Обнаружить действие фермента несложно. Бросьте кусочек морковки или картошки в аптечный раствор перекиси водорода. На его поверхность в то же мгновение станут подниматься пузырьки. Это кислород, возникший в результате разложения перекиси. Реакция вызвана ферментом каталаза. В его состав входит железо.
Для разложения перекиси водорода химики как раз и применяют железо в качестве катализатора. Достаточно опустить в колбу крупинку металла, и через секунду перекись распадется на воду и кислород. А крупинка фермента ту же работу проделает за одну десятимиллионную долю секунды!
От количества и качества ферментов зависит не только скорость. Они управляют интенсивностью и направлением жизненных процессов в клетке, то есть обменом вещества. Ферменты — это как бы рабочие аппараты ядерных нуклеиновых кислот.
Бессознательно, хотя и вполне целеустремленно, человечество использует ферменты с незапамятных времен. Мы пьем пиво примерно с 5000 года до нашей эры. В китайских древних летописях упоминаются плесневые грибки, с помощью которых делались сырки из сои. Африканские негры, по свидетельству П. А. Баранова, издревле применяют сок плодов дынного дерева папайи для смягчения мяса. Солод известен нам около 9 тысяч лет. Но только полтораста лет назад из него был выделен препарат фермента амилазы. Днем рождения ферментологии, как особой отрасли биологической химии, принято иногда считать открытие директора петербургской аптеки Константина Кирхгофа. В 1814 году он пришел к выводу, что в клейковине ячменя содержится вещество, которое осахаривает крахмал. Исследования Кирхгофа легли в основу одного из первых промышленных каталитических процессов — получения патоки и глюкозы из крахмала.
Но до становления науки было еще далеко. Последовавшие затем открытия были скорее гениальными догадками, чем доказательствами выдвинутых гипотез и теорий.
История этой отрасли знания весьма драматична. Она была насыщена открытиями, дискуссиями и ошибками. Работы Вильштеттера, давшие много для характеристики свойств отдельных ферментов, привели биохимиков к принципиально неверному выводу. Восхищаясь поразительной организацией и точностью механизма их действия, ученые причислили ферменты к особому, доселе неизвестному классу химических соединений.
Первые ферменты были обнаружены в процессе брожения. Отсюда оба их названия: ферменты или энзимы. Ферментум — брожение, закваска (латынь). Энзима — внутри закваски (греческий). Но спектр их действия много шире. Они ведут гидролиз, расщепляют и синтезируют жиры и фосфатиды, сложные эфиры и аминокислоты, они участвуют в процессах пищеварения и дыхания. Еще не так давно фермент считался китом биохимии. На него только что не молились. Еще на его поверхности совершались совершенно загадочные события обмена веществ и энергии. Баснословна была скорость действия энзимов. Удивительна легкость, с которой они осуществляли свои манипуляции.
Как и всякий катализатор, фермент снижает энергию активации, необходимую для проведения какой-нибудь химической реакции. Он применяет при этом обходный маневр, направляя реакцию через промежуточные этапы.
Нужно осуществить гидролиз сахарозы. Обозначим ее буквами АБ, где А — глюкоза, Б — фруктоза. Реакция АБ → А + Б требует немалой энергии активации — 32 тысячи калорий на грамм-молекулу сахарозы.
Но вот вступил в работу фермент — Ф: АБ + Ф → АБФ. Он прилепился к фруктозе и оттолкнул глюкозу: АБФ → БФ + А. Задача решена, и теперь фермент может оставить в покое фруктозу: БФ → Б + Ф. Затраты энергии активации благодаря участию биокатализатора намного уменьшились. Они составили всего 9400 калорий.
Исследования американских биохимиков Дж. Самнера и Дж. Нортропа резко изменили отношение к ферментам. Оба знаменитых Джорджа сумели почти одновременно получить кристаллы двух ферментов — уреазы и пепсина. Кристаллизация — для химика это своего рода пробный камень. Она дает хотя и не безусловную, но все же достаточную гарантию чистоты вещества. Пойдя по следам Самнера и Нортропа, биохимики неопровержимо доказали, что ферменты животных, растений и микроорганизмов — это белковые вещества, обладающие каталитической активностью. Определенность — великая сила. Ученые быстро утратили священный трепет перед могучими катализаторами жизненных явлений. Карлики, управляющие гигантами, перестали быть для нас загадкой.