История развития учения о ферментах

                        Министерство здравоохранения Республики Беларусь

                    УО “Витебский государственный ордена Дружбы народов

                   медицинский университет”

                                                Кафедра биохимии

 

 

 

 

                                                 Реферат на тему:

                          «История развития учения о ферментах»

 

                                                                         

 

                                                                                              

 

                                                                                               Подготовила: студентка 5 группы 2 курса                             

                                                                                                                             лечебного факультета

                                                                                                                             Галькова Е.В.

                                                                                               Проверил: Яцкевич В.В.

 

 

 

 

 

 

                                                               Витебск 2012

Содержание:

Введение

История изучения

Заключение

Список литературы

 

 

Введение

Изучение ферментов представляет особый интерес, так как эта область  знания находится на стыке биологических  и физических наук. С одной стороны, ферменты имеют исключительное значение в биологии. Жизнь зависит от сложной  совокупности химических реакций, осуществляемых специфическими ферментами, и любое изменение действия ферментов может повлечь за собой серьезные последствия для живого организма. С другой стороны, ферменты как катализаторы все больше и больше привлекают внимание физикохимиков. Изучение механизма действия ферментов представляет собой одну из самых увлекательных областей современного научного исследования.

В настоящее время наука о  ферментах — энзимология —  превратилась в обширную бурно развивающуюся  отрасль знания с многочисленными ответвлениями, тесно связанную со многими науками, особенно с биохимией и молекулярной биологией, физической химией, бактериологией и микробиологией, генетикой, ботаникой и сельским хозяйством, фармакологией и токсикологией, физиологией, медициной и химической технологией. Кроме того, она имеет важное практическое значение. Многие исследователи в различных странах сосредоточивают свои усилия на решении проблем энзимологии; созданы специальные институты для изучения ферментов. Все большее число журналов печатает статьи по энзимологии, и литература по различным разделам этой ветви науки в настоящее время очень обширна.

Слова «фермент» и «энзим» являются в настоящее время синонимами. В разных странах предпочитают употреблять  либо тот, либо другой термин. В научной литературе, на русском языке в равной мере используют как слово «энзим», так и слово «фермент» Пока предпочтение отдается последнему. Тем не менее для обозначения науки о ферментах сохраняют наименование «энзимология», чтобы не смешивать в одном слове «ферментология» корнн латинского и греческого происхождения

 

 

 

ИСТОРИЯ Изучения

Науку составляет не только достигнутый  результат, но и путь ведущий к  результату,-результату путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов, для осахаривания продуктов.

 Вероятно, первым, кто попытался  создать общее представление  о химических процессах в живом  организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.

 В XVI и начале XVII века уже  делались попытки рассматривать  ферментации как химические процессы. И  Василий Валентин (первая половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы.

К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт. Уже был известен феномен химического катализа, означающий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в присутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реакции.(В 1837 г. Берцелиус сравнил ферменты с неорганическими катализаторами). В начале XIX века было открыто немало химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления в организме. Работы Реомюра и Спалланцани о растворяющем влиянии желудочного сока хищных птиц на мясо показали, что растворение мяса есть химический, а не механический процесс. Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К. С. Кирхгофа, которые открыли новую страницу в истории и химия ферментов Кирхгофом показал, что не только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекаемое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крахмал в мальтозу, получило название амилазы. Позднее, в 1837г., Паен и Персо выделили это активное начало из экстракта солода в виде порошка и доказали его термолабильность, дали ему название дистаза за его способность отделять растворимый декстрин от нерастворимой оболочки крахмальных зерен. Название “дистаза” впоследствии было распространено на все ферменты как общее наименование (во французкой технической литературе оно сохранилось в указанном смысле до настоящего времени). В 1898 Дюкло предложил последние три буквы видового названия “дистаза” (суффикс “аза”) прибавлять к корню названия того вещества, на которое данный фермент действует. Этот принцип был положен в основу применяемой ныне номенклатуры, однако название пищеварительных ферментов, заканчивающиеся на “ин” сохранились. Поскольку число ферментов продолжает увеличиваться, в названии стали указывать тип катализируемой  им реакции.

Сразу же после открытия ферментов многие исследователи обратили внимание на сходство между их действием и действием дрожжей при брожении. Так появился термин “фермент”. Во второй половине XIX в. разгорелся большой спор между Либихом, придерживавшегося того взгляда, что брожение  и сходные процессы обусловлены действием химических веществ, и Пастером, утверждавшим, что брожение неотделимо от жизнедеятельности клеток. Отсюда возникло разделение ферментов на “организованные” и “неорганизованные”, т.е. на экстрагируемые ферменты и ферменты, функционирующие в живой клетке. Для того, чтобы избежать этих неудобных наименований, Кюне в 1878г. ввел в употребление термин “энзим”.

Позднее серией работ, выполненных  в разные годы русским ученым М.М.Манассеиной  и немецкими учеными братьями Г.Бухнером и Э.Бухнером, была доказана несостоятельность деления ферментов на организованные и неорганизованные, т.е. на ферменты и энзимы. Бухнеру удалось получить систему ферментов, осуществляющих брожение, из дрожжевого экстракта, не содержащего дрожжевых клеток. После их работ термины “фермент” и “энзим” стали синонимами (однако название «фермент» (от лат. fermentatio — брожение) сохранилось в Германии до настоящего времени)

К концу XIXв. благодаря успехам в  изучении структуры органических веществ, представляющих биологический интерес, стало возможным изучение пределов действия стало возможным изучение пределов действия ферментов, или их так называемой специфичности. Развитием представления о специфичности ферментов и близком стерическом соответствии между ферментом и субстратом мы обязаны Эмилю Фишеру. На основании своих наблюдений над субстратами известной структуры в 1894г Фишер выдвинул свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту так, как ключ подходит к замку. получившее название гипотезы “ключа и замка”(в 1958г. Дениел Кошланд предложил модификацию данной гипотезы). Изучение специфичности составляет в настоящее время очень важный раздел учения о ферментах, т.к. вследствие определенного соответствия между ферментом и субстратом фермент может действовать только на очень ограниченный ряд субстратов, и это является причиной существования множества различных ферментов. Надежное изучение специфичности ферментов, разумеется, невозможно без выделения индивидуальных ферментов в чистом виде.

Продолжали открывать новые  ферменты. Юстус Либих (был одним  из наиболее крупных авторитетов  среди химиков XIX века) и Ф. Велер  открыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле  горького миндаля. Этот агент был  назван эмульсином. В 1836 году Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Э.Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Э.Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии.

В начале XXв. выдающийся русский физиолог И.П.Павлов, работая  с ферментами пищеварения, впервые  доказал, что ферменты могут существовать в живом организме в неактивной форме – в виде проферментов. Он показал превращение профермента трипсиногена в активный фермент трипсин с помощью энтерокиназы. Павлов предложил новые методы определения активности ферментов. Михаэлис и Ментен в 1913г. разработали теорию механизма действия ферментов и кинетику ферментативных реакций. В 1926г. Самнер впервые получил фермент в кристаллическом виде и установил его белковую природу. Виланд и Пфлейдерер в 1957г. доказали существование ферментов в виде молекулярных форм – изоферментов. Филлипс в 1960г. впервые расшифровал трехмерную структуру фермента лизоцима с помощью рентгеноструктурного анализа.

До 1920 г. сколько-нибудь серьезных  работ по получению ферментов  в чистом виде не было. Большинство  ранних экспериментов такого рода проведены  Вильштеттером и его сотрудниками между 1922 и 1928 гг. Несколько работ были выполнены в течение того же периода и другими исследователями (в качестве примера можно привести опыты Диксона и Кодама по очистке ксантиноксидазы, но ни в одном из этих случаев не удалось достичь полной очистки. Следующим важным шагом было получение ферментов в кристаллическом виде. Первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, оказалась уреаза, кристаллы которой получил Самнер в 1926 г. Однако эти первые кристаллы были далеко не чистыми. За этой работой вскоре последовала серия классических работ Нортропа и его сотрудников по выделению в кристаллическом виде протеолитических ферментов. И хотя еще 35 лет назад число полученных в чистом виде ферментов было очень мало, в наше время число ферментов, полученных в чистом и кристаллическом виде, уже превышает 200, а число ферментов, очищенных до той или иной степени, превышает 1500.

Первая работа по очистке  ферментов была встречена резкой критикой. Критики указывали, что  «нефизиологично» выделять ферменты из клетки и что ценность представляют только те исследования, которые проводятся на неповрежденных клетках. Позднее, когда были получены первые белковые кристаллы, обладающие высокой ферментативной активностью, возникли сомнения относительно возможности кристаллизации самих ферментов. Предполагалось, что ферменты лишь адсорбированы на кристаллах инертного белка. Нортроп, однако, привел убедительные доказательства, что полученные им белковые кристаллы сами являются ферментами. С тех пор были выделены в чистом виде многие ферменты, причем все они также оказались белками. Таким образом, представление о ферменте с течением времени менялось. Сначала этим словом обозначали неопределенные влияния или свойства, присущие некоторым препаратам, потом определенные химические вещества и, наконец, специфические белки.

Основное внимание в  ранний период развития энзимологии  было сосредоточено на изучении ферментов  пищеварения и брожения; лишь значительно  позднее была осознана важная роль внутриклеточных ферментов. Фактически серьезных работ по очистке внутриклеточных ферментов не было до 1937 г., несмотря на то, что в естественных условиях вне живых клеток встречается сравнительно мало ферментов. Однако с 1937 г. положение кардинально изменилось, и то громадное число ферментов, которые известны в настоящее время, обусловлено главным образом открытием новых внутриклеточных ферментов. Огромная информация, полученная при изучении этих ферментов, привела в свою очередь к значительно более глубокому пониманию механизма многих фундаментальных жизненных процессов, особенно лежащих в основе жизни процессов метаболизма, связанных с накоплением и использованием энергии. Наши знания о таких процессах, как фотосинтез, дыхание, биологическое окисление, брожение, синтез множества необходимых для роста органических веществ, выполнение механической или осмотической работы, значительно пополнились благодаря выделению и изучению ферментов, ответственных за эти процессы.

Наиболее фундаментальной  проблемой энзимологии является установление механизма действия ферментов, выяснение вопроса о том, каким образом химическое строение ферментов обеспечивает их исключительно высокую и специфическую каталитическую активность. До сравнительно недавнего времени детальные данные о химическом строении ферментов отсутствовали и изучать указанную проблему можно было только непрямыми методами. Так, например, в результате исследования кинетики действия ферментов (это направление получило значительное развитие после классических исследований Брауна, Анри и Михаэлиса, опубликованных в начале века) оказалось возможным во многих случаях выявить последовательные стадии ферментативных реакций и высказать предположения относительно механизма действия ферментов. Другие методы (в первую очередь изотопные) внесли значительный вклад в наши представления о механизме действия ферментов.

Важная информация о  природе участвующих в катализе химических групп молекулы фермента была получена как при исследовании уникальной специфичности ферментов, которая не свойственна другим катализаторам так и при изучении действия ингибиторов и реагентов, атакующих определенные химические группы.

Именно возможность  получения ферментов в чистом виде привела к успешному развитию структурной энзимологии в последнее  время. Исследование чистых ферментов с помощью специальных химических методов (в которых сами чистые ферменты используются в качестве инструментов) позволило определить полные последовательности аминокислот в полипептидных цепях молекул многих ферментов. Далее, с помощью метода рентгеноструктурного анализа была установлена детальная трехмерная структура молекул некоторых ферментов, полученных в кристаллическом состоянии. Была определена конформация пептидных цепей, расположение различных групп, образующих субстратсвязывающий участок, и характер взаимодействия последнего с молекулой субстрата. Естественно, что эти новые данные явились значительным вкладом в понимание механизма катализа. Располагая данными о полной структуре относительно простого фермента, оказалось даже возможным чисто химическими методами синтезировать в лаборатории каталитически активный фермент. Эти структурные исследования, которые из-за технических трудностей возможны пока только с немногими ферментами.