаривает крахмал. В 1833 году Эйльхард Митчерлих использовал термин «фермент» в связи с веществом, которое не видоизменяется во время реакции, но необходимо для процесса самой реакции. В 1835 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус подозревал, что диастаза – это химический процесс, в котором действуют каталитические силы.

Только в 1837 году три ученых (К. Канььяр де ла Тур, Т. Суон и Ф. Кетцинг) независимо друг от друга обнаружили, что дрожжи состоят из микроорганизмов. Луи Пастер показал в 1862 году, что микроорганизмы ответственны за ферментацию. Он пришел к выводу, что ферментация происходит за счет жизненной силы, присутствующей в ячейке плесени, которую он назвал «ферментом», которые не теряют своей эффективности с гибелью ячейки плесени.

В 1878 году Вильгельм Фридрих Кюне представил современное неоклассическое слово «энзим» (древнегреческое ἔνζυμον énzymon), образованное от ἐν- en-, «in-» и ζύμη zýmē, что также означает «закваска» или «дрожжи». Следовательно, это означает «то, что содержится в закваске / дрожжах» (а именно, вещество, которое запускает или влияет на брожение). Затем этот термин нашел свое применение в международной науке и теперь также является частью современного греческого языка.

Вильгельм Фридрих Кюне отделил термин «энзимы», которое используется для описания биокатализаторов, эффективных вне живых клеток, от «ферментов», которые, согласно Пастеру, могут проявлять свое действие только внутри живых клеток.

Следующей важной вехой стали исследования Эмиля Фишера специфичности энзимов: около 1890 года он постулировал, что энзимы и их субстрат ведут себя как замок и правильный ключ. В 1897 году Эдуард Бюхнер обнаружил с помощью спиртового брожения, что энзимы могут иметь каталитический эффект даже без живой клетки. В 1907 году он получил Нобелевскую премию за демонстрацию бесклеточной ферментации. В 1903 году Эдуарду Бюхнеру и Якобу Майзенгеймеру удалось убить микроорганизмы, которые вызывали ферментацию молочной и уксусной кислоты, не влияя на их ферментативное действие. Это стало первым шагом для создания функциональных технических ферментов. Немецкий химик Отто Рем впервые выделил ферменты в 1908 году и разработал процессы ферментативного дубления кожи, очистки фруктовых соков и ряда диагностических приложений.

В начале 20 века химический состав энзимов был еще неизвестен. Предполагалось, что энзимы состоят из белка и что их энзиматическая активность связана с их структурой. Однако другие ученые, такие как Ричард Вильштеттер, утверждали, что белки являются только носителями «настоящих энзимов» и что они не могут инициировать каталитическую реакцию сами по себе. Джеймс Б. Самнер показал в 1926 году, что энзим уреаза представляет собой чистый белок, и смог его кристаллизовать. Последние сомнения относительно состава энзимов развеяли Джон Х. Нортоп и Уэнделл М. Стэнли, когда они продемонстрировали в 1930 году, что пепсин, трипсин и химотрипсин состоят из чистого белка. Нортроп и Стэнли получили за это Нобелевскую премию по химии в 1946 году.

Знание того, как кристаллизовать ферменты, теперь позволило исследователям использовать анализ кристаллической структуры для выяснения структуры и функции энзимов на атомарном уровне. В период с 1930 по 1939 год были открыты кристаллические структуры еще одиннадцати энзимов. Первая аминокислотная последовательность, которая была полностью расшифрована энзимом – это рибонуклеаза. Этого шага достигли Стэнфорд Мур и Уильям Ховард Штайн. В 1969 году Роберт Брюс Меррифилд синтезировал всю последовательность рибонуклеазы, используя метод, названный в его честь (синтез Меррифилда). В это же время это удалось сделать Р. Г. Денкевальтеру и Р. Хиршманну.

 

Источник: из английской и немецкой Википедии.