Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

XIII. Физиология

В первые годы после основания Нобелевского фонда одно имя часто называлось в списках кандидатов в лауреаты, подготавливаемых Каролинским институтом,- Иван Петрович Павлов, профессор Института экспериментальной медицины в Петербурге. Выдающийся русский ученый приобрел широкую известность благодаря своим новаторским исследованиям в физиологии.

Считается, что работы Павлова открыли новую эру в развитии этой науки. Его основным методом был так называемый хронический эксперимент. Цель его опытов - путем минимального вмешательства в деятельность организма высших животных исследовать функции различных органов и систем. Павлов разработал и усовершенствовал методы хирургических операций, посредством которых производилось наложение фистул на пищеварительные железы. Подопытные животные после операции долго сохраняли свою жизнеспособность, что позволяло всесторонне исследовать физиологию их пищеварительной системы. Это было исключительно важно, так как до работ Павлова было мало что известно о процессах пищеварения.

Разнообразные методы исследования, применяемые сотрудниками Павлова, способствовали быстрому получению данных относительно работы органов пищеварения. Искусственные отводы от слюнных желез, желудка и других органов системы пищеварения дали возможность исследовать секрецию желудочного сока и проводить его химический анализ. Наряду с этим были изучены моторные функции и нервная регуляция пищеварительной системы. Это было новое слово в физиологии, поскольку прежде большинство ученых и не предполагали, что нервная система играет какую-то роль в процессах пищеварения. Развивая в дальнейшем это направление, Павлов сделал крупный вклад в нейрофизиологию.

Располагая столь надежным и испытанным методом, Павлов и его сотрудники собрали огромное количество данных о зависимости процесса пищеварения от действия органов чувств и состояния нервной системы животных, от качества пищи и многих других факторов. Сотрудники Института экспериментальной медицины публиковали многочисленные научные сообщения и статьи, которые, несмотря на языковый барьер, становились известными во всем мире. Сам Павлов, направлявший работу всех своих сотрудников, редко фигурировал как соавтор в их публикациях. Это побудило Каролинский институт направить профессора Карла Тигерстеда в Петербург, чтобы выяснить, кто возглавляет столь плодотворную научную деятельность целого коллектива. Это позволило оценить роль И. П. Павлова, и в 1904 г. он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за работы по физиологии пищеварения.

Ученому исполнилось в ту пору 55 лет, и он был в расцвете творческих сил. Свою плодотворную работу Павлов продолжал еще три десятилетия, сосредоточив теперь основное внимание на физиологии высшей нервной деятельности. Им была создана целая научная школа, и его институт в окрестностях Ленинграда стал одним из крупнейших в мире центров исследований в области физиологии. За большие успехи в нейрофизиологии Павлова в 20-е годы вновь выдвигали на Нобелевскую премию, и, хотя его кандидатура на сей раз не прошла, сам этот факт свидетельствует о его высоком авторитете как ученого.

В начале нынешнего столетия датский физиолог Август Крог из Копенгагенского университета занялся изучением процессов газообмена в тканях. Эта область была чрезвычайно трудна для исследования, так как возможности прямых измерений здесь весьма ограниченны. Крог разработал косвенные методы исследования диффузии кислорода и получил совершенно неожиданный результат: даже при очень тяжелой физической нагрузке содержание газа в мышцах оказалось почти таким же, как в капиллярах. Это было удивительным, поскольку предполагалось, что содержание кислорода в мышцах в данном случае должно уменьшаться, чтобы возрастала скорость диффузии. Датский ученый показал, что это достигается с помощью другого механизма.

Крог решил исследовать непосредственно капилляры, воспользовавшись для этого микроскопом. Он обнаружил, что при сокращении мышцы и действии различных раздражителей число капилляров растет, между ними возникают новые связи, сеть капилляров становится гуще. Это приводит к увеличению площади диффузии и расширяет возможности для проникновения кислорода в клетки. Подобную картину наблюдали и другие исследователи, однако до Крога никому не приходило в голову объяснить подобным образом пульсацию капилляров. Такой подход позволил Крогу объяснить количественные данные по газообмену в организме. Увеличение числа капилляров приводит, не ускоряя движения крови, к увеличению количества циркулирующей в организме крови, которая переносит кислород и питательные вещества. Увеличение скорости кровотока повлекло бы за собой сокращение времени диффузии, и тогда кровь не выполняла бы своих функций.

За исследования физиологии капиллярного кровообращения Август Крог был удостоен в 1920 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Одним из интереснейших изобретений известного французского физика Габриеля Липмана был капиллярный электрометр. В 1887 г. Август Уоллер с помощью такого прибора записал первую электрокардиограмму. Эти исследования привлекли внимание голландского физиолога Виллема Эйнтховена из Лейденского университета. Он начал эксперименты с капиллярным электрометром и вскоре выявил его недостатки и ограниченные возможности. Оказалось, что аппарат имеет значительную инерцию, и снятая им электрокардиограмма не дает подлинной картины импульсов, возникающих в проводящих пучках сосудов сердца. Эйнтховен разработал математические методы коррекции результатов, применил метод фоторегистрации, развил теорию электрокардиографии и таким образом в 90-е годы добился получения электрокардиограмм высокого качества. В 1895 г. он расчленил регистрируемые сигналы на составные части, связав их с различными моментами в деятельности сердца. Эта номенклатура сохранилась до настоящего времени.

Однако, несмотря на все усовершенствования, метод оставался очень сложным. Тогда Эйнтховен предложил в 1903 г. радикальное решение - струнный гальванометр, с помощью которого можно было регистрировать малые и быстрые изменения электрических потенциалов. Этот прибор - дальнейшее усовершенствование аналогичной конструкции, созданной Жаком Арсеном Д'Ареонвалем. Со струнного гальванометра начинается современная электрокардиография.

Еще в 1887 г. Уоллер показал, что при записи электрокардиограммы важно выбрать точки тела, от которых отводятся импульсы. Основываясь на результатах своих экспериментов, Эйнтховен предложил три точки отведения электрокардиограммы - от обеих рук и левой ноги, соединяя эти три точки попарно. С помощью многоканальных электрокардиографов запись сигналов можно делать одновременно. Эти принципы сохранились и по сей день.

Но деятельность Эйнтховена не ограничивалась только разработкой технических приспособлений. Как медик он пытался объяснять наблюдаемые явления с точки зрения биологии. Первое его открытие состояло в том, что каждый человек имеет свою специфическую электрокардиограмму, но у кардиограмм есть и общие черты. В 1906 г. он обнаружил, что при различных сердечных заболеваниях наблюдаются характерные отклонения в электрокардиограммах, что делает их исключительно ценными для диагностики. Эйнтховен установил, что суммирование электрофизиологической активности особых проводящих пучков создает в сердце биотоки, которые несут информацию о его деятельности.

Когда работа голландского ученого привлекла внимание Каролинского института, встал вопрос, возможно ли присуждение премии по физиологии и медицине за создание прибора. Подобных прецедентов еще не было; поэтому, когда Нобелевский комитет решил в 1924 г. наградить Эйнтховена, акцент мотивировки премии был смещен на открытие метода электрокардиографии. Но созданный Эйнтховеном струнный гальванометр и поныне используется для калибровки современных электрокардиографических аппаратов.

Однако, несмотря на все свои достоинства, электрокардиография является дистанционным методом наблюдения. До определенного времени никому и в голову не приходило, что сердце живого человека можно исследовать каким-то другим способом, кроме прослушивания, записи биотоков или рентгенографии. Так продолжалось до 1929 г., когда молодой хирург Вернер Форсман из клиники в Эберсвальде со свойственным молодости бесстрашием поставил на себе невероятный эксперимент. Он ввел катетер в вену одной из рук на глубину 65 см, после чего отправился в рентгеновский кабинет, чтобы проверить, достиг ли конец катетера правого предсердия.

Этот эксперимент вызвал резкое осуждение в медицинских кругах. Сам по себе этот опыт не столь опасен, но мысль о подобном вмешательстве в организм живого человека приводила медиков в ужас. Руководство больницы запретило Форсману ставить подобные эксперименты. Его метод, однако, в 1940 г. применили два нью-йоркских врача. Дикинсон Ричарде и Андре Фредерик Курнан в течение нескольких лет занимались изучением кровообращения при различных заболеваниях и, поняв ограниченные возможности традиционных методов, решили прибегнуть к методу Форсмана, несмотря на его рискованность.

К счастью, опасения оказались напрасными. Катетер позволял непосредственно измерять давление и определять состав крови в труднодоступных участках, прилежащих к сердцу, и в самом сердце. Для клиницистов это имело исключительное значение. В 1941 г. Ричарде и Курнан опубликовали результаты своих исследований. Эти результаты, полученные в крупной клинике известными учеными, естественно, привлекли внимание всей медицинской общественности, чего не удалось добиться молодому врачу из Эберсвальда. Катетеризация сердца начала все более широко входить в медицинскую практику.

Во время второй мировой войны хирургам также пришлось включиться в борьбу. Ричарде и Курнан исследовали так называемый вторичный шок у людей, получивших тяжелые ранения. Оказалось, что большая потеря крови ведет к нарушениям в кровообращении и к шоку с летальным исходом. Использование катетеров позволило детально исследовать это состояние и найти способы его предотвращения. Впоследствии таким методом исследовались врожденные пороки сердца, что помогло значительно улучшить диагностику и, следовательно, повысить результативность хирургического вмешательства.

На успехи сердечной хирургии в 1956 г. обратил свое внимание Каролинский институт. Через 27 лет после своего замечательного эксперимента В. Форсман был назван в числе исследователей, внесших крупный вклад в медицину. Вместе с ним Нобелевской премии по физиологии и медицине были удостоены Д. Ричарде и А. Курнан. Все трое получили награду за открытия, связанные с катетеризацией сердца и исследованием патологических изменений в кровеносной системе.

Исследования систем дыхания и кровообращения поставили вопрос о регуляции этих функций в организме. Еще в середине прошлого века было известно, что внутренние стенки аорты и сонной артерии имеют барорецепторы, контролирующие кровяное давление и посылающие сигналы в мозг, откуда при необходимости идут команды для его коррекции. В 1927 г. бельгийский ученый Корней Хейманс установил, что в тех же местах находятся и геморецепторы, регулирующие химический состав крови.

Добиться успеха в этих исследованиях помог оригинальный метод, разработанный отцом Хейманса, ректором Гентского университета. В 1912 г. он вместе с Э. де Соммером провел исследования нервной регуляции дыхания на двух собаках. Кровеносные сосуды одной собаки были соединены с кровеносными сосудами другой, в результате чего у них возникало общее кровообращение. У одной собаки прерывалась связь мозга с телом и функционировали только отдельные нервы. Это давало возможность проследить, какими путями идут в мозг сигналы об изменении дыхания и состава крови.

После длительных исследований, расширенных и углубленных молодым Хеймансом, выяснилось, что в аорте (в непосредственной близости от сердца) имеются специальные тельца, которые реагируют на химический состав крови и посылают в мозг сигналы о необходимости регуляции дыхания.

Указанный метод позволил исследовать различные физиологические процессы, например рефлексы дыхания и кровообращения, действие различных гормонов. К. Хейманс усовершенствовал и углубил метод. Эти исследования сделали его одним из крупнейших физиологов первой половины нашего столетия. Важное открытие было связано с хеморецепторами - "вкусовыми" органами, посредством которых мозг поддерживает дыхательное равновесие в организме. В 1939 г. коллегия профессоров Каролинского института приняла решение присудить К. Хеймансу Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Премия была дана за открытие роли синусного и аортального механизмов в регуляции кровообращения. В то время в Европе уже началась вторая мировая война, и премия была вручена К. Хеймансу в Генте. Лишь в 1945 г. он прочел в Стокгольме свою Нобелевскую лекцию, где подробно рассказал о своих знаменитых опытах со "спаренными" собаками.

Гормоны

В 1902 г. Уильям Мэддок Бейлисс и Эрнест Генри Старлинг установили, что в двенадцатиперстной кишке образуется некое вещество, которое, проникая сквозь стенки кишок, попадает в кровь и переносится ею в поджелудочную железу - орган, стимулирующий выделение желудочных соков. Они назвали это вещество секретином и ввели термин "гормон", что в переводе с греческого означает "возбудитель".

Исследование гормонов - это увлекательнейшая глава современной физиологии, которая пока еще не написана до конца. Ряд ученых, посвятивших себя этой области, были удостоены Нобелевской премии, а многие другие неоднократно выдвигались на соискание этой премии. Кандидатуры Бейлисса и Старлинга рассматривались в 1913 и 1914 гг., однако из-за начавшейся вскоре первой мировой войны Нобелевский комитет при Каролинском институте прекратил на время свою работу, и вклад упомянутых исследователей, сделавших конкретные открытия и теоретические обобщения, так и остался непризнанным. Кандидатура Старлинга вновь была выдвинута в 1926 г., но эксперты отклонили ее, сославшись на давность открытия ученого.

В то время как теоретические исследования в данной области физиологии вызывали сдержанное отношение, практические результаты быстро получали признание. Швейцарский хирург Теодор Кохер из клиники в Берне за свою работу по физиологии, патологии и хирургии щитовидной железы был удостоен Нобелевской премии уже в 1909 г. В тот год Нобелевская премия не случайно "уехала" в Швейцарию. В этой альпийской стране высоко в горах вода бедна многими полезными для организма веществами, в частности йодом, и это приводило к появлению заболевания, названного базедовой болезнью. При этой болезни щитовидная железа разрастается, сдавливая трахею и причиняя множество других неудобств. Хирурги XIX в. пытались лечить эту болезнь наиболее естественным для них способом - путем вырезания зоба. К сожалению, операции часто заканчивались смертью пациента.

В сложившейся обстановке Теодор Кохер занялся в 1883 г. хирургией щитовидной железы. Он повторил исследования своих предшественников и поставил новые эксперименты, которыми убедительно доказал, что полное удаление этого органа ведет к неминуемой гибели. Кохер исследовал физиологию щитовидной железы и показал ее значение в общем обмене веществ в развитии организма. С помощью экстрактов из щитовидной железы он смог вылечить неправильно оперированных пациентов и поддерживать их в хорошем состоянии.

В конечном счете швейцарский хирург разработал целостный метод оперативного лечения щитовидной железы. Кохер убедительно доказал, что при операции щитовидной железы для сохранения ее функции необходимо оставить часть железы. Хирург собственноручно прооперировал несколько тысяч человек, а общее число тех, кому помог разработанный им метод лечения, не поддается учету.

В 80-е годы прошлого века благодаря работам французского ученого Шарля Броун-Секара исследователи направили свое внимание на некоторые органы, которые были похожи на железы, но не имели отводного канала. Единственной их связью с организмом служила кровеносная система. Так зародилась концепция о железах внутренней секреции.

Было известно, что поджелудочная железа - это железа внешней секреции. В ней происходит синтез пищеварительных ферментов, которые попадают в сок поджелудочной железы по специальному каналу, достигающему двенадцатиперстной кишки. Но еще в 1869 г. Пауль Лангерганс показал, что при гистологическом исследовании поджелудочной железы наблюдаются группы клеток, которые не связаны с остальной частью панкреатической ткани и не имеют связи с организмом посредством отводного канала. Эти группы клеток рассеяны равномерно по всей железе в виде своеобразных островков. Под этим названием они и остались в науке: островки Лангерганса.

Врачи давно заметили, что при анатомировании людей, умерших от диабета, находят изменения в поджелудочной железе. В 1901 г. русский врач Л. В. Соболев доказал, что островки Лангерганса играют роль желез внутренней секреции и потому очень важны для углеводного обмена. К сожалению, полная ясность в этот вопрос была внесена лишь спустя три десятилетия. В то же самое время, в конце прошлого века, Кохер успешно лечил своих пациентов экстрактами из щитовидной железы. Многие ученые пытались лечить диабет с помощью экстрактов из поджелудочной железы, но результаты были неубедительными и противоречивыми.

Молодой канадский ученый Фредерик Грант Бантинг первым понял, почему нельзя получить эффективно действующую вытяжку из поджелудочной железы. По существу, этот орган состоит из двух желез. Одна вырабатывает ферменты, разлагающие белки, другая - гормон белкового характера. При растирании в порошок железы, считал Бантинг, трипсин смешивается с гормоном и уничтожает его. Он решил воспользоваться экспериментальным методом, разработанным в 1901 г. Л. В. Соболевым, который установил, что при перевязке отводящего канала атрофируется вся ткань поджелудочной железы, за исключением островков Лангерганса. Это позволяло надеяться на возможность получения чистого экстракта с высоким содержанием гормонов.

В 1921 г. Бантинг преподавал фармакологию в Торонтском университете. Там он сблизился с профессором физиологии Джоном Джеймсом Рикардом Маклеодом, познакомил его со своими идеями и получил доступ в его лабораторию. Ассистентом Бантинга был Чарлз Бест. Первые эксперименты, проведенные на собаках в мае 1921 г., завершились успешно. Наконец был создан метод выделения гормона поджелудочной железы в чистом виде. Этот гормон синтезируется в островках Лангерганса. По-латински островок - "инсула"; поэтому еще в 1916 г. Шарпли Шейфер предложил назвать этот гормон инсулином. Вещество, которое ученые тщетно искали в течение нескольких десятилетий, наконец было открыто, и 23 января 1922 г. 14-летний юноша был выведен из диабетической комы и спасен благодаря инъекции инсулина. За время, прошедшее с тех пор, число спасенных исчисляется миллионами.

В 1923 г. Нобелевский комитет при Каролинском институте объявил о присуждении премии по физиологии и медицине Бантингу и Маклеоду за открытие я выделение инсулина. Это решение вызвало бурную реакцию в мире ученых. Большинство специалистов, которые внимательно следили за этой работой, заявили, что Маклеод не принимал участия в решающих экспериментах и даже вообще отсутствовал в это время в лаборатории. Никому не известный Бест вообще не был выдвинут на Нобелевскую премию. Ситуация еще более осложнилась, когда один из сотрудников лаборатории заявил, что схема эксперимента была предложена одним студентом-третьекурсником, которому не разрешили принять участие в работе, сославшись на его недостаточную квалификацию.

Никто из лауреатов не присутствовал на торжественной церемонии в Стокгольме, и премии были переданы английскому послу. Бантинг демонстративно разделил причитающуюся ему долю денежной премии с Бестом, а Маклеод отдал половину своей суммы Дж. Колипу, сотруднику лаборатории, разработавшему наиболее эффективный метод выделения инсулина.

В 1929 г. почти одновременно Адольф Бутенандт в Германии и Эдуард Аделберт Дойзи в США выделили кристаллическое вещество, оказывающее воздействие на половые функции, которое сначала было названо фолликулином, а впоследствии - эстроном. В 1930 г. Гью Фредерик Мериан в Лондоне выделил новый половой гормон - эстрадиол. Вскоре после этого Бутенандт подтвердил это открытие и показал связь экстрадиола с эстроном. Методом спектрального анализа немецкий ученый в 1932 г. показал, что оба половых гормона относятся к стероидам. В 1931 г. из так называемого "желтого тела" в яичниках было выделено в кристаллическом виде новое вещество. Три года спустя Бутенандт получил его в чистом виде и назвал прогестероном. Тем временем Бутенандт и независимо от него Леопольд Ружичка открыли и исследовали первый мужской половой гормон - андростерон. Он оказался из той же группы стероидов.

Все открытия подвергались проверке методом химического синтеза. Вновь синтезированные гормоны обычно давали тот же эффект, что и природные вещества. Однако андростерон, экстрагированный из железы, оказывал более сильное действие по сравнению с синтезированным гормоном. Противоречие удалось разрешить в 1935 г., когда Эрнст Лакёр установил, что существует второй мужской половой гормон - тестостерон, имеющий очень высокую активность. Вскоре он был синтезирован почти одновременно Бутенандтом и Ружичкой.

Исследования Бутенандтом стероидов, и в частности половых гормонов, создали ему большой авторитет в ученом мире. В 1939 г. ему совместно с Ружичкой была присуждена Нобелевская премия по химии.

Как мы уже рассказывали (см. с. 193), руководство нацистской Германии запретило Бутенандту получать премию. Лишь десять лет спустя Бутенандт смог наконец приехать в Стокгольм, где ему были вручены золотая медаль и диплом лауреата. Однако денежная премия была возвращена в Нобелевский фонд.

В 30-е годы Филип Шоуолтер Хенч из клиники Майо в Рочестере (шт. Нью-Йорк) установил, что при беременности или заболевании желтухой в легкой форме подавляются симптомы некоторых ревматических заболеваний. Ученый совершенно правильно предположил, что это облегчение, возможно, вызывается наличием какого-то стероидного вещества (подобного половым гормонам), выделяемого при беременности, или желчными кислотами, которые задерживаются в организме человека при желтухе. Хенч пытался лечить ревматоидный артрит стероидами, которые Эдуард Кендалл, его коллега по клинике Майо, выделял из коры надпочечников (кортекса). Однако лишь спустя два десятилетия в этой области удалось добиться успеха.

Вначале считалось, что из кортекса выделяется гормон, который сразу был назван кортином. Он продлевал жизнь лабораторным животным без надпочечников и помогал людям, страдающим аддисоновой болезнью. Из-за ничтожной концентрации кортина в коре надпочечников работа с ним была очень затруднена, и только в середине 30-х годов стало ясно, что это - комплексное вещество. Первым достиг успеха Тадеуш Рейхштейн в Базеле. Он имел большой опыт в исследовании органических природных веществ, ибо более десяти лет занимался выделением из кофе ароматических субстанций - веществ с исключительно сложной структурой. Рейхштейн выделил три гормона со стероидной структурой, которые оказывали положительное воздействие на животных с удаленными надпочечниками. В то же время Кендалл выделил четвертый гормон. Всего таких активных веществ оказалось шесть. Наиболее известен из них кортизон, являющийся ценным лекарством. Наряду с ним были открыты другие соединения, представляющие собой промежуточные продукты биосинтеза, которые не относятся к числу биологически активных.

Дальнейшие исследования показали, что эти шесть гормонов (кортикостероидов), несмотря на химическое сходство, значительно отличаются по своему физиологическому воздействию. Одни регулируют метаболизм сахара и биоэнергетику организма, а также температуру тела. Другие- деятельность почек, выделение солей и общий водно-солевой баланс в организме. Большая часть результатов, касающихся физиологического воздействия указанных гормонов, была получена Кендаллом и его сотрудниками. Они вместе с группой Рейхштейна подробно исследовали кортизон, который оказался очень эффективным лечебным препаратом. После выделения кортизона в чистом виде и особенно после того, как Рейх-штейн нашел способ его получения в больших количествах из растительных стероидов, стало возможным проверить идею Хенча о взаимосвязи между наличием стероидов в организме и ревматическими заболеваниями. Подобные идеи высказывал и Ганс Селье в Канаде. Начатые им в 30-е годы эксперименты были закончены в 1949 г., в том же году были опубликованы результаты.

Кортизон действительно давал потрясающий эффект. Инвалиды, обреченные на неподвижность, за короткое время вставали на ноги. К сожалению, вскоре наступило разочарование. Инъекции кортизона приводили к неприятным последствиям - нарушался эндокринный баланс, например у женщин начинала расти борода и т. д. Это поняли, однако, позднее, а в период всеобщих восторгов в 1950 г. Каролинский институт принял решение присудить Кендаллу, Хенчу и Рейхштейну Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование гормонов коры надпочечников, определение их структуры и биологического воздействия.

Хенч провел успешные опыты по лечению ревматических заболеваний инъекциями адренокортикотропного гормона. Это вещество выделяется передней частью гипофиза - главной железы внутренней секреции. Исследованием этой железы, гормоны которой регулируют деятельность надпочечников, щитовидной железы и ряда других органов, занимались многие ученые. Среди них наиболее известен аргентинский ученый Бернардо Альберто Усай. Еще в 1924 г. он доказал, что гипофиз регулирует выделение инсулина и углеводный обмен.

Гипофиз - малое тело весом 0,5-0,6 г, расположенное у основания головного мозга в костном образовании, называемом "турецким седлом". Декарт считал, что это - место, где находится душа. Современные ученые гораздо более прозаичны, но тем не менее они также придерживаются мнения, что эта область головы играет очень важную роль. Она осуществляет связь между нервной системой и гормональным балансом организма. Еще в XIX в. были известны заболевания, связанные с патологическими изменениями гипофиза. Известный французский физиолог Этьен Марей установил, что при некоторых из них, как и при диабете, в моче наблюдается сахар. Это наводило на мысль о наличии связи между гипофизом и обменом углеводов в организме. Классический эксперимент для исследования функции гипофиза заключался в следующем: у подопытного животного удаляли железу (или часть ее) и наблюдали за его состоянием. Усай, профессор физиологии университета в Буэнос-Айресе, выбрал в качестве объекта исследования крупную лягушку Буфомариус, в изобилии встречающуюся на берегах Ла-Платы.

Гипофиз человека по величине не больше боба фасоли. У лягушки он значительно меньше, и его трудно увидеть. Потребовались очень тонкие операции, которые аргентинский ученый проводил с большим упорством, и в конечном счете он добился интересных результатов. Усай удалял либо всю железу, либо ее переднюю часть. В опытах на собаках, гипофиз которых также мал - всего лишь с горошину, устранение передней части железы приводило к нарушению углеводного баланса и вызывало повышенную чувствительность животного к инсулину. Собаки и лягушки, оперированные таким образом, проявляли симптомы редко встречающейся у человека болезни. При обратной имплантации гипофиза симптомы исчезали.

Усай считается одним из крупнейших физиологов первой половины нынешнего столетия. Его большой научный авторитет принес ему в 1947 г. звание лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине, которого он удостоен за открытие роли гормона, выделяемого частью гипофиза, в метаболизме сахара. Награду с ним разделили супруги Карл Фердинанд и Герти Кори, получившие Нобелевскую премию за открытия в области каталитического превращения гликогена.

Задняя часть гипофиза также синтезирует гормоны. Один из них, окситоцин, стимулирует сокращения матки и другие процессы, связанные с беременностью. Другой гормон, вазопрессин, повышает кровяное давление и регулирует деятельность почек. Еще в 1933 г. эти гормоны были выделены, и началось их исследование. Оказалось, что они состоят из сравнительно небольших молекул, что вселило надежду на возможность определения их строения имеющимися в то время средствами. Этой проблемой занялся профессор Винсент Дю Виньо, биохимик из университета Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (шт. Миссури).

Определение структуры гормонов шло поэтапно, путем постепенного отщепления аминокислот, входящих в цепи этих полипептидов. Это был новый подход для химии, но Дю Виньо справился со своей задачей блестяще. Он создал методы постепенного отщепления аминокислот - одна за другой,- таким образом установив их последовательность, откуда логически вытекала структура гормонов. Пять аминокислот образовывали кольцо, замкнутое прочно связанными атомами серы цистеиновых молекул. К этому кольцу, как хвост, были присоединены еще три аминокислоты; в целом полипептидная цепь имела форму цифры 9.

Следуя традициям, американский биохимик занялся синтезом гормона окситоцина, намереваясь таким путем доказать, что предложенная им структура верна. Вновь шаг за шагом проводились эксперименты до тех пор, пока не удалось нанизать все восемь аминокислот. Испытания на подопытных животных показали, что полученное вещество идентично природному.

Первый успешный синтез полипептидного гормона ознаменовал большой успех новой науки - молекулярной биологии. Это был предвестник будущих достижений. Винсент Дю Виньо, пионер этих исследований, был удостоен в 1955 г. Нобелевской премии по химии; она была присуждена ему за исследования важных для биохимии веществ, в частности серосодержащих аминокислот, а также за первый синтез гормонов задней доли гипофиза *- окситоцина и вазопрессина.

В то время как Дю Виньо проводил свои знаменитые исследования гормонов, в Кембридже один молодой исследователь поставил перед собой задачу, которая выглядела безнадежной. 25-летний Фредерик Сенгер решил определить структуру инсулина. Свои опыты он начал в 1943 г. в период, мало подходящий для научных исследований. Сенгеру приходилось делать открытия на каждом шагу, создавая новые методы для определения структуры белковых молекул.

Первым его достижением была разработка способа метить последнюю аминокислоту на том ее конце цепи, где есть аминогруппа; это делалось специальным веществом-красителем. Так было установлено, что инсулин, состоящий из 51 аминокислоты, имеет две полипептидные цепи, одна из которых содержит 31, а другая - 20 аминокислот. Это открытие значительно облегчило работу по исследованию структуры инсулина. Далее Сенгер продолжил изучение этих двух цепей, применяя для их частичного разделения слабые кислоты и ферменты. Полученные фрагменты, содержащие по нескольку аминокислот, распределялись методом хроматографии или электрофореза, после чего определялась последовательность аминокислотных остатков в каждом из них. Разгадка этого молекулярного ребуса отняла у английского ученого 13 лет, но в конечном счете он достиг успеха.

В 1956 г. Сенгер уже мог сообщить своим коллегам полную последовательность аминокислот в двух цепях молекулы инсулина. В двух местах эти цепи соединялись так называемыми дисульфидными мостиками (два атома серы в соответствующих аминокислотах, прочно связанные между собой), а в одном месте дисульфидный мостик образовывал петлю. Этих данных было достаточно, чтобы определить пространственную структуру инсулина.

В 1958 г. Нобелевский комитет по химии принял решение наградить 40-летнего Сенгера, тем самым поощряя его на дальнейшие успехи в науке. Премия была присуждена за исследования структуры белков, в частности инсулина. В данном случае указание Альфреда Нобеля - давать премии перспективным молодым ученым - было выполнено в полной мере. После этого Сенгер занялся нуклеиновыми кислотами и в 1980 г. получил вторую Нобелевскую премию по химии - за исследования структуры нуклеиновых кислот. Этот второй успех также явился результатом разработки методов определения последовательности мономеров в молекулах биополимеров - решения задачи, которой Сенгер посвятил всю свою деятельность ученого.

В основании мозга, над гипофизом, имеется некое образование, называемое гипоталамусом, который играет исключительно важную роль в регуляции функций организма. Это мост между нервной и гормональной системами. Еще в середине 50-х годов исследования Г. Харриса, М. Саффрана и С. Мак-Кана показали, что гипоталамус регулирует функцию гипофиза, выделяя в кровь специальные вещества. Эти так называемые рилизинг-факторы стимулируют или ингибируют секрецию гипофизных гормонов, которые в свою очередь управляют корой надпочечников, половыми железами и щитовидной железой. Гормоны гипоталамуса выделяются в ничтожных количествах, и для их получения в чистом виде и исследования потребовалось 15 лет. В основном эта работа была выполнена Роже Гийменом в университете Бэйлора в Хьюстоне (шт. Техас) и Эндрю Виктором Шалли в Лаборатории эндокринологии в Нью-Орлеане (шт. Луизиана).

После длительных исследований выяснилось, что в гипоталамусе синтезируются вещества, состоящие из нескольких аминокислот. Исследование этих олигопептидов в конце 60-х - начале 70-х годов уже не было проблемой для биохимии, и вскоре их структуру удалось определить. Более того, были получены искусственные вещества, в десятки раз биологически более активные, а также вещества, которые ингибировали деятельность гормонов гипоталамуса. Это открывало путь для вмешательства в тончайший механизм регуляции функций организма.

В 1960 г. Саломон Берсон и его ученица Розалин Сасмен Ялоу заложили основы радиоиммунологических методов изучения белковых гормонов. Сочетание иммунных реакций с методом меченых атомов позволило чрезвычайно повысить чувствительность химического анализа и изучать гормоны гипоталамуса, несмотря на то что их концентрация в сыворотке крови в десять миллионов раз меньше, чем концентрация других белковых веществ. Берсон умер в 1970 г., но его ассистентка продолжала исследования.

Успехи, достигнутые в изучении гормонов, особенно рилизинг-факторов, были поистине впечатляющи, и в 1977 г. Нобелевский комитет принял решение о присуждении Р. Гиймену, Э. Шалли и Р. Ялоу Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Еще в XIX в. физиологи исследовали различные гормоны и в конце концов выяснили в общих чертах механизм гормональной регуляции. Этот механизм включает в себя эндокринные железы, которые связаны с нервной системой и тканями. Было очевидным, что гормон должен каким-то образом вызвать определенные реакции в клетке и, изменяя их физиологию, достигать нужного эффекта. Однако оставалось неясным, как это происходит. В 1957 г. американский биохимик Эрл Уилбур Сазерленд открыл вещество, которое усиливало воздействие адреналина на ход реакции распада гликогена в экстракте печеночной ткани. Это неизвестное вещество сохраняло свою активность даже после нагревания раствора до температуры кипения, когда происходила денатурация белков. Очевидно, это было некое низкомолекулярное и термостойкое соединение. Примерно в то же время было открыто производное аденозинтрифосфата (АТФ) - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). В нем фосфорная группа участвует в образовании кольца, придающего молекуле характерные свойства.

Открытие химиков побудило профессора Сазерленда предпринять вместе со своими сотрудниками обширные эксперименты в Вашингтонском университете. Его группа установила, что образование цАМФ - обязательный Рэтап регуляции ряда процессов в клетке. Оказалось, что именно это вещество служит посредником между средой организма и внутренностью клетки, приводя к преобразованию гормонального сигнала в конкретную ферментативную реакцию. В клеточной мембране Сазерленд обнаружил специфические ферменты из группы так называемых аденилатциклаз. Каждая из них присуща соответствующему гормону. Молекула гормона стимулирует деятельность фермента, который в свою очередь превращает АТФ и цАМФ. Последнее движется внутри клетки, оказывая самое разнообразное воздействие на ее деятельность, например регулирует мышечное сокращение, синтез ДНК,- клеточную секрецию и т. д. Из этого широкого спектра функций реализуется, в сущности, только часть, причем эта специфичность определяется аденилатциклазами, каждая из которых реагирует на определенный гормон. Оказывает влияние и специализация самой клетки. Так, мышечное волокно сокращается, клетка железы осуществляет секрецию и т. д.

Открытие Сазерленда перекинуло мост между физиологией и цитологией. Возникло новое направление в исследовании конкретных механизмов регуляции - от уровня организма до клеточного и молекулярного уровней. Оказалось, что полученные данные имеют большое значение для медицины, так как позволяют выявить взаимосвязь ряда заболеваний с нарушениями в ферментативном комплексе, который осуществляет синтез и разложение цАМФ.

Эрл Сазерленд, положивший начало этому новому направлению в науке, был удостоен в 1971 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине за исследования механизма действия гормонов.

Большие успехи в молекулярной биологии не должны создавать впечатление, что с гормонами теперь полная ясность. Известны вещества, функции которых до конца не выяснены, и, кроме того, еще далеко не все гормоны открыты. В этом отношении особенно показателен пример с простагландинами.

В 1936 г. известный шведский ученый Ульф фон Эйлер обнаружил в семенной жидкости человека новый тип биомолекул. Считая, что они выделяются предстательной железой, он назвал их простагландинами. В дальнейшем выяснилось, что их источником являются семенные каналы, но название уже утвердилось. Этими соединениями заинтересовался молодой шведский биохимик Суне Бергстрём. Он приступил к исследованиям и в 50-е годы в числе других ученых определил структуру простагландинов. Оказалось, что это производные ара-хидоновой кислоты, которая является одним из незаменимых веществ в пище. Используя метод меченых атомов, в начале 60-х годов Бергстрём вместе со своим молодым сотрудником Бенгтом Самуэльссоном путем синтезирования простагландинов получили окончательные доказательства.

Удачно используя хроматографию, Бергстрём выделил различные простагландины. В дальнейшем Самуэльссон, продолжив работу, показал механизм их действия. Простагландины были открыты во всех тканях и клетках животных организмов, в связи с чем в обиход вошел термин "тканевые гормоны". Характер их действия оказался довольно-таки разнообразным. Простагландины вызывают сокращение гладкой мускулатуры и участвуют в регулировании кровяного давления, в работе дыхательной системы, некоторых желез внутренней секреции, в свертывании крови, а также влияют на процесс беременности. Последнее обстоятельство создало возможность для использования простагландинов в качестве противозачаточного средства; их детальные исследования значительно расширили возможности клиницистов в борьбе с различными заболеваниями.

Среди ученых, занимавшихся исследованием простагландинов, был и английский биохимик Джон Вейн. Он пришел к их изучению в поисках механизма лечебного действия аспирина и других подобных веществ. Ацетилсалициловая кислота, известная под торговым названием "аспирин", производится как лекарство с 1876 г., и лишь спустя 95 лет Джон Вейн выяснил механизм действия этого универсального лекарства. Оказалось, что I аспирин блокирует синтез ряда вредно действующих на организм простагландинов, чем и объясняется его антивоспалительное действие. В связи с большой распространенностью простагландинов в организме человека аспирин оказался универсальным средством, способствующим улучшению физиологического состояния организма.

Проводившиеся в течение почти 50 лет исследования простагландинов привлекли наконец внимание экспертов из Каролинского института, которые присудили в 1982 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине своим коллегам по институту С. Бергстрёму и Б. Самуэльссону. Награду с ними разделил Дж. Вейн из Британского медицинского фонда Веллкам. В последнее десятилетие на основе тканевых гормонов были созданы медикаменты для облегчения родов и лечения тромбозов, артритов, гипертонии, язвы и многих других болезней. С простагландинами специалисты связывают надежды на дальнейшие успехи медицины.

Клеточная машина

К 50-м годам было установлено, что живая клетка представляет собой совершенную "машину" с исключительно сложной структурой, в которой одновременно происходят тысячи реакций разложения и синтеза, разрушения и созидания, благодаря чему поддерживается структура живой материи. Особый вклад в изучение клетки внесли Джордж Эмиль Паладе из Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке, Кристиан Рене Де Дюв из того же института и Альбер Клод из Брюссельского университета. Общим в их работе является то, что все они отдавали предпочтение методу дифференциального центрифугирования.

Ультрацентрифугу изобрел Теодор Сведберг для проведения исследований в коллоидной химии. Клеточные гомогенаты, с которыми работают биохимики, также относятся к коллоидным растворам, и многие биологи сразу же стали использовать метод центрифугирования. Однако длительное время не удавалось получить удовлетворительных результатов. Метод дифференциального центрифугирования был создан трудом большого числа ученых, среди которых ведущую роль играл Альбер Клод.

Суть метода проста. Клеточный гомогенат, представляющий собой смесь различных компонентов клетки, подвергается последовательному центрифугированию с увеличением числа оборотов. Таким образом создается искусственная гравитация, под действием которой из коллоидного раствора последовательно осаждаются все более легкие частицы. Ускорение, характеризующее вес частицы, измеряется в единицах "сведберг" и обозначается буквой S. Вначале осаждаются неразрушенные клетки. Жидкость переливается в другой сосуд, и центрифугирование продолжается таким же методом. Далее происходит последовательное выпадение в осадок крупных клеточных фрагментов, ядер, митохондрий, лизо-сом и рибосом. На каждом этапе А. Клод идентифицировал осаждаемые объекты, наблюдая их под микроскопом. Его исследования подтвердили, что с митохондриями связаны процессы окисления. Проведя биохимические эксперименты, он открыл в составе митохондрий некоторые из дыхательных ферментов.

Дальнейшее развитие метода дифференциального центрифугирования связано с именем Кристиана Де Дюва. Кульминацией его работы явилось открытие в 1963 г. лизосом. Это открытие в известной мере произошло случайно. Де Дюв и его сотрудники исследовали субклеточные фракции клеток печени крысы. Неожиданно в гомогенате было обнаружено резкое усиление ферментативной активности. Исследование этого феномена показало, что клетки имеют особые частицы, в которых содержатся ферменты, способные разлагать различные вещества. Разрыв лизосомы на части приводит к лизису (разрушению клеточных структур или самой клетки) - так в живых системах разрушается старое, чтобы дать место новому. Оказалось, что лизосомы есть практически во всех клетках и что они принимают самое деятельное участие в физиологических и патологических процессах, происходящих в клетке. Возник самостоятельный раздел клеточной патологии, который занимается изучением дефектов в структуре и функции лизосом.

Выделение фракций, состоящих из все более мелких частиц, потребовало использования электронного микроскопа. С помощью этого прибора больших успехов добился Джордж Палзде. Он подробно изучил митохондрии и рибосомы,, описал ультраструктуру митохондрий, в частности гребешки на внутренней мембране, названные его именем. Многие годы рибосомы, подробно исследованные им, назывались также "гранулами Паладе". Используя ультрацентрифугу, он выделял субклеточные частицы, после чего искал их в структуре самой клетки, чтобы увидеть эти частицы в первоначальном виде и установить их взаимодействие с другими клеточными органеллами.

Альбер Клод сделал свои крупные открытия еще в 40-е годы. Наиболее активный период в деятельности Паладе и Де Дюва приходится на 50-е годы. В 1974 г.- с заметным опозданием - трое названные ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Такая высокая оценка их труда Нобелевским комитетом при Каролинском институте была продиктована большой важностью исследований клетки, заменивших ныне классический биохимический эксперимент с гомогенными растворами. Эти исследования - свидетельство постепенного объединения биохимии с цитологией на уровне молекулярной биологии, когда химический состав и биологическая структура изучаются в комплексе. Именно в таком направлении видится будущее развитие науки о жизни.

В истории физиологии отчетливо прослеживается постепенный переход от исследований животных как целого к исследованиям тканей и экстрактов из них. С одной стороны, это позволило детально изучить процессы обмена веществ, а с другой - привело к потере связи между структурой и функцией. Лишь в 50-60-е годы, с развитием современных методов исследования, физиологию клетки начали связывать с функциями субклеточных структур. Особенно большие успехи были достигнуты в изучении синтеза белковых веществ, осуществляемого в рибосомах по команде ДНК с помощью различных видов РНК. Теперь предстоит установить, где именно в клетке возникают и другие химические вещества. В настоящее время более значительных успехов удалось добиться в изучении их синтеза.

В то время как процесс разложения углеводов исследован сравнительно давно, их синтез долгое время оставался неразгаданным. Многие видные ученые допускали, что указанные реакции обратимы и сахара создаются так же, как и разлагаются. Лишь в 1949 г. аргентинский ученый Луис Федерико Лелуар, ученик Бернардо Усая, сделал открытие, которое в корне изменило направление мыслей биохимиков. Он установил, что превращение моносахаридов из одного вида в другой происходит в присутствии какого-то неизвестного вещества. Выделив это вещество, Лелуар определил его химическую структуру. Оно представляло собой фрагмент углевода, связанный с нуклеотидом. Исследования аргентинского ученого показали, что трансформация моносахаридов происходит после их соединения с подобным нуклеотидом. Это делает их активными и реакцию возможной. Далее выяснилось, что с помощью нуклеотидов осуществляется биосинтез таких полисахаридов, как гликоген, крахмал, целлюлоза и т. д.

Эта идея имела большое значение для биохимии. Ученые отказались от представлений об обратимом характере этих реакций. Выяснилось, что разложение и синтез идут разными путями. Впоследствии было установлено, что это относится и к другим группам соединений, в частности к белкам и нуклеиновым кислотам.

Л. Лелуар специализировался в 1936 г. по биохимии у Ф. Г. Хопкинса в Кембридже, в 1944 г. был ассистентом Карла Кори, а затем Бернардо Усая в Буэнос-Айресе. Восприняв опыт этих крупных ученых, он сумел внести свой собственный большой вклад в биохимию, что и принесло ему в 1970 г. Нобелевскую премию по химии.

Важное место в учении о метаболизме занимает исследование жирных кислот и других соединений, образующих большую группу липидов. Особый интерес представляют стерины, к которым относятся многие физиологически активные соединения. Химическая структура этих соединений начала выясняться в начале XX в.; в 1928 г. Генрих Виланд и Адольф Виндаус (Виланду премия была присуждена за 1927 г.) получили Нобелевскую премию по химии за исследования структуры соответственно желчных кислот и холестерина. Было установлено, что у животных и растений имеется большое число стеринов, например витамин D, половые гормоны, гормоны надпочечников и т. д. Некоторые из них были известны довольно давно. Холестерин был открыт еще 200 лет назад в желчных камнях. Однако детали механизма синтеза стеринов начали выясняться лишь после того, как Конрад Эмиль Блох и Феодор Линен применили для изучения цепи биохимических реакций метод меченых атомов.

Исследования этих ученых заложили основы современных представлений о динамике процессов в живых клетках. Фундаментальным открытием - оно было сделано в лаборатории Рудольфа Шёнхеймера в Колумбийском университете - явилось выяснение роли уксусной кислоты как структурного элемента при синтезе холестерина и жирных кислот. Эти исследования в основном выполнены Блохом. В то же самое время Линен в Мюнхенской лаборатории Генриха Виланда (его тестя) также изучал метаболизм уксусной кислоты и открыл ее активированное состояние, которое оказалось предшественником всех липидов человеческого организма. Этот активированный ацетат образуется в ряде процессов обмена веществ.

Работы Блоха и его сотрудников позволили выяснить, как из двууглеродной ацетатной группы получаются длинные молекулы с 30 атомами углерода. Была определена последовательность родственных соединений, близких в химическом отношении, но довольно далеких друг от друга в физиологическом плане. Оказалось, что они имеют общее происхождение и представляют собой просто этапы в цепи биосинтезов. Например, ланостерин выделяется из шерсти овец, а родственный ему холестерин широко распространен в крови и тканях человека. В свою очередь холестерин является предшественником желчных кислот некоторых половых гормонов.

Линен, который работал над теми же проблемами, получил аналогичные результаты. Однако наряду с этим он интересовался и клеточным аспектом проблемы, связывая его более тесно с обменом веществ и структурой. Кроме того, Линен показал, как может видоизменяться цепь синтезов, в результате чего вместо стеринов получаются терпены, каучуки и другие вещества. В этих реакциях участвуют и активированные изопреновые молекулы.

Биохимические исследования К. Блоха и Ф. Линена во многом способствовали изучению путей биосинтеза в организме одной биологически очень важной группы соединений. Холестерин давно интересовал медицину, так как его отложение на внутренних стенках кровеносных сосудов ведет к их сужению и закупорке. Проблема снятия этих отложений и поддержания кровеносной системы в должном состоянии все еще остается нерешенной. За исследования обмена холестерина и жирных кислот К. Блох и Ф. Линен были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Химия клетки ведет свое начало с середины прошлого века. Одно из первых ее достижений - открытие нуклеиновых кислот. Как говорит само их название, эти кислоты связаны с ядром клетки. Они были открыты в 1869 г. Фридрихом Мишером. Сам он использовал термин "нуклеин", и лишь 20 лет спустя немецкий биохимик Р. Альтман ввел понятие нуклеиновой кислоты.

Свои открытия Мишер сделал, работая в лаборатории известного биохимика Ф. Гоппе-Зейлера. В 1879 г. в этой лаборатории начал исследования нуклеиновых кислот Альбрехт Коссель. Нуклеиновым кислотам и связанным с ними протеинам он посвятил более четверти века. В 80-е годы Коссель, проведя успешные эксперименты по гидролизу нуклеиновых кислот, обнаружил, что они содержат аденин, гуанин, фосфорную кислоту и еще какое-то вещество, подобное сахару. В сущности, он открыл первичную структуру этих сложнейших биополимеров.

В клетке нуклеиновые кислоты тесно связаны с белками, имеющими щелочной характер. Коссель отдал много сил и времени их изучению. Оказалось, что они принадлежат к группе протаминов (которые относятся к простейшим белкам) и гистонов.

Исследования Косселя в биохимии происходили в очень важный для нее период - период ее утверждения как науки. Исследуя такие сложные соединения, как нуклеиновые кислоты и белки, ученый открыл ряд их составных элементов: гипоксантин, аденин, гуанин (являющиеся составными частями нуклеина), а также аминокислотный гистидин. За свои достижения А. Коссель был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В 1936 г. Макс Фердинанд Перуц, молодой австриец, работавший в Кавендишской лаборатории, приступил к исследованию структур гемоглобина методом рентгено-структурного анализа. Это вещество переносит кислород в кровь и имеет огромное значение для физиологии. Первые рентгенограммы были получены в 1937 г. Объектом исследования служил гемоглобин лошади. Результаты было исключительно трудно интерпретировать, так как они требовали трудоемких вычислений, а ЭВМ тогда еще не существовало. Год за годом Перуц с исключительным терпением продолжал свои эксперименты, поддерживаемый и поощряемый руководителем лаборатории У. Л. Брэггом. В 1953 г. Перуц усовершенствовал метод рентгеноструктурного анализа, что облегчило расшифровку получаемых рентгенограмм. В 1959 г., после более чем двадцатилетней работы, Перуц и его сотрудники смогли наконец продемонстрировать пространственную структуру гемоглобина. В этой работе ему помогали многие ученые. Дж. Бернал научил его, как делать рентгенограммы, а Д. Кейлин, один из крупнейших английских биохимиков нашего века, обеспечил ему доступ в свою биохимическую лабораторию. Крик, Уотсон и Сенгер, будущие лауреаты Нобелевских премий, работали у Перуна и в свою очередь освоили его опыт.

В 1946 г. из английских военно-воздушных сил был демобилизован специалист, участвовавший в разработке радаров. Джон Кендрю, закончивший Кембриджский университет по специальности химика, вернувшись в этот научный центр, начал работать у Перуца. Под влиянием Бернала и Полинга он заинтересовался структурой белков и решил избрать объектом своих исследований небольшую белковую молекулу - миоглобин. Это вещество, родственное гемоглобину, содержится в мышцах. Его молекула, в 4 раза меньшая, чем у гемоглобина, служит своеобразным накопителем для кислорода. Наличием миоглобина объясняется красный цвет мышц. Особенно много миоглобина у морских млекопитающих, которые длительное время остаются под водой и потому нуждаются в большом запасе кислорода в тканях тела; из-за большого содержания миоглобина их мышцы имеют очень темный цвет.

Кендрю и его сотрудники извлекали миоглобин из мяса кашалота и для получения контрастных ретгенограмм обрабатывали его ртутью или золотом. Так как миоглобин имеет сравнительно простую структуру, эта группа довольно быстро добилась успеха - в 1957 г. пространственная структура миоглобина была определена.

В 1962 г. Нобелевские комитеты по химии и по физиологии и медицине приняли решение о присуждении премий ученым, добившимся успехов в определении структуры гигантских биомолекул. Премии по физиологии и медицине были удостоены Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс за определение пространственной структуры ДНК. Лауреатами премии по химии стали Перуц и Кендрю, открывшие структуру гемоглобина и миоглобина.

Все эти исследования проводились методом рентгено-структурного анализа, а для обработки результатов использовались первые, еще несовершенные ЭВМ. Сейчас в распоряжении исследователей имеется значительно более совершенная техника, которая дает возможность значительно ускорить исследование структуры биомолекул. В 1967 г. Д. Филипс определил структуру лизоцима. В те же 60-е годы Уильям Хоуард Стайн, Станфорд Мур и Кристиан Бемер Анфинсен установили структуру рибонуклеазы, за что были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по химии. Процесс этот - чрезвычайно медленный, но только через него можно перейти от молекулярных структур к молекулярным комплексам и клеточным субструктурам и объяснить строение живого существа во взаимосвязи с его функцией. Это одна из важнейших задач биологии будущего.

Дальнейший прогресс в исследовании молекулярных комплексов клетки был достигнут благодаря работам Арона Клуга из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского центра в Кембридже. Клуг сочетал метод рентгеноструктурного анализа с электронной микроскопией.

Клуг начал работать в Кембридже в 1949 г.; здесь он обучился искусству получения рентгенограмм у Розалинд Франклин, внесшей большой вклад в определение структуры ДНК. Желая установить, как нуклеиновая кислота связывается с протеиновыми молекулами, Клуг начал с исследования вируса табачной мозаики. Накопленный при этом опыт оказал ему неоценимую помощь впоследствии, когда ученый стал заниматься хромосомами человека. В частности, он интересовался хроматином, составляющим основу хромосом. Во время деления клетки, когда ДНК хромосом находится в деспирализованном состоянии, хроматин различим в микроскоп. Нуклеопротеиновая структура хромосом очень напоминает вирусы, которыми Клуг уже занимался, что и позволило ему добиться в этой области значительных успехов.

Еще в 1968 г. Клуг применил метод ренгеноструктурного анализа в сочетании с математической обработкой данных на ЭВМ. Впоследствии он освоил электронную микроскопию, повысив разрешающую способность метода до 2,8 А (ангстрем; напомним, что диаметр атома водорода равен 1 А). При этом Клуг получал изображения, не пользуясь такими контрастными веществами, как, например, атомы тяжелых металлов.

При столь высокой разрешающей способности удается получить изображения большинства атомов химических элементов. Таким образом, химик имеет возможность -наблюдать непосредственно молекулы и их комплексы. Вероятно, тайная мечта "увидеть" химическую реакцию волновала почти каждого исследователя, занимавшегося данной областью науки. Арон Клуг, вплотную приблизившийся к этой заветной цели, был удостоен в 1982 г. Нобелевской премии по химии. Его исследования хроматина пролили луч света на тончайшую структуру генетического аппарата. Это, несомненно, ускорит исследования функции генов и, возможно, сыграет решающую роль в выяснении природы рака и других заболеваний. Рассматривая микромир в электронный микроскоп, специалисты по молекулярной биологии смогут лучше понять, как работает клеточная машина.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Пользовательского поиска




Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru