1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
1.1. Из истории учения о ферментах
Ещё в древности человек использовал некоторые ферментативные процессы, не понимая их сущности. Так, например, давно было известно, как готовить хлеб, вино и сыр, как обрабатывать кожу и т.д. В основе этих хозяйственных мероприятий лежат ферментативные реакции.
Попытки проникнуть в сущность ферментативных процессов относятся только к XVII столетию. Первые высказывания по этому вопросу принадлежат выдающемуся учёному средних веков Я. Ван-Гельмонту (1600), который, пытаясь объяснить механизм пищеварения, сравнивал его с процессом спиртового брожения. В 1781 г. итальянец Л. Спаланцани произвел первый научный опыт по изучению пищеварения. Он давал ястребу глотать кусочки мяса, заключенные в металлическую сетку. В желудке ястреба мясо растворялось. На основании этих опытов Спаланцани пришел к выводу, что в желудке птицы происходит процесс химического разложения пищи под действием каких-то веществ, содержащихся в соке желудка.
В 1811-1814 гг., впервые были открыты специальные соединения, вызывающие ферментативный распад веществ в организме, приоритете их открытия принадлежит русскому ученому Петербургской академии наук К.С. Кирхгофу, который по справедливости считается основоположником научной ферментологии. Кирхгоф изучал процесс разложения крахмала под действием экстракта из солода и нашел, что в нем содержатся вещества, быстро разлагающие крахмал и сахар. Он показал также, что аналогичное действие на крахмал оказывает и разведенный раствор серной кислоты при нагревании. Эти работы Кирхгофа имели выдающееся значение в науке. Однако они были подтверждены значительно позднее. Только через 19 лет – в 1833 г. Пайен и Персо выделили из солода фермент амилазу. В 1876 г. Т. Шванн описал фермент желудочного сока – пепсин, разлагающий белки. В это же время знаменитый ученый Франции Л. Пастер подробно
изучил процесс брожения углеводов, совершающийся под действием дрожжей.
Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.
Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха - с другой, о природе спиртового брожения.
«Ферменты» относили к белкам, способным оказывать каталитическое действие. По мере тщательного изучения этих явлений теоретическая сторона вопроса приобретала все большее значение и создавалась почва для теории действия ферментов – «теория распада» Либиха. Сущность ее заключается в том, что ферментативный процесс является следствием сотрясения молекулы, которое само вызывается химическим распадом ферментирующего вещества, а не только контактом, как полагал Берцелиус. Теория Либиха в свое время имела большое значение для объяснения процессов брожения и гниения, но теоретически (нарушение молекулярного равновесия вследствие химического процесса разложения) она оказалась совершенно не состоятельной. Учение о химическом расщеплении ферментов было ошибочным, так как дрожжи при вызванных ими превращениях химически не изменяются (К. Оппенгеймер, Р. Кун, 1932).
Во второй половине XIX в. Либих придерживался того взгляда, что брожение и сходные с ними процессы обусловлены действием химических веществ, а Л.Пастер утверждал, что брожение неотделимо от жизнедеятельности клеток. Отсюда возникло разделение ферментов на «неорганизованные» и «организованные», то есть на экстрагируемые ферменты и ферменты, функционирующие в живой клетке (М.Диксон, Э. Уэбб, 1966).
Собственно ферментами (от лат. fermentum —закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч. ένζυμο— дрожжи, закваска) предложен в 1878 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л.
Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.
К концу XIX в. благодаря успехам в области стереохимии органических веществ Э. Фишером были изучены пределы действия ферментов, или их так называемая «специфичность». На основании своих наблюдений над субстратами известной структуры Фишер выдвинул свое знаменитое положение о том, что фермент подходит к субстрату так, как ключ подходит к замку (Е. Fisher, 1894). Эта гипотеза существует и в настоящее время, только в несколько модифицированном виде и используется для объяснения действия ферментов и гормонов.
Изучение специфичности ферментов невозможно без выделения индивидуальных ферментов в чистом виде. До 1920 г. серьезных работ по получению ферментов в чистом виде не было. Неоценимый вклад в развитие энзимологии по этому вопросу внес А.Я. Данилевский. Ему, при помощи специального метода, который состоит в выделении ферментов из экстрактов путем избирательной адсорбции, удалось получить достаточно чистые препараты ферментов панкреатического сока. Метод А.Я. Данилевского впоследствии широко использовался немецким ученым Вильштеттером в работах по очистке ферментов. Несколько работ было выполнено в течение того же периода и другими исследователями (опыты Диксона и Кодама по очистке ксантиоксидазы), но ни в одном из случаев не удалось достичь полной очистки. Первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, оказалась уреаза, кристаллы которой получил Д.Самнер в 1926 г. Однако эти первые кристаллы были далеко не чистыми. За этой работой вскоре последовала серия классических работ Дж. Х. Нортропа и его сотрудников по выделению в кристаллическом виде протеолитических ферментов. На основании этого они доказали, что ферменты имеют белковую природу и возможно существование однокомпонентных ферментов.
Главный интерес в ранний период развития энзимологии сосредоточился на изучении ферментов пищеварения и брожения. Однако с 1937 г. положение полностью изменилось, была уста-
