С помощью разработанных в 40-х годах методик удалось расчленить клетку и выделить из ее протоплазмы различные органеллы. Самые крупные из них — митохондрии. В типичной клетке печени содержится до тысячи митохондрий — палочковидных образований длиной 0,002–0,005 мм. Детальное изучение органелл, проведенное американским биохимиком Дэвидом Эзрой Грином (род. в 1910 г.) и его сотрудниками, показало, что именно в митохондриях протекают реакции цикла Кребса. В самом деле, здесь идут все реакции с участием катализирующих ферментрв, связанные с использованием молекулярного кислорода. Таким образом, оказалось, что маленькая органелла является своеобразной энергетической станцией клетки.

Рис. 5. Современная схема строения клетки, основанная на наблюдениях в электронном микроскопе.

Изучению сложной цепи реакций обмена веществ в значительной мере помогло использование особых атомов, названных изотопами. На протяжении первой трети XX в. физики обнаружили, что большая часть элементов имеет несколько изотопов. Организм особой разницы между ними не чувствует, но лабораторные приборы чутко реагируют на нее.

Впервые широко использовал изотопы в биохимических исследованиях американский ученый Рудольф Шенгеймер (1898–1941). В 1935 г. исследователям стал доступен редко встречающийся изотоп водорода (дейтерий), который вдвое тяжелее обычного водорода. Шенгеймер синтезировал молекулы жира, в которых заменил обычный водород тяжелым водородом, или дейтерием, а затем скормил эти жиры лабораторным животным. Таким образом в ткани животных был введен тяжелый водород, на который они реагировали так же, как и на обычный. Анализы животных жиров, содержащих дейтерий, дали поразительные результаты.

В то время ученые полагали, что запасы жиров в организме в основном неподвижны и мобилизуются только при голодании. Однако, исследовав состав жировой ткани крыс, получивших дейтерий, Шенгеймер обнаружил, что на четвертые сутки в тканях содержалась почти половина скормленного с пищей дейтерия. Другими словами, поглощенный жир откладывается, а ранее отложенный используется, то есть имеет место быстрый и непрерывный круговорот веществ, входящих в состав организма. Аналогичные результаты отмечались и в опытах с мечеными аминокислотами, в которых Шенгеймер использовал изотоп азота (тяжелый азот). Он кормил крыс смесью аминокислот, из которых лишь одна была меченая, и вскоре обнаружил, что мечеными оказались все аминокислоты. На основе этих исследований Шенгеймера были выдвинуты новые представления о динамическом состоянии всех составных частей организма.

В принципе можно проследить весь порядок обмена, последовательно используя различные соединения с изотопами. Легче всего это сделать с помощью радиоактивных изотопов, атомы которых отличаются не только весом, но и способностью к распаду с выделением высокоподвижных энергетических частиц. Эти частицы легко обнаружить, поэтому для опыта можно ограничиться минимальным количеством радиоактивных изотопов. Созданные после окончания второй мировой войны ядерные реакторы позволили широко получать радиоактивные изотопы. Кроме того, был открыт радиоактивный изотоп углерода (углерод-14), который оказался чрезвычайно полезным для исследований.

Радиоактивные изотопы помогли американскому биохимику Мелвину Кэлвину (род. в 1911 г.) выявить тончайшие детали последовательных реакций процесса фотосинтеза, посредством которого зеленые растения превращают солнечный свет в химическую энергию и снабжают животный мир пищей и кислородом. Кэлвин в течение нескольких секунд давал микроскопическим растительным клеткам доступ к углекислоте на свету и затем убивал их. К этому моменту успевали, по-видимому, завершиться лишь первые этапы фотосинтеза. Затем он измельчал клетки и разделял их на составные части, используя метод хроматографии на бумаге (о котором мы расскажем подробнее в следующей главе). Теперь оставалось уточнить, какие из получаемых компонентов возникли в результате первого этапа фотосинтеза.

Кэлвину удалось ответить на этот вопрос, так как в молекуле углекислоты, с которой соприкасались растительные клетки, содержался изотоп углерода (углерод-14). Любое вещество, которое образуется из этой углекислоты в процессе фотосинтеза, само по себе становится радиоактивным, и его можно без труда определить. Этот вывод послужил отправной точкой для целого ряда исследований, проведенных в 50-х годах и позволивших разработать схему основных стадий фотосинтеза.

Процесс обмена веществ, который стал особенно хорошо известен ученым в середине 50-х годов, можно считать своеобразным выражением ферментативной природы клетки. Любая метаболическая реакция катализируется благодаря специфическому ферменту; характер обмена веществ определяется природой и концентрацией присутствующих в клетке ферментов. Следовательно, чтобы понять обмен веществ, необходимо знать ферменты.

Харден, открывший в начале нынешнего столетия промежуточный обмен веществ, обратил также внимание на еще одну сторону ферментативной деятельности. Он поместил в воду дрожжевой экстракт в небольшом мешке из диализирующей мембраны (через которую просачиваются только молекулы малых размеров). После того как через стенки мешка вышли мелкие молекулы экстракта, последний уже не мог расщеплять сахар. Объяснить это явление просачиванием через мембрану самого фермента нельзя, поскольку вода, в которой находился мешок, также не расщепляла сахара. Однако в соединении с экстрактом внутри мешка она приобретала эту способность. Следовательно, можно сделать вывод: помимо крупных молекул, фермент включает в себя и относительно мелкие, непрочно связанные и потому способные просачиваться через мембрану. Эти мелкие молекулы, являющиеся структурной частью фермента и очень важные для его функционирования, получили название коферментов.

В середине 20-х годов шведский химик Ганс Карл Август Симон Эйлер (род. в 1873 г.) обнаружил, что и другие ферменты содержат коферменты, однако структуру последних удалось выяснить лишь десятилетием позже. Тогда же определили строение витаминов, после чего уже не вызывало сомнения, что в большинстве коферментов в качестве составной части молекулы имеются витаминоподобные структуры.

Итак, витамины, по-видимому, являются той частью коферментов, которые не вырабатываются самим организмом и поэтому должны быть включены в пищу. Без витаминов построение коферментов невозможно, а без коферментов некоторые ферменты оказываются недеятельными и, таким образом, обмен веществ нарушается. В результате наступает авитаминоз, иногда со смертельным исходом.

Поскольку ферменты и коферменты — это катализаторы, нужные организму в малых количествах, витамины тоже нужны в столь же небольших количествах. Этим, собственно, и объясняется тот факт, что ничтожнейшие составные части пищи могут оказаться крайне необходимыми для нормальной жизнедеятельности организма. Следовые количества таких элементов, как медь, кобальт, молибден, цинк, образуют существенную часть ферментной структуры. Были выделены ферменты, содержащие по одному или несколько атомов этих элементов.

Что же следует сказать о самих ферментах? На протяжении прошлого столетия ферменты считались таинственными веществами, выявляемыми лишь по их действию. Немецкому химику Леонору Михаэлису (1875–1949) удалось раскрыть тайну ферментов с помощью законов и методов химической кинетики (раздела физической химии, изучающего скорость реакций). В 1913 г. он установил зависимость скорости реакций, катализируемых ферментами, от определенных условий. Он предположил, что фермент образует промежуточное соединение с веществом, реакцию которого он катализирует. Подобное допущение свидетельствует о том, что ферменты есть не что иное, как молекулы, подчиняющиеся физико-химическим законам. Но что же это за молекулы? По всей вероятности, это белки, так как ферментный раствор легко теряет активность даже при слабом нагревании, а, как известно, такую термолабильность имеют лишь белковые молекулы.