ПРИРОДА, №10-12, 1922 год. Новые течения в современной биохимии.

"Природа", №10-12, 1922 год, стр. 31-40

Новые течения в современной биохимии.

Проф. С. П. Костычев.

Еще Клод-Бернар и прочие физиологи первой половины XIX столетия так формулировали главную задачу физиологии: "Физиология стремится разъяснить механизм жизненных процессов на основании законов физики и химии". В частности, по отношению к физиологий обмена веществ можно сказать, что эта дисциплина преследует цель изобразить все превращения веществ в организме при помощи понятных химических уравнений. Насколько же достигнута эта цель в области биохимии растений, которая, благодаря простоте материала и определенности превращений веществ, подлежащих ее изучению, по справедливости должна итти впереди биохимии животных и расчищать ей дорогу? До последнего времени мы должны были признаться, что намеченная задача не только не выполнена, но и не выполняется (В биохимии животных дело обстояло, понятно, ничуть не лучше).

Капитальнейшие биохимические процессы в растительной клетке или совершенно еще не могут быть представлены в виде химических уравнений (построение белковых веществ, жиров, кислот, превращение жиров в углеводы и т. п.), или, если баланс их учтен, изображаются такими странными уравнениями, на основании которых ход процесса не ясен современному химику (спиртовое и другие брожения, дыхательный обмен, построение органических веществ на свету зеленым листом и т. п.).

Чем же были заняты специалисты по физиологии и биохимии растений, если они оставили в стороне самые важные проблемы их науки? спросит читатель. Ответ на такой вопрос мало утешителен. Не имея возможности, вследствие недостаточного вооружения, приступить к самой необходимой работе, ученые были вынуждены ходить вокруг основных проблем, не касаясь их сущности, изучая только их внешнюю сторону, влияние на них различных побочных условий и разгадывая их телеологическую сторону. Многие ученые совершенно и не подготовлены к иной работе: слишком отдаленной казалась возможность заняться изучением сокровенного механизма превращений веществ в живой клетке.

Такое положение ничуть не облегчалось разработкой учения о ферментах, мощных двигателях превращений веществ в организме. К сожалению, преобладающим направлением в этой области сделалось такое, которое не могло содействовать углублению в проблемы, касающиеся механизма биохимических реакций и даже, наоборот, становилось тормазом подобных исследований. Открывается новое превращение веществ в организме, таинственное и непонятное, а вместо того, чтобы приступить к его прямому расследованию, некоторые физиологи, следуя общему настроению, думают только о томъ, чтобы найти фермент, производящий новую реакцию. Но фермента нельзя изолировать, и для доказательства его присутствия поступают по обычному трафарету: размельчают органы, в которых предполагается фермент, прибавляют к ним антисептика (слабого, иначе можно остановить и работу ферментов!), убеждаются, что таинственная реакция совершается и при таких условиях, затем пробуют, идет ли она и после кипячения смеси. Если не идет, то провозглашается открытие нового фермента и непонятная реакция считается если не разъясненной, то потерявшей свою таинственность: ведь она производится ферментом, а ферменты "всемогущи"! Так под новой формой, как Протей, возрождается старинный витализм Шталя. Прежде всего, жалки приемы, доказывающие, что в деле участвует фермент: мало ли от чего может остановиться реакция после кипячения в присутствии значительного количества коллоидов. И вот сочиняются все новые и новые названия ферментов, существующих иногда только в воображении их изобретателей; номенклатура ферментов непомерно разрастается, а наука стоит на месте, потому что, очевидно, если даже существование фермента прочно установлено, понимание химической сущности процесса ничуть не подвинулось вперед 1): оствальдовское определение катализа, как изменение скорости (только!) самопроизвольно идущих реакций получило за последнее время ряд новых подтверждений в ферментологии. Ферменты даже не изменяют равновесия обратимых реакций (Буркело 1912—1917).

Наглядным примером правильности такой точки зрения может служить открытие зимазы, то есть совокупности ферментов спиртового брожения. Разъяснило ли оно хоть на йоту загадочную и сложную реакцию превращения сахара в спирт и углекислый газ? Нисколько. Значение открытия зимазы находится в совершенно другой плоскости: оно докавало, что спиртовое брожение — самостоятельный химический процесс, что его можно изолировать из цепи прочих изменений веществ в плазме. И это доказательство крайне важно: открытие зимазы и других ферментов, вызывающих недоступные пока для химика превращения веществ, подбодряло экспериментаторов, как бы подсказывая им: "Дерзайте углубиться в сущность этих реакций; они могут совершаться вне живой плазмы, значит они вероятно, не так сложны, как говорит вам ваше воображение, запуганное неуспехами предшествующего вам поколения; ведь это поколение не располагало всеми новыми знаниями и методами, которые наука теперь предоставляет вам". И дерзать пришлось, так как в химической физиологии растений вообще начинает ощущаться торможение научной работы разнообразного направления, вследствие неосведомленности относительно механизма важнейших биохимических процессов. Новое направление требует поэтому, чтобы научный работник в области химической физиологии растений временно сделался биохимиком; в частности автор этих строк — один из пионеров расследования химической сущности биологических процессов при помощи улавливания их промежуточных продуктов.

В чем заключается этот новый метод? Он исходит из следующей мысли: если какая нибудь химическая реакция, происходящая в организме, непонятна и искусственно не осуществима, то данная реакция представляет собой совокупность нескольких сопряженных реакций. Разложив ее на простые превращения веществ, мы тем самым достигаем ее полного понимания. Следующий пример может служить наглядным пояснением.

Построение органического вещества на свету зеленым растением, по современным данным, сводится к синтезу простых сахаров (гексоз), что может быть выражено суммарным уравнением:
6CO2  +  6H2O  =  C6H12O6  +  6O2
(углек. газ)   (вода)   (сахар) (кислород)

Такая реакция, хотя и выражает собой совокупность точных эмпирических фактов, однако не понятна для химика. Но она делается понятной, если представить ее в виде суммы следующих уравнений
(I) ..........      CO2  +  H2O  =  H2CO3   т. е.

угольный ангидрид в водном растворе превращается в углекислоту. Это — общеизвестный и понятный процесс.
(II) .......... HO  —  C  —  OH  =  HO  —  C  —  H
               
      O         O O  
  (углекислота)   (перекись мурав.
алдегида).

Примеры из области общей химии (д’Ано, 1912 и 1916; Вильштеттер и Штоль, 1918) показывают, что подобная внутримолекулярная перестройка возможна. В результате ее получается запас огромного количества энергии.
(III) .......... HO  —  CO2  —  H  =  H2CO  +  O2
  (перекись мурав.
алдегида
    (мурав.
алдегид).
(кисл.).

Перекись теряет кислород в виде газа. Это — общая реакция многих органических перекисей.
(IV) .......... 2H2CO  =  CH2OH  —  COH
  (мурав. ал-
дегид
  (гликолевый
алдегид).

Две молекулы муравьиного алдегида дают одну молекулу гликолевого алдегида. Возможность такой реакции доказана и даже найден в растениях фермент, производящий сцепление молекул алдегидов.
(V) ... H2CO  +  CH2OH  —  COH  =  CH2OH  —  CHOH  —  COH
  (мурав. ал-
дегид
  (гликолевый
алдегид).
  (глицериновый алдегид)

Это — реакция вполне аналогичная предыдущей.
(VI) .......... 2C3H6O3  =  C6H12O6
  (глицерин.
алд.)
  (виноградный са-
хар или глюкоза).

И эта реакция воспроизведена искусственно 2). Итак все шесть изображенных реакций понятны и возможны. Но совокупность их и дает таинственную с виду реакцию построения сахара из углекислого газа и воды. Следовательно, для разъяснения непонятного превращения веществ необходимо и достаточно выделить промежуточные продукты данного превращения.

Но как осуществить выделение промежуточных продуктов? Ведь они тотчас перерабатываются дальше, и в живой клетке промежуточные ступени биохимических процессов превосходно координированы, т. е. скорости промежуточных реакций урегулированы так, что без задержки образуется конечный стойкий продукт. Автор этих строк первый предложил и осуществил на примерах искусственное вторжение в нормальный ход биохимических процессов с целью вызвать накопление промежуточных продуктов.

Боязнь нарушить "естественные нормальные условия" всегда была отличительной чертой научного диллетантизма. Так, например, немецкие натурфилософы начала XIX века пытались опровергнуть спектральное учение Ньютона, упрекая гениального британца в том, что, разлагая луч в призме, он создал — ненормальную обстановку. Философ Гегель особенно хвалил этих лиц за "ниспровержение авторитета призмы". Но из физики и химии трусость перед "ненормальностью" была вскоре изгнана; тогда она пыталась укрепиться в биологии и здесь приобрела много адептов. Но и из биологии такой диллетантизм изгоняется. Физиолог работает с отпрепарированными мышцами и нервами животных, листьями и другими органами растений, не боясь быть введенным в заблуждение, вследствие нарушения органической целости. Теперь провозглашенный в биохимии лозунг ведет еще дальше: он гласит, что только работая в ненормальных условиях мы можем надеяться познать сущность важнейших биохимических процессов, которые в живом организме спаяны в одно гармоничное, но неуловимое целое.

Искусственные вторжения в биохимические процессы могут быть весьма разнообразны. Иногда удобнее работать с живыми объектами, иногда — с выделенными из клеток ферментами. Первый прием выгоден, если переработка промежуточного продукта требует затраты энергии. Лишая организм источника энергии, мы вызываем задержку переработки промежуточного продукта, связанную с накоплением последнего. Применение живых объектов неизбежно также в том случае, если неизвестны ферменты, принимающие участие в изучаемом превращении веществ. Работать со смесями ферментов вне живой клетки необходимо в том случае, когда искусственное вторжение в биохимический процесс требует применения ядовитых веществ, убивающих протоплазму. Можно действовать либо на ферменты, перерабатывающие промежуточные продукты, парализуя функционирование отдельных ферментов и расстраивая их координацию, можно также действовать прямо на промежуточные продукты, связывая их с различными веществами и выхватывая их из процесса. Например, кислоты переводятся в мало растворимые соли и предохраняются таким образом от дальнейшей переработки, алдегиды переводятся в различные соединения, в которых инактивирована карбонильная группа и т. д. Способы воздействия могут бесконечно вариировать, в зависимости от предполагаемого механизма биохимического процесса, так что остроумию экспериментатора предоставляется широкий простор.

Ясно, что все это направление коренным образом отличается и от того характера работ по изучению образования и условий функционирования ферментов, который выражен, например, в многочисленных блестящих исследованиях В. И. Палладина, и от методов работ по изучению механизма действия ферментов, так плодотворно развиваемых А. Н. Бахом. Но исследования школы А. Н. Баха принципиально имеют много общего с тем типом работ, о котором шла речь выше, только работы Баха направлены не на познание сущности основных биохимических реакций, а на познание сущности ферментного действия вообще. С точки зрения, развиваемой в настоящей статье, расчленение и разъяснение действия хотя бы одного фермента в такой степени, как это достигнуто Бахом по отношению к ферментам окисления и восстановления, гораздо более ценно для биохимии, чем "открытие" целой сотни новых ферментов с их новыми названиями, ничего не говорящими химику. Но к этим работам придется вернуться уже в другой статье.

В отличие от работ чисто ферментологического характера, мы прибегаем, как уже сказано, при улавливании промежуточных продуктов и к живым организмам, не боясь ставить их в ненормальные условия, так как можем проверить, является ли выделенное нами вещество действительно промежуточным продуктом. Промежуточные продукты при надлежащих условиях должны перерабатываться организмом по крайней мере столь же легко, как исходный материал, с образованием нормальных конечных продуктов (например, в вышеприведенном примере — муравьиный алдегид — с образованием сахаров), а побочные продукты, и артефакты (вещества чуждые организму вообще) либо вовсе не перерабатываются, либо превращаются в совершенно необычные конечные продукты.

Итак, мы имеем в руках определенный критерий для проверки выводов и можем не бояться "ненормальных условий", которых диллетант (или работник в крайне мало вообще расследованной области) опасается именно, по причине своей неосведомленности и невозможности критически отнестись к фактам. В данном случае, как раз наоборот, работа в нормальных условиях может коварно запутать нас в лабиринте ошибок. На первый взгляд кается, что метод искусственного вторжения в биохимические реакции в лучшем случае лишь облегчает работу, которую можно было бы совершить и при нормальных условиях деятельности организма, но только с бо́льшими техническими трудностями. Как бы ни были ничтожны количества промежуточных продуктов в каждый данный момент, можно, казалось бы, уловить их, перерабатывая в лаборатории пуды, в случае надобности даже тонны живого материала. Однако, при этом нарождаются новые источники погрешностей. Чтобы не уклоняться от раз взятого примера, укажем, что Курциус и Францен (1912—1914) пытались выделить и действительно выделили муравьиный алдегид, переработав огромное количество свежих листьев, но затем сами признали, что алдегид оказался продуктом окисления метилового спирта, нормально входящего в состав хлорофилла, зеленого пигмента листвы. Листьев было взято так много, что хлорофилл, не превышающий 0,02% сырого веса листа, составил значительную массу и был источником погрешности, делающей попытку решить вопрос подобными приемами вообще безнадежной.

Первым промежуточным продуктом биохимического процесса, выделенным путем искусственного вторжения в реакцию, был уксусный алдегид при спиртовом брожении (Костычев, 1912—1914). Оказалось что конечный продукт брожения, обыкновенный (этиловый) спирт, происходит путем восстановления промежуточного продукта, уксусного алдегида.
CH3COH  +  2H  =  CH3CH2OH
уксусный
алдег.
  водород   винный спирт.

Установив, что соли цинка и кадмия останавливают работу восстановительных ферментов дрожжей, удалось, применяя названные соли, вызвать накопление уксусного алдегида в бродящей жидкости. Проверка описанного открытия показала, что дрожжи, действительно, энергично превращают уксусный алдегид в винный спирт, конечный продукт брожения.

Далее удалось установить при помощи аналогичных приемов, механизм дыхания и питания всеядных бесхлорофильных грибков. У высших растений основным дыхательным материалом является сахар, и существует специальная "гарнитура" ферментов для переработки этого материала. Нисшие растения могут питаться и дышать насчет различных органических веществ, и механизм столь разнообразных процессов оставался совершенно не ясным. Задерживая переработку различных органических веществ плесневными грибами посредством ослабления их дыхания, удалось обнаружить, что все эти вещества превращаются предварительно в сахар. Сахар оказался универсальным питательным материалом и у бесхлорофильных растений (Костычев 1917—1921). Наконец, искусственно врываясь в биохимический процесс, удалось вполне разъяснить вопрос о механизме построения органических азотистых соединений насчет окисленного азота нитратов у грибов (Костычев, 1920). Вопрос этот долго возбуждал споры; высказывались даже мнения, что он вообще не разрешим (Риттер, 1918). А между тем, до его разрешения нельзя представить себе сущность одного из важнейших физиологических процессов, а именно синтеза белков насчет азота нитратов.

Если столько успехов было достигнуто ничтожными силами одного лица и его ближайших сотрудников при тяжелых условиях научной работы под блокадой и в военное время, то от метода можно ожидать многого. И действительно, новая литература, пришедшая к нам теперь из Европы и Америки свидетельствует о выдающемся интересе многих исследователей к выделению промежуточных продуктов и разъяснению механизма биохимических процессов; в ближайшие годы можно ожидать новых крупных успехов в этой области. Наиболее интересным новым фактом является следующий. Способы искусственного накопления уксусного алдегида при спиртовом брожении (см. выше) были усовершенствованы совершенно аналогично и в лаборатории автора этих строк и в Германии, во время мировой войны. У нас эти усовершенствования остались в области лабораторной практики, но в Германии они дали начало новому крупному производству, так как оказалось, что одновременно с алдегидом накопляется глицерин. И вот, спиртовое брожение, искусственно измененное, превратилось в заводский способ изготовления глицерина, которого нельзя было получать в достаточном для военных потребностей количестве из жиров, так как в Германии ощущалоя острый недостаток в этом сырье. Уже давно известно, что теоретические научные изыскания часто приносят неожиданные практические результаты. Способ приготовления глицерина из углеводов посредством видоизмененного спиртового брожения (Конштейн и Людеке, 1915) должен быть рентабельным и в мирное время, вследствие дешевизны исходного материала, картофеля, по сравнению с жирами.

В заключение зададим себе вопрос: что будет, когда мы разъясним химическую сторону всех наиболее важных превращений веществ в организме? Это время уже не за горами. Можем ли мы считать тогда задачи химической физиологии исчерпанными? Как раз наоборот; только тогда задачи эти встанут перед нами во всей полноте, только тогда можно будет изучать работу организма как сложного урегулированного аппарата. Это и есть физиология в истинном смысле слова, а все то, чем мы теперь занимаемся и о чем была речь в настоящей статье — в сущности чистая химия и постройка необходимого фундамента для настоящих физиологических исследований.


1) Все эти рассуждения и теперь некоторым покажутся парадоксальными и стремящимися "подорвать" основы современной науки. Не пытаясь переубедить этих лиц, могу им указать лишь на свою последовательность. У меня нет ни одной работы, в которой произведено "открытие нового фермента" изложенными здесь приемами, так как еще будучи начинающим ученым, лет 20 тому назад, в самый разгар увлечений открытиями ферментов, я относился к этим увлечениям так же, как теперь, что затем печатно высказал в 1907 году. И теперь я с удовлетворением чувствую своими союзниками некоторых выдающихся современных биохимиков; реакция против увлечений неуклонно растет. (стр. 33.)

2) Вообще синтез сахаров из муравьиного алдегида осуществлен уже очень давно (Бутлеров, 1861) искусственным путем, вне живой клетки. Сцепление молекул алдегидов таким способом, как здесь написано, носит название алдольного уплотнения. (стр. 35.)