Как это часто бывает, люди начали употреблять ферменты для своих нужд намного раньше, нежели появи­лось первое туманное представление о том, что же это такое. Конечно, о вы­делении ферментов тогда не было и речи: чтобы получить алкоголь или поднять тесто, использовали дрожжи, для створаживания молока — кусоч­ки сычуга (отдела желудка травояд­ных). Иными словами, в дело шли природные хранилища ферментов.

При изготовлении многих привычных нам пищевых продуктов используются ферментативные процессы.

Растительные и животные ткани и живые микроорганизмы применяют­ся и теперь, но в некоторых случаях предпочтительнее потратиться на выделение чистого фермента. Так, замечательные отстирывающие свой­ства многих современных порошков обусловлены добавками ферментов, расщепляющих жиры, белки и другие молекулы загрязнителей. Ведь не при­мешаешь же к стиральному порошку мелко порубленную ткань, выделен­ную из организма.

В XIX в., когда были выделены различ­ные ферментные препараты и описа­ны удивительные свойства фермен­тов, учёные не могли не задуматься: а каким же образом работают фер­менты? Чему они обязаны своей спо­собностью ускорять реакции и столь поразительной избирательностью?

В 1894 г. немецкий химик Эмиль Герман Фишер начал цикл работ по изучению действия ферментов. В ре­зультате он пришёл к выводу, что между ферментом и субстратом (так называют реагирующее вещество) должно существовать соответствие молекулярных конфигураций, подоб­ное сходству конфигураций замка и ключа. Эта яркая и наглядная картин­ка хорошо объясняет специфичность действия ферментов: в самом деле, к замку подходит только определённый ключ. Что считать «замком», а что «ключом» — неважно. Важно лишь то, что «выемки» и «выступы» в структу­рах фермента и субстрата подходят друг другу уникальным образом. «Ключ, вставленный в замок», т. е. суб­страт, связанный с ферментом, назы­вают промежуточным фермент-суб­стратным комплексом.

Схема, предложенная Фишером, живёт уже более ста лет и не стареет. Но, к сожалению, она объясняет не всё. Если «ключику» так удобно лежать в «замочной скважине», почему он превращается во что-то другое? Ведь тогда соответствие конфигураций неизбежно нарушается. Чтобы ис­толковать это, были предложены раз­ные уточнения модели Фишера.

Зажигалка была изобретена Иоганном Вольфгангом Дёберейнером в 1823 году. Он заметил, что водород, направленный на губчатую платину, воспламеняется. Данный опыт тогда не нашёл объяснения, все посчитали его простым фокусом. Но ученый не растерялся, а обнаружил в нём практическую пользу, разработал на основе этого процесса огниво и потом даже получил патент. Огниво оказалось громоздким и дорогостоящим, поскольку в нём использовалась платина. Так что оно не пользовалось популярностью.

С чем связаны замечательные свойст­ва ферментов? Очевидно, причина не в своеволии таинственного духа fermentum. Свойства вещества законо­мерно вытекают из его строения.

Ещё в XVIII—XIX вв. некоторые учёные предполагали, что основой фермента является белок, но эта мысль не была услышана научной об­щественностью. В 20-х гг. XX в. из­вестный немецкий химик Рихард Мартин Вильштеттер (1872—1942) попытался выяснить химическую природу ферментов. Однако ему уда­лось выделить слишком малые их количества, и Вильштеттер ошибоч­но заключил, что ферменты не могут быть отнесены ни к белкам, ни к дру­гим классам органических соеди­нений. В 1926 г. американский био­химик Джеймс Батчеллер Самнер (1887—1955) выделил фермент уреазу в виде белковых кристаллов, но его обвинили в недостаточной чисто­те эксперимента. Лишь в 30-х гг., когда соотечественник Самнера Джон Хауард Нортроп (1891 — 1987) один за другим получил кристаллические ферменты пепсин и трипсин, их бел­ковая природа была окончательно признана, а в 50-х гг. — подтвержде­на рентгеноструктурным анализом.

Пастер неслучайно упорствовал, не желая сводить брожение к обычному катализу. Дело в том, что ферменты сильно отличаются от небиологиче­ских катализаторов.

Во-первых, они чувствительны к температуре, как живые существа. Наи­более распространённый температур­ный режим промышленных катализа­торов — от 200 до 500 °С, а молекулы некоторых ферментов повреждаются уже при 40 °С. При 70 °С большинст­во ферментов полностью теряют ка­талитические свойства.

Во-вторых, ферменты чрезвычай­но чувствительны к кислотности сре­ды. Каждый фермент работает толь­ко в узком интервале рН. Пепсин желудочного сока действует при рН 2—3. Кислая среда обеспечивается соляной кислотой — основным ком­понентом желудочного сока. Оптимальное значение рН большинства внутриклеточных ферментов — око­ло 7. Это — нейтральная среда, кото­рая обеспечивается кровью. В крови здорового человека рН не отличает­ся от среднего значения 7,4 более чем на 0,2. При рН крови ниже 7,0 или вы­ше 7,8 наступает смерть из-за наруше­ния деятельности ферментов.

В-третьих, ферменты обладают огромной каталитической активно­стью: они способны ускорять реак­ции в 10¹⁴—10¹⁵ (миллион миллиар­дов) раз (а многие ферментативные реакции в отсутствие ферментов про­сто не идут). Возможности обычных катализаторов гораздо скромнее. Например, 1 моль фермента алкогольдегидрогеназы за секунду при комнатной температуре способен превратить в уксусный альдегид 720 моль этилового спирта, в то время как 1 моль медного катализатора при 200 °С справляется лишь с 0,1—1 моль спирта. Правда, 1 моль меди весит 64 г, а 1 моль алкогольдегидрогеназы — примерно 84 кг. Но ведь реак­ция идёт между частицами, а не меж­ду килограммами.

С проявлениями деятельности ферментов мы сталкиваемся на каж­дом шагу. Разрезанное яблоко темне­ет на воздухе, оттого что фермент полифенолоксидаза ускоряет окисление находящихся в клетках плода поли­фенолов — органических веществ, содержащих соединённые с бензоль­ным кольцом гидроксильные группы. Когда ранку заливают перекисью (пероксидом) водорода Н₂О₂, перекись «вскипает» — бурно разлагается на во­ду и кислород под влиянием фермен­та каталазы, находящегося в крови. Каталаза нужна организму для унич­тожения пероксида водорода, кото­рый образуется в процессе клеточно­го дыхания.

В пищеварительных соках содер­жатся десятки ферментов: липазы, разлагающие жиры на глицерин и органические кислоты; протеазы, раз­рушающие белки, и др. По мере того как пища проходит по желудочно-ки­шечному тракту, одни ферменты дро­бят сложные молекулы на мелкие кусочки, другие помещают эти «кир­пичики» на клеточные «склады сы­рья», третьи строят из них вещества, необходимые организму.

Очень важную роль играют фер­менты, называемые фосфатазами: они отвечают за гидролиз (т. е. расщепле­ние с участием воды) сложных эфиров фосфорной кислоты. С помощью этих ферментов организм использу­ет энергию, заключённую в углеводах.

Мы обычно не задумываемся над тем, что вся живая природа существу­ет лишь благодаря ферментативному катализу. Электрические разряды и облучение могут вызвать синтез сложных органических молекул, в том числе полимеров, из смеси мета­на, аммиака, углекислого газа и воды, но не в состоянии «вдохнуть» в них жизнь.

На сегодняшний день известно свыше 2 тыс. ферментов, а сколько ещё неизвестных... Большинство на­званий ферментов, как это легко заме­тить, оканчивается на «аза» — так уж учёные договорились их именовать. А вначале обычно ставят название вещества, на которое действует фер­мент. Исключения составляют только самые «старые» ферменты, открытые ещё до этой договорённости.

В детстве многих удивляют и забавля­ют метаморфозы с дрожжевым тес­том. Коричневую массу — дрожжи разводят молоком, «подкармливают» сахаром, замешивают с мукой и, за­ботливо укрыв полотенцем, ставят в тёплое место, а там... Прислушаешься: время от времени будто лопаются пу­зырьки. Теста становится больше... Оно вылезает из миски!

По «стажу» использования челове­ком брожение сравнимо разве что с горением древесины. Поэтому не­удивительно, что издавна оно привлекало внимание пытливых умов. Пока наши (пра-)_nбабки отгоняли наших малолетних (пра-)_n-1 дедов от кадушек с тестом, главы семей задумывались над тайной превращения виноград­ного сусла (ячменного экстракта, та­буретки и т. д.) в вино (пиво, эликсир жизни). И те немногие, кто были грамотны, плоды своих размышлений доверяли бумаге.

В трактате знаменитого европей­ского алхимика Василия Валентина (XV в.) брожение описывается как результат действия некоего духа,...В живых растениях и жи­вотных происходят тысячи каталитических процессов между тканями и жидкостя­ми, которые вызывают об­разование множества раз­нообразных химических соединений...

Эдуард Бухнер

Открытие витаминов, установление строения и определение их биологиче­ской роли относится к концу XIX в. и первой половине XX в. Одним из пер­вых удалось выделить и изучить вита­мин С (аскорбиновая кислота). Одна­ко, несмотря на то, что и графическая формула, и химические свойства это­го соединения были уже известны учё­ным, его до 30-х гг. получали только из растительного сырья — отходов пере­работки плодов цитрусовых деревьев. Поэтому аскорбиновая кислота была дефицитной и довольно дорогой.

«Отцами» витамина С можно счи­тать выдающихся английских химиков Эдмунда Ленгли Херста (1898—1975) и Уильяма Н. Хеуорса (1883—1950), ко­торые выделили его в чистом виде и установили его графическую формулу, определив её как g-лактон 2,3-дегидро-L-гулоновой кислоты.

Подобно другим веществам, содержащим гидроксильные группы, целлюлоза вступает в реакцию этерификации с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. При этом связи между отдельными фрагментами соединения не разры­ваются, и возникает полимер, включающий сложно-эфирные группы —COOR—. При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой или её производными (например, уксусным ангидридом) образуются ацета­ты целлюлозы, у которых в каждом звене макромоле­кулы на эфирные остатки замещены одна, две или три гидроксильные группы.

Ацетаты целлюлозы используются в производстве синтетических волокон (ацетатного волокна).

При нитровании целлюлозы смесью дымящей азот­ной и концентрированной серной кислот образуется тринитрат целлюлозы, который применяют для приго­товления бездымного пороха (пироксилина).

Динитрат целлюлозы служит основным компонен­том целлулоида — пластмассы, из которой делают не­которые типы искусственных стёкол.

Бумага (от персидск. «бомбака» — «хлопок») представ­ляет собой материал, состоящий из тонко переплетён­ных между собой волокон целлюлозы. Отдельные волок­на связаны друг с другом посредством водородных связей, которые возникают между гидроксильными группами.

Бумага была изобретена в конце II в. до н. э. в Китае, где её получали из волокон хлопка и бамбука. В VIII в. н. э. секрет изготовления бумаги стал известен арабам, а в IX в. его переняли византийцы.

В Средние века для изготовления бумаги использо­вали хлопок, пеньку, а также старое тряпьё — хлопко­вые и льняные ткани. На специальных мельницах их пре­вращали в порошок, который размешивали в воде для получения густой однородной массы. Лишь в XVIII в. бы­ло обнаружено, что удобным исходным веществом для производства бумаги может служить древесина. А пер­вые заводы по переработке древесины в целлюлозу по­явились только в XIX столетии.

Сахар, который вы кладёте в чашку чая или кофе, скорее всего, из са­харной свёклы. Но он мог быть вы­работан и из сладкого сока других растений. Во многих странах этот продукт получают из сахарного тро­стника. Хотя с химической точки зрения свекловичный сахар и трост­никовый — одно и то же вещество, у них всё же есть отличия. Обнару­жить их можно лишь с помощью чувствительного прибора, позволя­ющего определять соотношение изо­топов углерода в образце. В приро­де углерод встречается в виде двух стабильных изотопов — ¹²С и ¹³С, содержание которых, соответствен­но, 98,892 и 1,108%.

Различие в массах изотопов уг­лерода достаточно велико — около 8 %, и это сказывается на скоростях некоторых химических реакций, идущих в живых организмах. На­пример, при фотосинтезе расте­ния, поглощая из воздуха углекис­лый газ, отдают предпочтение более лёгкому изотопу ¹²С, поэтому во всех живых организмах и продуктах их разложения (угле, торфе, нефти) содержание тяжёлого изотопа ¹³С немного понижено, тогда как в уг­лекислом газе и карбонатах морско­го происхождения (известняк из раковин) — повышено.

Сахароза (свекольный или тростни­ковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁ представляет собой дисахарид, образованный из остатков a-глюкозы и b-фруктозы (в форме полуацеталей), связанных друг с другом. Однако в отличие от этих моносахаридов сахароза не проявляет в растворе восстанови­тельных свойств — не восстанав­ливает оксид серебра и гидроксид меди (II). В кислой среде сахароза гидролизуется — разлагается водой на глюкозу и фруктозу. Вот самый простой пример: сладкий чай кажет­ся ещё более сладким, если положить в него ломтик лимона, хотя, конечно, и кислым одновременно. Это проис­ходит благодаря присутствию ли­монной кислоты, которая ускоряет распад сахарозы на глюкозу и фрук­тозу.

При внесении сахарозы в раствор медного купороса в присутствии щёлочи образуется ярко-синий сахарат меди — вещество, в котором ато­мы металла связаны с гидроксильными группами углевода.

Молекулы одного из изомеров са­харозы — мальтозы (солодового са­хара) состоят из двух остатков глю­козы. Этот дисахарид образуется в результате ферментативного гидро­лиза крахмала.

В молоке многих млекопитающих содержится другой дисахарид, изо­мерный сахарозе, — лактоза (мо­лочный сахар). По интенсивности сладкого вкуса лактоза значительно (в три раза) уступает сахарозе.