Журнал "Здоровье" №2 (50) 1959

Ферменты

Член-корреспондент Академии наук Грузинской ССР профессор В. С. Асатиани

Рисунок Б. Шкуратова

_{На Московском ордена Ленина мясокомбинате имени А. И. Микояна в цехе медицинских препаратов изготовляют фермент пепсин}

Почти полтораста лет назад русский ученый К. С. Кирхгоф сделал интересное открытие: он заметил, что процесс превращения крахмала в сахар протекает значительно быстрее, если к крахмалу добавить ячменного солода. Отчего это происходит — науке тогда еще не было известно. Кирхгоф предположил, что в солоде содержится какое-то вещество, способное ускорять химические превращения. Затем уже другие ученые обнаружили ряд веществ, которые подобным образом влияли на ход самых разнообразных химических реакций. Такое явление получило название катализа. А таинственные вещества, осуществляющие этот процесс, стали называться ферментами (от латинского слова ферментум — брожу).

Учение о ферментах развивалось медленно. Исследователи многих стран настойчиво пытались раскрыть природу этих соединений. Был выделен не только фермент амилаза из ячменного солода, но обнаружены и другие: эмульсин в горьких миндалях, пепсин в желудочном соке, трипсин в соке поджелудочной железы. Однако строение их еще долгое время оставалось загадкой.

Что же представляют собой ферменты? Подойти вплотную к разрешению этого вопроса впервые удалось русской исследовательнице М. М. Манассеиной. Она доказала, что ферменты могут существовать не только внутри живых клеток, но и вне их.

Позднее, в трудах таких выдающихся русских ученых, как А. Я. Данилевский и И. П. Павлов, появились ясные указания на белковую природу ферментов. В то время весь мир знал об открытиях И. П. Павлова, которые произвели полный переворот в учении о пищеварении и пищеварительных ферментах. Исключительно наглядными опытами он показал, что чем больше белка в желудочном соке, тем выше его ферментативная активность. Другими словами, содержание фермента здесь всегда пропорционально количеству белка.

Вскоре другим исследователям, американцам Дж. Самнеру и Д. Нортропу, удалось получить ряд ферментов в чистом, кристаллическом виде и доказать, что они являются белками. Таким образом, учение о ферментах из области догадок перешагнуло в сферу точного исследования.

Установление белковой природы ферментов — факт чрезвычайной и принципиальной важности. Со школьной скамьи мы помним научное определение жизни, данное Ф. Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел». В те времена о белковой природе ферментов еще не было известно: тем замечательнее сила научного предвидения Энгельса. Белки — это основа жизненных процессов, важнейшая составная часть живого вещества.

А так как тысячи химических реакций живого организма, огромное большинство всех непрерывно осуществляющихся в нем химических превращений протекают при участии ферментов — белков, то становится понятным, почему жизнь без этих ускорителей реакций невозможна.

Какие же свойства ферментов делают их основой жизни?

В первую очередь, конечно, их способность резко изменять (обычно в сторону ускорения) темпы химических превращений. Такая высокая активность весьма характерна для биологических катализаторов, действующих в живых организмах. Можно смело утверждать, что самой жизни не было бы, не будь необычайной скорости, с которой в организмах совершаются различные химические превращения.

В процессе становления жизни на Земле могли образоваться скопления органических соединений, похожие на известные нам белки. Но процессы в них протекали очень вяло, можно сказать, что жизнь в них едва теплилась. А теперь представьте себе: на кучу тлеющих углей вылили бензин, вспыхнул яркий огонь. Подобным образом действовал на белки и первый фермент. Именно он обеспечил наибольшую скорость химических процессов и сделал белок живым существом с характерным для него обменом веществ.

Есть еще одно любопытное свойство ферментов, как катализаторов.

Химические превращения могут быть обратимыми. Например, какое-либо вещество распадается, но при определенных условиях продукты этого распада, соединяясь, образуют первичное вещество. Доказано, что ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию. Другими словами, они способствуют не только расщеплению, распаду, но и, наоборот, воссоздают, синтезируют из продуктов распада более сложные вещества, причем один и тот Же фермент может осуществлять и распад, и синтез.

Ферменты очень чувствительны к температуре. Все они — белки, а для белков характерны сильные изменения под действием высокой температуры. Это легко подтвердить примером из повседневной практики, нагревая куриное яйцо. Следует отметить, что нагревание до 40–50 градусов повышает способность ферментов ускорять химические реакции, катализировать их. Дальнейшее нагревание начинает снижать эту активность, а при температуре выше 90 градусов ферменты полностью утрачивают свои каталитические свойства, инактивируются.

Для каждого фермента существует оптимальная, наиболее благоприятная для его деятельности, температура. Естественно, что в организме теплокровных животных и человека наиболее благоприятной для ферментов является температура тела.

Активность ферментов имеет огромное значение в жизнедеятельности живых организмов. Это легко иллюстрировать на примере растений. Зимой в них как бы замирает жизнь, а весной, по мере потепления, ферменты делаются все более и более активными, повышая тем самым и процессы жизнедеятельности растительного организма.

Ферменты очень тонко реагируют также на степень кислотности среды. Одни из них наиболее активны при слабокислой реакции, другие — при слабо щелочной или нейтральной.

Это важное свойство ферментов позволяет понять процесс пищеварения. Пища в полости рта смачивается слюной. Реакция ее почти нейтральная. Наибольшей активностью при такой реакции обладает содержащийся в слюне фермент амилаза. Он действует только на углеводы.

Итак, в полости рта начинается ферментативное переваривание углеводистой части пищи.

Далее пища через пищевод попадает в желудок. Здесь выделяется желудочный сок, представляющий собой чрезвычайно кислую жидкость, равной которой по кислотности в живом организме нет. Он содержит фермент пепсин, который расщепляет белки, но не действует на углеводы. Что же происходит в желудке? Кислый сок постепенно пропитывает пищу, расщепляя главным образом белки. Под влиянием ферментов слюны, попавшей в желудок вместе с пищей, углеводы еще некоторое время продолжают перевариваться.

Пища постепенно поступает из желудка в тонкий кишечник. В начальный отрезок его — двенадцатиперстную кишку — впадают два протока большой пищеварительной железы, расположенной под желудком. Сок поджелудочной железы содержит ферменты: трипсин, амилазу, липазу, которые становятся активными при щелочной реакции. Они действуют на все три основные группы питательных веществ: белки, углеводы и жиры. В нижерасположенных отделах желудочно-кишечного тракта — тонком, а затем и в толстом кишечнике, активность ферментативных процессов постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что сюда пищевые продукты поступают в значительно расщепленном состоянии.

Ферменты называют «ключами» жизни за их чрезвычайно важное свойство: действовать избирательно, специфично, лишь на вполне определенное вещество. Можно повышать или, напротив, угнетать активность фермента некоторыми химическими, часто очень простыми по составу, веществами. Такие вещества действуют тоже очень специфично. Синильная кислота, например, резко повышает активность фермента папаина, расщепляющего белки, но совершенно парализует дыхательный фермент.

Многие ферменты содержатся в тканях и клетках организма в совершенно неактивном состоянии. Это впервые показал

И. П. Павлов на примере пищеварения. Пепсин (фермент желудочного сока) делается активным только после того, как на его пассивную форму — пепсиноген — подействуем соляная кислота.

Ферменты широко распространены в живой природе. Они содержатся во всех животных и растительных тканях, первоосновой которых являются белки. Это позволяет предположить, что все белки обладают в той или иной степени фарментативными свойствами. Такой взгляд находит подтверждение в трудах советских ученых В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой. Так, например, главный белок мышц — миозин обладает способностью сокращаться в объеме. Оказалось, что миозин — не только сократимый белок, но одновременно и фермент, который ускоряет химическую реакцию, необходимую для этого сокращения.

Как ни горит огонь, быстрее приготовит обед тот, кто добавит в пищу «чудесный порошок»

Как уже было сказано, ферменты играют важнейшую роль в обмене веществ — этом сложном непрерывно протекающем процессе, без которого невозможно существование живого организма.

Еще два века назад гений М. В. Ломоносова предвидел, что «медик без довольного познания химии совершен быть не может». Сейчас каждый врач знает, что ни одно заболевание не проходит без нарушений процессов обмена веществ и, следовательно, нарушений в деятельности ферментов, которая в здоровом организме отличается удивительной согласованностью. Естественно, что у врачей возникла мысль: нельзя ли использовать ускорители химических реакций — ферменты — для предупреждения и лечения болезней. Особенно широко для этих целей стали применяться ферменты, содержащиеся в пищеварительных соках: пепсин, трипсин, химотрипсин. В медицине используются также препараты и многих других ферментов. Так, фермент гиалуронидаза разрушает вещество, соединяющее отдельные клетки. Поэтому он применяется для ускорения всасывания лекарственных веществ, вводимых под кожу или внутримышечно. А препараты дыхательных ферментов необходимы тогда, когда организму грозит кислородное голодание.

Для профилактики и лечения используют не только сами ферменты, но и их некоторые небелковые соединения — коферменты. В их состав входят многие известные нам витамины. Достаточно упомянуть о таких витаминах, как B₁, витамин В₂, никотиновая кислота. Эти и другие коферменты являются наиболее ценными лекарственными веществами в первую очередь потому, что действуют не на признаки болезни, а на ее причины — нарушения в обмене веществ.

Процессы обмена веществ в нашем организме регулируются нервной системой. Естественно поэтому, что и активность ферментов, участвующих в химических превращениях, также зависит от деятельности нервной системы. Наблюдения показывают, что умственное напряжение, волнение, связанное, например, с участием в спортивных соревнованиях, различных конкурсах, сдача экзаменов повышают активность ферментов, расщепляющих белки. А это в свою очередь ведет к тому, что организм начинает расходовать больше белков. Это необходимо учитывать при составлении рациона питания.

Сколько людей мечтает об искусственных питательных веществах в виде небольших таблеток или пилюль, которые бы полностью заменили громоздкую и часто неудобоваримую пищу наших дней. Нельзя ли избавить человека от необходимости потреблять природные пищевые продукты: хлеб, мясо, овощи, фрукты, содержащие не только полезные, но и ненужные, а то и просто вредные вещества, на переваривание которых наш организм затрачивает много энергии. Это ли не заманчивая перспектива!

Но мечты о питательных таблетках, конечно, нереальны. Ближайшие тысячелетия не смогут изменить наше тело, приспособленное на протяжении миллионов лет к сложившимся процессам пищеварения. Однако создание более удобоваримой пищи — это мечта реальная, она становится явью. Сколько неприятностей доставляет нам жесткое, как подошва, мясо! Но есть чудесный порошок. Достаточно его щепотки, чтобы превратить самый жесткий бифштекс в нежное филе или телятину. Это — препарат фермента папаина, получаемого из плодов культивируемого на юге нашей страны дерева — карика папайя. Не только мясо, но и горох, фасоль, чечевицу можно так размягчить предварительной обработкой ферментом, что на их варку понадобится в 4 раза меньше времени, чем обычно.

Существует много ферментов, которые мы можем уже теперь использовать для предварительной подготовки самых разнообразных пищевых продуктов. В кухне недалекого будущего ферменты призваны сыграть огромную роль. Зная свойства ферментов, человек усилит их действие во много раз. Будут созданы не только фабрики жиров, углеводов, вкусовых и ароматических веществ, но и фабрики-лаборатории, где будут добываться, а впоследствии синтезироваться сами ферменты.

Жизнь на земле существует благодаря растениям, которые, используя энергию солнечных лучей, при помощи ферментов «готовят» пищу из воздуха, воды и солей. Замечательная лаборатория зеленого листа работает пока лучше самых совершенных химических лабораторий, созданных современной наукой. В будущем, когда синтетическая химия сможет поставлять все необходимые пищевые продукты, откажется ли человек от растений? Нет! Очевидно, люди еще долго будут пользоваться растениями, разумно улучшая их.

Живые организмы — хорошие химические лаборатории и, что самое главное, хорошие фабрики ферментов. Особенно богатый ассортимент ферментов изготовляют разнообразные микроорганизмы. Поэтому их начинают широко применять на ферментных заводах, вырабатывающих

препараты для различных отраслей промышленности: производства лечебных вакцин, мягчения кож, обработки шелковых и хлопчатобумажных тканей, древесины, обезжиривания шерсти. Без участия ферментов у нас не было бы хорошо выпеченного хлеба, ароматного чая, многих пищевых продуктов.

В последние годы ферменты начали применять в качестве химических реактивов, используя их высокую избирательность, специфичность действия. Так, например, врач, чтобы успешно лечить больного, должен знать, какие изменения произошли в организме. При сахарной болезни очень важно точно определить содержание количества глюкозы в крови. Это позволяет распознать заболевание даже тогда, когда человек чувствует себя еще хорошо, а когда начато лечение — следить за его результатами.

Но с помощью химических реактивов невозможно точно определить содержание глюкозы. На помощь приходят ферменты. Нотатин вступает в реакцию только с глюкозой, не затрагивая даже близкие к ней по строению другие сахара.

Или такой пример. Человек в состоянии сильного возбуждения совершил серьезный проступок. В этих случаях очень важно установить, был ли этот человек пьян. Лабораторный анализ должен дать точный ответ. К сожалению, химические методы определения винного спирта в крови не лишены недостатков. Если же для анализа использовать специальный фермент, — ошибки не будет.

Нередко в химических реакциях ферменты применяются как своеобразные разведчики, первооткрыватели того или иного вещества. Химики называют таких разведчиков индикаторами (от латинского слова индикатор — указатель). Они позволяют быстро установить присутствие определенных химических веществ или уловить конец реакции.

Поскольку мы знаем, что ферменты — это белки, следовательно, получение искусственных ферментов является частью большой проблемы создания, синтеза белка. Она пока еще не решена до конца. Правда, ученым удалось сначала точно установить химическое строение некоторых белков и затем искусственно воссоздать их, причем полученные белковые вещества обладали некоторыми биологическими свойствами соответствующих природных белков. Но таким путем получены только белки-малютки, молекулы которых сравнительно малы. Можно не сомневаться, что получение искусственных белков с более крупной молекулой — дело недалекого будущего. И поскольку в настоящее время наиболее полно изучено химическое строение именно тех белков, которые являются ферментами, можно с уверенностью сказать, что среди первенцев искусственно созданных белков будут ферменты.

Тбилиси

Во время соревнований проверяются сила, ловкость, выносливость. Все это в немалой степени зависит от обмена веществ в организме, от активности ферментов

На фото: Санитарный вертолет летит на срочный вызов.

_{Фото А. Замулина}

Большая часть юго-запада Черновицкой области — зона Карпатских гор и предгорий. С самолета они кажутся застывшими каменными волнами.

Впрочем, самолет редко увидишь над этими горами, сплошь покрытыми лесами. Посадка здесь крайне затруднительна, а иногда и просто невозможна.

А как быть, если в высокогорном селении, на лесопильном заводе или в леспромхозе тяжело заболел человек и ему нужна срочная специальная помощь?

На машине и даже пешком по подвесным троссо-рельсовым дорогам и горным тропинкам нескоро к нему доберешься. Тогда с санитарно-авиационной станции Черновицкой областной клинической больницы в горы летит вертолет.

B больнице села Парубное шла борьба за жизнь шестнадцатилетней Вероники. Необходимо было немедленное переливание крови, но весь запас ее был израсходован. Обратились за помощью на станцию санитарной авиации. И вскоре на небольшой заснеженной спортивной площадке Парубнянской школы приземлился вертолет. Пилот своевременно доставил консервированную кровь.

Жизнь Вероники была спасена.

Однажды возникла необходимость срочно перевезти из высокогорного села Селятино человека с легочным кровотечением. Решили вызвать вертолет. Но предстояло преодолеть горный хребет высотой в 1 700 метров. Выдержит ли больной такую высоту? Были приняты все меры для облегчения перелета. Пилот по указанию врача снижался постепенно, чтобы не было резкого изменения атмосферного давления. Вертолет благополучно приземлился. Здесь уже его ждала санитарная машина, вызванная пилотом по радио.

Еще недавно из отдаленных горных селений до Черновиц больного везли несколько дней. Теперь вертолет за несколько минут доставляет в затерянное в горах селение опытных специалистов для консультаций и оказания помощи. А в случае необходимости заболевшего быстро доставят в специализированные лечебные учреждения города.

М. И. Донигевич, заведующий станцией санитарной авиации

Черновцы, УССР.

Мы хотим поделиться с читателями журнала «Здоровье» своей радостью: во многих китайских городах и уездах изгнан опасный враг — шистоматоз. Это тяжелое заболевание, вызываемое паразитом-червем, ранее опустошало у нас города и села. Шистоматоз олицетворялся народом в образе Демона злой болезни.

При реакционном гоминдановском правительстве народные массы голодали, страдали от отсутствия свежей воды, от грязи, так что говорить о гигиене быта и не приходилось. Только в условиях строительства социализма под руководством Коммунистической партии Китая на борьбу с этим злом поднялся весь народ. Народные массы, полные революционной энергии и решимости, принялись искоренять источники заболеваний.

Ярким примером является 138-летний Лю Чжень, возглавивший более сорока членов своей семьи на борьбу за санитарный порядок в доме, во дворе, на улице.

Повсеместно в домах моют окна и двери, чистят полы, устраивают уборные, засылают места скопления стоячей воды, уничтожают очаги распространения мух и комаров.

Во многих уездах, городах, районах, селах и деревнях полностью уничтожены «шесть вредителей»: крысы, воробьи, мухи, комары, черные тараканы, клопы.

Нас вдохновляет пример советского народа, успешно искореняющего болезни в своей стране.

Ма У-ЦюаньЬ, Шэнь И-Инь

Народная больница города Хучжоу провинции Чжэцзян

1.

2.

Примечания

_{Хуа То — знаменитый врач эпохи «Весны и осени».}

_{Демон болезни — в старом Китае жило поверье, что эпидемии шистоматоза напускает на людей Демон злой болезни.}

_{Шунь Яо (Шунь Юй-яо) — знаменитый мудрец эпохи Тан.}

_{Красный ливень — символ созидательного начала, буйного расцвета природы.}

_{Трехречье — имеются в виду три великие реки Китая — Хуанхэ, Янцзыцзян и Сицзян.}

_{«Стены мощные вырастают» — имеются в виду гидротехнические сооружения, воздвигнутые за годы народной власти.}

_{«Пусть сгорает корабль бумажный…» — по старым народным поверьям, сожженные предметы переходят в распоряжение духов. Образ «бумажного корабля» выступает как символ полного искоренения шистоматоза на территории Китая.}