Известные учёные-биохимики

Вопрос, каким образом организмы генерируют энергию, как они ее преобразовывают и используют при движении и биосинтезе, занимал не только Митчелла, но и других ученых. К 1955 г. биохимики признали теорию Фрица Липмана, согласно которой аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) служит универсальным источником энергии. Функции обменных процессов, таких, как дыхание, ферментация и фотосинтез, невозможны без АТФ, т.к. именно она поддерживает различные энергетические процессы с помощью своих богатых энергией фосфорильных связей. Таким образом, четко вырисовывались главные контуры биоэнергетики (науки о передаче энергии живыми организмами), оставалось только отработать детали на молекулярном уровне.

Задача эта, однако, была чрезвычайно трудной, поскольку ферменты окислительного и фотосинтетического фосфорилирования тесно связаны с липопротеидами мембран митохондрии (крошечными круглыми или палочкообразными структурами в цитоплазме клеток) и хлоропластами (содержащими хлорофилл органоидами клеток растений и животных). Эта тесная связь служила препятствием для проведения какого бы то ни было детального молекулярного анализа в растворах.

Целый ряд исследователей занимался описанием главных структур механизма окислительного фосфорилирования. Они узнали, что в процессе дыхания электроны от различных субстратов (веществ, подвергающихся действию фермента) к кислороду переносит своего рода каскад ферментов. Синтез АТФ следует за каталитическим действием ферментного комплекса, известного как АТФ-аза (аденозинтрифосфатаза). Что касается хлоропластов, то электроны, высвобождаемые при поглощении света хлорофилла-ми, продвигаются через серию носителей к своей конечной цели - воде. Синтез АТФ осуществляется комплексом АТФ-азы с молекулярной структурой, очень напоминающей структуру митохондриальных мембран. В ходе этого исследования возник важный вопрос: каким образом энергия, освобожденная в ходе переноса электронов, «толкает» АТФ-азу к синтезу АТФ?

Поиски молекулярных механизмов опирались на теорию, согласно которой цепь реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-аза связаны между собой обладающими высокой энергией промежуточными продуктами, схожими с теми, что возникают в ходе реакций, где катализаторами служат растворимые ферменты. Митчелл специально не изучал митохондрии. Он занимался исследованием метаболического переноса, который осуществляется через цитоплазмовые мембраны бактерии. Эта тема увлекла его еще тогда, когда он был студентом в Кембридже. В 1958 г. Митчелл и его коллега Дженнифер Мойл пришли к выводу, что ферментативные реакции являются, как правило, векторными. Эти два ученых предположили далее, что направление таких реакций (хотя в растворе оно и остается непонятным), видимо, должно проясниться, когда ферменты включаются в мембрану. Фактически ферментативный комплекс может так твердо укрепиться в мембране, что «маршрут» реакции пересечет этот барьер, немедленно катализируя дислокацию химической группы. Они назвали этот процесс векторным метаболизмом.

В период между 1961 и 1966 гг. Митчелл сформулировал хемиосмотическую гипотезу (такое название ученый дал ей сам) - радикальное решение проблемы соединения энергии в механизмах окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Он предположил, что цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга носителей водорода и электронов. Эти носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что они переносят протоны (трипептиды) через мембрану. Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов для ионов водорода с электрически отрицательным внутренним межклеточным веществом и щелочной соотнесенностью с внешним межклеточным веществом. Протоны на внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное вещество. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с потоком электронов в батарее, и выполняет всю работу.

Согласно хемиосмотической гипотезе, существование химической взаимосвязи между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-азой невозможно. Этот вывод сделал выдвинутую Митчеллом теорию непопулярной среди многих биохимиков, причем некоторые из них подвергали сомнению обоснованность предположений ученого. Непрекращающийся скептицизм восприятия этой радикальной концепции и ведущиеся вокруг нее дискуссии убедили Митчелла в необходимости выступить в ее защиту, доказав истинность содержащихся в ней положений конкретными фактами. Получить такие данные было нелегко. Для этого надо было разработать новые методы исследования. В конце концов Митчелл и Мойл создали комплекс количественных и визуальных методов. Теперь с их помощью предстояло подвергнуть тщательной проверке заложенные в хемиосмотической гипотезе научные предвидения.

Исследовательская работа, стимулируемая дебатами в небольшом кружке биоэнергетиков, велась удивительно продуктивно как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Главный вопрос, который волновал ученых, заключался в том, соответствуют ли принципы хемиосмотической гипотезы и практические результаты, которые могут быть получены с ее помощью, принятым стандартам. К 1970 г. чаша весов склонилась в пользу созданной Митчеллом концепции, в ее поддержку выступил ряд ученых Великобритании, США и СССР.

В 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии «за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию хемиосмотической теории». Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Ларе Эрнстер обратил внимание на дискуссии, вызванные теорией Митчелла, отметив весомость представленных в ответ экспериментальных данных. В заключение он указал на ряд практических достоинств работы Митчелла: «Хлоропласты, митохондрию и бактерии можно рассматривать как естественным путем образующиеся солнечные и топливные элементы, и в этом своем качестве они могут служить моделью, а в будущем, вероятно, и «строительным материалом» для энергетической технологии».

С 1964 г. Митчелл возглавлял научно-исследовательскую работу в лабораториях Глинна в Корнуэлле. В 1958 г. он женится на Хелен Френч. У супругов три сына и дочь. Работал ученый очень много, однако выкраивал время и для участия в общественной жизни. Он боролся за сохранение природных ресурсов, восстанавливаел здания ферм периода средневековья.

Помимо Нобелевской премии, Митчелл был удостоен награды Льюисса и Берта Фридмана Нью-Йоркской академии наук (1976), награды Льюиса Розенстила за выдающуюся работу в области фундаментальных медицинских исследований Университета Брандейса (1977), медали Копли Лондонского королевского общества (1981) и почетной медали Афинского муниципального совета (1982). Он член Лондонского королевского общества, иностранный член американской Национальной академии наук и Королевского общества Эдинбурга. Ученому присвоены почетные степени Технического университета Берлина, университетов Чикаго, Восточной Англии, Ливерпуля, Бристоля, Эдинбурга и многих других.

Источник:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

МУР (Moore), Стэнфорд

4 сентября 1913 г. - 23 августа 1982 г.

Нобелевская премия по химии, 1972 г.

(совместно с Кристианом Анфинзеном и Уильямом Х. Стайном)

Американский биохимик Стэнфорд Мур родился в Чикаго (штат Иллинойс), в семье Джона Хоуарда Мура и Рут (Фаулер) Мур. Вскоре после рождения сына родители Мура переехали в Нашвилл (штат Теннесси), где его отец преподавал право в Вандербилтском университете. Мур вырос в семье, где царила атмосфера, располагающая к интеллектуальным занятиям, и рано проявил интерес к химии, а его учитель в средней школе способствовал развитию этого интереса. Поступив в 1931 г. в Вандербилтский университет, Мур колебался между химией и авиационной инженерией, однако после изучения молекулярной структуры под руководством Артура Ингерсолла остановил свой выбор на органической химии.

Получив в 1935 г. степень бакалавра искусств summa cum laude (с наивысшей похвалой. - Лат.), Мур был награжден стипендией Научно-исследовательского фонда Висконсин Алумни, благодаря которой он получил возможность продолжить учебу в Висконсинском университете. Здесь он написал работу под руководством Карла Пола Линка, который незадолго до этого работал в Европе вместе с Фрицем Преглем над микроаналитическими способами установления атомной структуры органических соединений. За диссертацию, посвященную характеристике углеводов и производных бензимидазола, Мур в 1938 г. получил докторскую степень.

Эта работа Мура была настолько значительной, что Линк рекомендовал молодого ученого немецкому химику Максу Бергману, незадолго до этого прибывшему в США, чтобы работать в Рокфеллеровском институте медицинских исследований (ныне Рокфеллеровский университет) в Нью-Йорке. Бергман, который в свое время проводил исследования в качестве помощника Эмиля Фишера, считался одним из наиболее выдающихся ученых в области химии белка. В то время мало что было известно о структуре этих чрезвычайно больших органических молекул. В соответствии с преобладавшей ранее точкой зрения, которая впервые была высказана Фишером в 1908 г., считалось, что белки состоят из аминокислотных нитей, связанных в полипептидные цепи. По приглашению Бергмана Мур стал в 1939 г. работать в Рокфеллеровском институте над методом определения аминокислотного состава белков. Одним из его коллег по работе над этой темой был американский биохимик Уильям Х. Стайн. Когда в 1941 г. США вступили во вторую мировую войну, Мур взял в Рокфеллеровском институте годичный отпуск и служил в качестве младшего офицера на административной работе в Управлении научных исследований и развития США. Позднее во время войны он был направлен в оперативный научно-исследовательский отдел вооруженных сил на Гавайских островах.

Когда в конце войны, в 1945 г., Мур вернулся из армии, Бергман умер, и будущее, ожидавшее ученого в Рокфеллеровском институте, казалось крайне неопределенным. Однако директор института Герберт С. Гассер предложил Муру и Стайну возобновить ранее начатую работу над количественным анализом аминокислот. Получив в свое распоряжение лабораторию, двое ученых приступили к исследованиям. В годы войны был достигнут определенный прогресс в разделении и очистке белков, в частности путем впервые примененного в области биохимии метода бумажной хроматографии (разделения сложных смесей путем перколяции через вещество-поглотитель) английскими учеными Арчером Мартином и Ричардом Сингом. Мартин и Синг обнаружили, что после расщепления полипептидной цепи на составляющие ее аминокислоты они могут отсортировать аминокислоты благодаря характерным скоростям, с которыми те продвигаются по специальной фильтровальной бумаге. В то же самое время английский химик Фредерик Сенгер стал применять метод бумажной хроматографии для выяснения вида аминокислот и их количественного соотношения в инсулине.

Несмотря на то что новое применение метода бумажной хроматографии открывало возможность получения полезных данных, Мур и Стайн занялись поисками метода разделения, который обеспечил бы большее количество информации о каждой из кислот. Они остановились на методе колоночной хроматографии, при которой анализируемый раствор пропускается через трубку, куда помещено вещество, поглощающее различные молекулы с разной скоростью. Таким образом, результаты анализа можно наблюдать в виде четких полос в адсорбирующей насадке колонны. Пропуская растворы аминокислот через колонны с насадкой картофельного крахмала, Мур и Стайн в 1948 г. впервые получили положительные результаты. Однако этот процесс занимал около двух недель, и ученые приступили к поискам более эффективного метода.

В начале 50-х гг. Мур и Стайн обратились к методу ионообменной хроматографии, при котором ионообменная смола отсортировывает ионы в соответствии с их электрическими зарядами и размерами. Этот метод не только позволил ускорить аналитический процесс, но и обеспечил более четкое разделение, чем метод колоночной хроматографии с использованием крахмала. Сочетая оба метода, Мур и Стайн осуществили анализ аминокислот, входящих в состав различных белков.

В 1950 г. Мур прервал эту работу и сначала провел 6 месяцев в Свободном университете Брюсселя, а затем еще 6 месяцев в Англии, работая с Сенгером в Кембриджском университете. После возвращения в Рокфеллеровский институт он, вновь в сотрудничестве со Стайном, обратился к изучению рибонуклеазы - фермента, или органического катализатора, который способствует расщеплению рибонуклеиновой кислоты. Еще в 30-е гг. американские химики Джеймс Б. Самнер и Джон Х. Нортроп пришли к заключению, что ферменты являются белками. Об их структуре тем не менее известно было очень мало. Мур и Стайн занялись установлением взаимосвязи между структурой и функцией рибонуклеазы.

Чикагская мясоупаковочная фирма «Армор инкорпорейшн» обеспечила Мур, Стайна и их коллег образцами для анализа, и они приступили к дальнейшей очистке бычьей рибонуклеазы методом ионообменной хроматографии. Они расщепили полипептидную цепь этого высокочистого препарата фермента на участки, разделили эти участки с помощью хроматографии и идентифицировали присутствовавшие в каждом из них аминокислоты. Процесс этот стал еще более эффективным, когда в 1958 г. Мур, Стайн и Даррел Спэкман разработали автоматический метод аминокислотного анализа, который впоследствии стал постоянно использоваться при исследованиях в области биохимии белков.

К 1960 г. эта группа ученых установила полную последовательность чередования аминокислот рибонуклеазы. Это была вторая из установленных белковых последовательностей и первая из последовательностей ферментов. Благодаря полученным ими результатам Муру и Стайну удалось определить местоположение и состав компонентов активного центра рибонуклеазы, который катализирует расщепление РНК. Проведя 1968 г. в качестве приглашенного профессора медицинских наук в медицинской школе Вандербилтского университета, Мур возвратился в Рокфеллеровский институт, где он и Стайн контролировали аналитические исследования дезоксирибонуклеазы - фермента, расщепляющего дезоксирибонуклеиновую кислоту.

В 1972 г. Муру и Стайну была присуждена половина Нобелевской премии по химии «за их вклад в прояснение связи между химической структурой и каталитическим действием активного центра молекулы рибонуклеазы». Вторая половина премии была присуждена Кристиану Анфинсену за работу, связанную с этой темой. Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Б.Г. Мальстрем подчеркнул, что понимание каталитического действия фермента зависит от установления местоположения его активного участка. «Благодаря этим исследованиям, - сказал он, Муру и Стайну удалось создать подробную картину активного участка рибонуклеазы задолго до того, как была установлена трехмерная структура этого фермента». В своей Нобелевской лекции Мур и Стайн заявили, что «об очень немногих макромолекулах можно говорить с такими подробностями, с какими могут быть описаны молекулы рибонуклеазы или гемоглобина. Такое знание взаимосвязи между структурой и функциями является основополагающим для рационального подхода к сложному синергизму живых систем».

После получения Нобелевской премии Мур продолжал заниматься исследованиями ферментов в Рокфеллеровском институте. Страдая амиотрофическим боковым склерозом - прогрессирующим заболеванием центральной нервной системы, ученый 23 августа 1982 г. покончил с собой в своем доме в Нью-Йорке в возрасте 68 лет.

Мур был человеком высокого роста. Он никогда не был женат, всего себя отдавал научно-исследовательской деятельности в области биологии, твердо веря в те преимущества, которые она несет. «Знание человеком человека, - говорил он в то время, когда ему была присуждена Нобелевская премия, - имеет даже более высокой приоритет в исследованиях, чем знание человеком Вселенной».

Помимо Нобелевской премии, Мур и Стайн получили награду за достижения в области хроматографии и электрофореза (1964) и медаль Теодора Уильяма Ричардса (1972) Американского химического общества. Мур был обладателем почетных степеней университетов Брюсселя и Парижа. Ученый являлся членом Американской ассоциации содействия развитию науки, американской Национальной академии наук, Американского химического общества, Американского общества биологической химии и Американской академии наук и искусств.

Источник:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

НОРТРОП (Northrop), Джон Ховард

5 июля 1891 г. - 27 мая 1987 г.

Нобелевская премия по химии, 1946 г.

(совместно с Уэнделлом М. Стэнли и Джеймсом Б. Самнером)

Американский биохимик Джон Ховард Нортроп родился в Йонкерсе (штат Нью-Йорк), в семье Алисы Белл (Рич) и Джона Исайи Нортропа, преподавателя зоологии Колумбийского университета. Незадолго до рождения Нортропа его отец погиб: в лаборатории, где он работал, произошел взрыв. Мать мальчика снова стала преподавать ботанику в Хантер-колледже в Нью-Йорке. Благодаря ее усилиям в учебную программу средних школ был включен новый предмет - изучение природы. В Нью-Йорке Нортроп окончил начальную и в 1908 г. среднюю школы.

Поступив в Колумбийский университет, будущий ученый уделял много времени изучению химии и совсем немного - биологии. В 1912 г. он получил степень бакалавра естественных наук и поступил в аспирантуру по химии. В годы учебы в аспирантуре Нортроп вошел в состав фехтовальной команды Колумбийского университета, которая в 1913 г. выиграла межуниверситетское соревнование. В том же году Нортроп стал магистром естественных наук и приступил к написанию докторской диссертации по химии, которую закончил в 1915 г. Летом этого же года, как раз накануне ее завершения, молодой биохимик работал старателем в Аризоне.

Получение стипендии Уильяма Бэйарда обеспечило Нортропу возможность поработать в течение года в Рокфеллеровском институте медицинских исследований (теперь Рокфеллеровский университет) у Жака Лоэба, после чего он был назначен сначала ассистентом, а затем, в 1917 г., - преподавателем. С 1920 по 1924 г. Нортроп прошел путь от младшего члена до члена институтской корпорации. В 1917 г., после вступления США в первую мировую войну, Нортроп служил капитаном в химических войсках американской армии. В это время он открыл процесс брожения, который стал использоваться в производстве ацетона - растворителя, широко применяемого в промышленных и научных целях.

Вернувшись после войны в Рокфеллеровский институт, К. возобновил начатую ранее работу по исследованию белков и изучению продолжительности жизни, которая подвела его к необходимости выяснения природы ферментов. В 1902 г. немецкий химик Эдуард Бухнер открыл группу белков. Это были энзимы, или ферменты. Они представляют собой катализаторы, способствующие осуществлению химических реакций, таких, например, как процесс переваривания пищи. Когда Нортроп приступил к изучению этих жизненно важных соединений, их химический состав был почти неизвестен. Хотя многие ученые и полагали, что ферменты имеют белковую природу, известный немецкий химик Рихард Вильштеттер безуспешно пытался получить их образцы в чистом виде и в результате пришел к заключению, что ферменты не похожи ни на одно из известных органических соединений.

Не согласившись с выводом Вильштеттера, Лоэб предположил, что ферменты обладают белковой природой и могут, следовательно, быть объяснены, исходя из законов химии. По предложению Лоэба Нортроп в 1920 г. предпринял попытку получить в чистом виде пепсин - фермент, регулирующий происходящий в желудке пищеварительный процесс. Однако его попытка не увенчалась успехом, и ученый, возобновив начатую с Лоэбом работу, доказал, что жизнь организма зависит от температуры: высокая температура ведет к сокращению ее продолжительности. Это открытие подтвердило его и Лоэба убеждение в том, что жизнь определяется химическими процессами.

В 1926 г., то самое время, когда Нортроп начал работать в лаборатории Рокфеллеровского института в Принстоне (штат Нью-Джерси), Джеймс Б. Самнер из медицинского колледжа Корнеллского университета опубликовал результаты своих исследований уреазы - фермента, участвующего в расщеплении мочевины. (Мочевина представляет собой отработанный продукт, который образуется в организме в результате белкового обмена.) Самнер, сообщая о том, что ему удалось выделить фермент в кристаллическом виде, высказал предположение о его белковом происхождении. Открытия Самнера подверглись нападкам со стороны многих ученых, но Нортропа они вдохновили на возобновление исследований пепсина, которые 4 года спустя увенчались выделением кристаллов вещества, по своим свойствам очень похожего на пепсин.

В 30-е гг. Нортроп и его коллеги, среди которых наиболее значительный вклад внес Мозес Кунитц, выделили трипсин, химотрипсин и несколько других ферментов. Их работа, экспериментально подтвердив теорию Самнера, положила начало интенсивному изучению ферментов. Следующий шаг в их исследовании был сделан в 1935 г. коллегой Нортропа по Рокфеллеровскому институту Уэнделлом М. Стэнли, который впервые получил кристаллы вируса табачной мозаики, нуклеопротеина. В 1939 г. Нортроп первым выделил бактериальный вирус, а в следуюшем году - дифтерийный антитоксин в кристаллическом виде. Во время второй мировой войны Нортроп работал консультантом и официально занимал должность исследователя в Научно-исследовательском комитете национальной обороны. В этот период он создал методы автоматического обнаружения химического оружия.

«За получение в чистом виде вирусных белков» Нортропу и Стэнли в 1946 г. была присуждена Нобелевская премия по химии совместно с Самнером. Ее вручил от имени Шведской королевской академии наук Арне Тиселиус. Обращаясь к Нортропу, Тиселиус сказал: «Вы и ваши сподвижники превратили кристаллизацию ферментов и других активных белков в искусство, и вы в нем - мастер». В своей Нобелевской лекции Нортроп говорил о том, что опыты, проведенные им и его коллегами - лауреатами, «подтверждают вывод, что источник активности ферментов лежит в самой молекуле белка, а не вызывается небелковыми примесями».

После получения Нобелевской премии Нортроп серьезно занялся изучением вирусов, уделяя особое внимание выяснению их природы и исследованию связей между ними. С 1949 по 1958 г. он, профессор Калифорнийского университета в Беркли, одновременно занимал должности профессора и биофизика в университетской лаборатории Доннера. В 1961 г. Нортроп был удостоен звания почетного профессора в отставке Рокфеллеровского института, а в 1962 - Калифорнийского университета в Беркли.

В 1917 г. Нортроп женился на Луизе Уокер. У них родились сын и дочь. Умер ученый в своем доме в Уикеберге (штат Аризона) 27 мая 1987 г. Он всегда много и с удовольствием занимался спортом, а иногда охотился и ходил на рыбную ловлю.

Среди многочисленных наград Нортропа - медаль Чарльза Фредерика Чендлера Колумбийского университета (1937), Почетный диплом правительства США (1948) и медаль Александра Гамильтона Колумбийского университета (1961). Ученый был членом американской Национальной академии наук, Американского философского общества и Американской академии наук и искусств, а также иностранным членом Британского химического общества, Королевского общества искусств и Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина».

Источник:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

ПЕРУЦ (Perutz), Макс Фердинанд

19 мая 1914 г. - 6 февраля 2002 г.

Нобелевская премия по химии, 1962 г.

(совместно с Джоном К. Кендрю)

Английский биохимик Макс Фердинанд Перуц родился в Австрии, в Вене. Он был одним из трех детей Адель (Голдсмит) Перуц и Хьюго Перуца. Родители Перуца, которые происходили из богатых семей текстильных фабрикантов, надеялись, что Макс будет изучать юриспруденцию и займется семейным бизнесом. Однако, когда Перуц учился в средней школе в Вене, у него возник интерес к химии. В 1932 г. он поступил в Венский университет на отделение неорганической химии, но скоро обнаружил, что этот предмет ему неинтересен, и перешел на отделение органической химии. Именно занимаясь органикой, Перуц впервые узнал об исследованиях в области рентгеновской кристаллографии, которые тогда проводились в Кембриджском университете. Окончив университетский курс в Вене в 1936 г., он переехал в Кембридж, чтобы работать у знаменитого физика Дж.Д. Бернала в Кавендишской лаборатории.

Метод рентгеновской кристаллографии берет начало в 1912 г., когда Макс фон Лауэ, пропуская пучок рентгеновских лучей через кристалл на фотографическую пластинку, получил картину затемненных пятен. Эта дифракционная картина - название, под которым она теперь известна, - оказывалась различной у разных видов кристаллов. Два года спустя У.Г. Брэгг и У.Л. Брэгг установили, что, поскольку рентгеновские лучи отклоняются атомами кристалла, с помощью математических методов можно обработать результаты дифракционной картины и установить атомную структуру анализируемого вещества.

Отец и сын Брэгги изучали довольно простые кристаллы, такие, как хлорид натрия (соль), которые состоят всего лишь из нескольких видов атомов. Бернала же интересовали значительно более сложные структуры белков, и он надеялся, что исследование с помощью дифракционной картины в конце концов позволит ему понять функцию конкретного белка. В 1937 г., изучив метод дифракции рентгеновских лучей у Бернала и физика Исидора Фанкюхена, Перуц приступил к исследованию гемоглобина - переносящего кислород глобулярного белка крови.

В 1938 г., вскоре после того, как Перуц начал работу над гемоглобином, Бернал ушел из Лондонского университета. Годом позже из-за аннексии Австрии нацистами Перуц лишился финансовой поддержки со стороны родителей. У.Л. Брэгг, который незадолго до этого начал работать в Кембриджском университете, помог ему получить субсидию Фонда Рокфеллера. Благодаря ей Перуц остался в университете в качестве ассистента-исследователя Брэгга и в 1940 г. получил докторскую степень. В следующем году Перуц был интернирован в Канаду как подданный враждебного государства. Тем не менее его интерес к кристаллическим свойствам ледников привел к тому, что в 1943 г. он был назначен сотрудником секретного проекта союзников, в рамках которого он под руководством лорда Льюиса Маунтбэттена исследовал возможности использования ледяных полей в качестве аэродромов. Этот проект, однако, никогда не был осуществлен.

После войны Перуц получил стипендию на проведение исследований от «Империал кемикл индастриз» и вернулся к изучению гемоглобина в Кавендишской лаборатории. Через два года, когда срок выплаты стипендии окончился, он был назначен руководителем группы молекулярной биологии в Кембриджском университете, созданной в 1947 г. Медицинским научно-исследовательским советом. Первоначально его единственным коллегой был Джон К. Кендрю, который тогда готовил докторскую диссертацию и занимался исследованием путем рентгеновского излучения миоглобина - вещества, запасающего кислород в мышцах животных и человека. Когда штат группы молекулярной биологии с приходом Фрэнсиса Крика в 1949 г. и Джеймса Д. Уотсона в 1951 г. увеличился, Перуц и его коллеги занялись поисками упорядоченности в структуре белковых молекул. Если бы они смогли установить, что такая упорядоченность действительно существует, стало бы возможным расшифровать структуру кристаллического белка, построив его модель методом проб и ошибок.

Эту проблему Перуц решил только в 1953 г., применив в качестве основного метода рентгеновскую кристаллографию, известную как метод изоморфного замещения. При этом методе атом тяжелого металла, такого, как ртуть, вводится в молекулу кристаллического белка присоединением его к конкретному атому. Атомы тяжелого металла вызывают большее отклонение рентгеновских лучей, и, следовательно, получается иная дифракционная картина. Сравнивая эти две картины, можно установить местоположение специфических атомов и, таким образом, извлечь важную информацию о структуре кристалла.

К 1956 г. Перуц получил полдюжины видов молекул гемоглобина, в каждой из которых атом тяжелого металла находится в разных местах. За четыре последующих года ученый собрал тысячи фотографических пластинок и обработал полученные на них результаты с помощью компьютеров, а в 1960 г. предложил модель трехмерной структуры гемоглобина. Результаты его исследований были опубликованы в феврале того же года в английском журнале «Nature» вместе с открытиями Кендрю, которые касались молекулы миоглобина.

В 1962 г. Перуцу и Кендрю была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования структуры глобулярных белков». «В результате вклада Перуца и Кендрю, - сказал Гуннар Хагг в своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук, - появляется возможность видеть принципы, лежащие в основе строения глобулярных белков». Это достижение, продолжал он, «означает большой шаг вперед в понимании жизненных процессов». В своей Нобелевской лекции Перуц подчеркнул, что «открытие заметного структурного изменения, которым сопровождается реакция гемоглобина с кислородом, дает основание предположить, что могут существовать другие ферменты, изменяющие свою структуру при присоединении своего субстрата, и это, возможно, представляет собой важный фактор в определенном ферментативном катализе».

После получения Нобелевской премии Перуц продолжал заниматься исследованием глобулярных белков. Усовершенствовав созданную им модель молекулы гемоглобина, он сумел показать, каким образом функционирует эта структура, перенося кислород в крови. Несмотря на то что Перуц ушел в отставку с поста руководителя лаборатории молекулярной биологии (бывшей группы молекулярной биологии) в 1979 г., он продолжает активно заниматься изучением гемоглобина.

В 1942 г. Перуц женился на Гизеле Кларе Пейзер, которая работала фотографом медицинской службы. У супругов родились сын и дочь. В свое время заядлый лыжник и альпинист, Перуц описывал свой интерес к ледникам «главным образом как предлог для работы в горах». Перуц, о котором отзывались как о человеке застенчивом и робком, среди своих коллег зарекомендовал себя чрезвычайно настойчивым исследователем.

Перуц служил консультантом в британском министерстве обороны, с 1963 по 1969 г. был председателем Европейской организации молекулярной биологии, а в 1974-1979 гг. - профессором физиологии Королевского института в Лондоне. Он награжден Королевской медалью (1971) и медалью Копли (1979) Лондонского королевского общества. Ученый - иностранный член Французской академии наук и американской Национальной академии наук. Ему присуждены почетные степени университетов Эдинбурга, Нориджа, Зальцбурга и Вены.

Источник:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

САМНЕР (Sumner), Джеймс Бетчеллер

19 ноября 1887 г. - 12 августа 1955 г.

Нобелевская премия по химии, 1946 г.

(совместно с Джоном Х. Нортропом и Уэнделлом М. Стэнли)

Американский биохимик Джеймс Бетчеллер Самнер родился в Кантоне (штат Массачусетс), неподалеку от Бостона, в семье Элизабет Рэнд (Келли) и Чарльза Самнера, преуспевающего фермера и хозяина хлопкопрядильной фабрики, чьи предки иммигрировали в Бостон в 1636 г. Окончив начальную школу, Самнер перешел в латинскую школу Роксбери, где быстро потерял интерес ко всем предметам, за исключением химии и физики. В результате несчастного случая на охоте он в 17-летнем возрасте лишился левой руки и, несмотря на то что от рождения был левшой, настолько хорошо научился владеть правой, что не только писал, но и играл в теннис, на бильярде, занимался стрельбой по тарелкам.

Задумав стать инженером-электриком, Самнер в 1906 г. поступил в Гарвардский университет, но вскоре увлекся химией и в 1910 г. получил степень бакалавра наук в этой области. Окончив университет, он занялся семейным бизнесом, работая по 10 часов в день на фабрике своего дяди - «Самнер ниттед пэддинг компани». Это была, как он позднее вспоминал, «Грязная и неинтересная работа», и через год Самнер с радостью принял предложение временно занять должность профессора химии в Эллисон-колледже в Саквилле (провинция Нью-Брансуик, Канада), хотя никогда не испытывал склонности к преподавательской деятельности.

К своему удивлению, Самнер обнаружил, что получает удовольствие от «книжной жизни», и после того, как закончился срок его договора в колледже, он в течение недолгого времени преподавал в Уорчестерском политехническом институте в Массачусетсе, а в 1912 г. вернулся в Гарвард, чтобы углубить знания по химии и физиологии. В медицинской школе Гарвардского университета он изучал биохимию у Отто Фолина, который с самого начала сделал все, чтобы убедить молодого химика, что физический недостаток не помешает ему сделать карьеру исследователя. Вскоре удивительная сноровка, которую проявил Самнер в практической лабораторной деятельности, произвела впечатление не только на Фолина, но и на всех остальных. В 1913 г. Самнер стал магистром естественных наук, а в 1914 получил докторскую степень, защитив диссертацию на тему об образовании мочевины в организме животного.

Окончив медицинскую школу Гарвардского университета, Самнер занял должность ассистент-профессора химии в медицинском колледже Корнеллского университета, который тогда находился в г. Итака (штат Нью-Йорк). В 1929 г. он стал там профессором. Честолюбивый исследователь, Самнер хотел «выяснить, что такое жизнь, что заставляет организмы расти, отчего вообще все вертится», объяснял он позднее. Поэтому он поставил перед собой задачу выделить и получить в чистом виде фермент, сделав, таким образом, свой первый шаг на пути определения химического состава этого важного и в то же время малопонятного биологического соединения.

Ферменты представляют собой органические катализаторы - вещества, которые вырабатываются живыми клетками и регулируют многие химические процессы, происходящие в живых организмах, такие, например, как способность переваривать пищу. В то время когда Самнер приступил к исследованиям, химия ферментов все еще оставалась тайной, хотя высказывалось немало предположений, что состоят они из белка. Даже великому немецкому химику Рихарду Вильштеттеру не удалось получить ферменты в чистом виде, и он пришел к заключению, что ферменты представляют собой не белки, а неизвестный еще науке класс соединений.

В ходе подготовки докторской диссертации Самнер уже проводил опыты с уреазой, растительным ферментом, который участвует в разложении мочевины. В 1916 г. была обнаружена высокая концентрация уреазы в канаваллии, тропическом растении, родиной которого является Южная Америка, и именно из бобов канаваллия Самнер попытался выделить фермент уреазу. Исходя из предположения, что это белковый фермент, он выделил весь белок, какой ему удалось обнаружить в больших количествах в цветках канаваллия, применяя для этого различные растворители, фильтры и методы осаждения.

После 9 лет безуспешной работы Самнер наконец выделил микроскопические кристаллы, которые представляли собой белок. Его открытие, опубликованное в 1926 г., было встречено скептицизмом и откровенными насмешками. Особенно критически отнесся к нему Вильштеттер со своими учениками, утверждая, что полученные Самнером кристаллы содержат всего лишь какое-то незначительное активное небелковое вещество. В течение последующих 4 лет Самнер защищал свою точку зрения в серии статей, где приводил дополнительные экспериментальные данные в пользу выдвинутой теории.

И только в 1930 г., после того как Самнер в течение года занимался изучением ферментов в Стокгольмском университете с Гансом фон Эйлер-Хельпином, его теория наконец-то получила поддержку со стороны американского биохимика Джона Х. Нортропа. Нортроп заявил, что сначала выделил в кристаллическом виде фермент пепсин, а 5 лет спустя - трипсин, панкреатический фермент. Эти факты помогли убедить биохимиков в белковой природе ферментов, хотя некоторые из них содержат также и небелковые вещества. К 1946 г. было выделено и определено около 30 ферментов.

«За открытие явления кристаллизации ферментов» Самнеру в 1946 г. была присуждена Нобелевская премия по химии, которую он разделил с Нортропом и Уэнделлом М. Стэнли. В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Арне Тиселиус заявил, что «полученные Самнером результаты свидетельствуют о проведенной им новаторской работе, которая впервые убедила исследователей в том, что ферменты представляют собой вещества, которые можно выделить в чистом виде в ощутимом количестве». Благодаря предпринятым Самнером усилиям, сказал Тиселиус, «заложена основа для более детального проникновения в химическую природу этих веществ, от которой в конечном счете должно зависеть понимание механизма реакций, происходящих в живых клетках».

«Немало людей говорило мне, что мое стремление выделить фермент - не что иное, как глупость, - вспоминал Самнер в своей Нобелевской лекции. - Но эти слова еще больше убеждали меня в том, что, если эта попытка может оказаться успешной, ее стоит предпринять». Знакомя с ходом изучения выделенного им фермента, Самнер указал на достижения, сделанные в этой области. «Благодаря относительно недавно проведенным исследованиям были прояснены механизмы практически всех сложных реакций, которые происходят при расщеплении гликогена на диоксид углерода и воду, - сказал он. - Более того, работа, проведенная [Карлом Ф. ] Кори и его коллегами, дала нам свидетельство того, что гормоны функционируют через свое воздействие на ферменты».

Через год после получения Нобелевской премии Самнер был назначен директором новой лаборатории химии ферментов Корнеллского университета, где продолжал свои исследования и нес большую преподавательскую нагрузку. В 1915 г. Самнер женился на Берте Луизе Рикеттс, с которой у них было пятеро детей и с которой он развелся в 1930 г. На следующий год он вступает в новый брак. Его избранницей становится Агнес Паулина Ландквист из Швеции. С ней Самнер разводится в 1943 г. В том же году он берет в жены Мэри Моррисон Вейер. У супругов родилось двое детей.

Не всегда терпеливый, очень требовательный преподаватель, Самнер заслужил уважение студентов тем, что не щадил себя в работе. «Главное, чему я старался научить студентов, - сказал он однажды, - это разбудить в них любопытство к окружающему миру, стремление познавать этот мир, руководствуясь одной путеводной звездой - истиной». Самнер, увлекавшийся теннисом, слыл отличным игроком. Страстный охотник до пеших походов, он также с удовольствием занимался фотографией, любил готовить, изучать иностранные языки. Вскоре после выхода в отставку из Корнеллского университета в 1955 г. Самнер заболел и умер от рака в Буффало (штат Нью-Йорк).

В числе большого количества наград, которых удостоился ученый, была медаль Шееле, присужденная Шведским химическим обществом (1937). Самнер состоял членом американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, а также Общества экспериментальной биологии и медицины.

Источник:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

СЕНГЕР (Sanger), Фредерик

13 августа 1918 г. - 1997 г.

Нобелевская премия по химии, 1958 г.

Нобелевская премия по химии, 1980 г.

(совместно с Полом Бергом и Уолтером Джилбертом)

Английский биохимик Фредерик Сенгер (Сангер) родился в Рендкомбе (графство Глостершир), в обеспеченной семье квакеров. Его мать, в девичестве Сесили Крусдом, была дочерью преуспевающего текстильного магната. Отец же (кстати, в его честь и был назван Сенгер) работал врачом. С 1932 по 1936 г. будущий ученый обучался в Брайанстонской школе в Блэндфорде (графство Дорсетшир), а в 1936 г. поступил в колледж св. Иоанна Кембриджского университета. Первоначально Сенгер планировал пойти по стопам отца и заняться медициной, но его заинтересовала биохимия.

В 1939 г. в Кембриджском университете Сенгер получил степень бакалавра естественных наук. В сентябре того же года разразилась вторая мировая война, но Сенгер, как квакер, был освобожден от воинской службы и оставлен в Кембридже в аспирантуре. Получив в 1943 г. докторскую степень, он вошел в исследовательскую группу, возглавляемую Э.Ч. Чибналлом, который как раз перед этим сменил Фредерика Гоуленда Хопкинса в должности профессора биохимии Кембриджского университета. В то время Чибналл занимался изучением химии белков.

В 1902 г. Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из аминокислот, связанных между собой пептидными связями. К началу 40-х гг. гипотеза Фишера была широко, хотя и не повсеместно признана. Когда более чем две аминокислоты связаны вместе, они образуют полипептидную цепь. Поскольку аминокислота может образовывать не более двух пептидных связей, Фишер предсказал, что белки должны состоять из линейных цепей аминокислот со свободной карбоксильной группой (состоящей из углерода, кислорода и водорода) - на другом. Чибналл предложил Сенгеру установить конечную группировку пептидной цепи химическим путем. Если бы это удалось сделать, то было бы установлено, что белки действительно состоят из линейных цепей аминокислот. Кроме того, это указывало бы и на то, входит ли в один белок более чем один вид пептидной цепи.

В 1945 г. Сенгер сообщил, что в мягких щелочных условиях определенный реагент (динитрофенол) может присоединяться к атому азота аминокислоты благодаря связи более сильной, чем пептидная. Следовательно, белок может быть расщеплен на составляющие его аминокислоты с разрушением пептидных связей, а аминокислоты можно установить с помощью хроматографии. Метод хроматографии, как раз перед этим усовершенствованный Арчером Мартином и Ричардом Сингом, позволяет разделять вещества на компоненты, исходя из характерной скорости, с которой они поглощаются специальным фильтром. Значительная часть исследований, проводимых в лаборатории Чибналла, была связана с инсулином, одним из немногих белков, доступных в то время в чистом виде и в больших количествах. Первоначальное изучение Сенгером инсулина показало, что он содержит две различные N-концевые аминокислоты. Следовательно, каждая молекула инсулина состоит их двух видов полипептидных цепей. Аминокислота цистеин содержит молекулу серы; две молекулы цистеина могут соединяться с образованием цистина, в котором имеется дисульфидный мостик либо между двумя полипептидными цепями, либо между различными участками одной цепи. В 1949 г. Сенгер сообщил, что он открыл способ разрушения этих дисульфидных мостиков и, следовательно, метод разделения двух цепей.

Сенгер и приехавший из Вены ученый Ганс Туппи разработали план установления последовательности чередования аминокислот в каждой полипептидной цепи инсулина. Разбив цепь на подсекции, эти двое ученых надеялись установить последовательность аминокислот в каждой подсекции и, исходя из этой информации, последовательность их чередования во всей полипептидной цепи. Несмотря на то что Сенгер первоначально использовал кислоту, чтобы разорвать полипептидную цепь, он вскоре обнаружил, что ферменты действуют гораздо более точно. Таким образом, Сенгер и Туппи сравнивали фрагменты цепи, полученные в результате применения различных ферментов, для понимания последовательности чередования аминокислот во всей цепи. Установить последовательность чередования для более длинной из двух инсулиновых цепей оказалось неожиданно легко, и эта работа была почти закончена к тому времени, когда Туппи в 1950 г. уехал из Кембриджа. Однако более короткая инсулиновая цепь не так легко поддавалась химическому анализу, и поэтому последовательность чередования в ней аминокислот была полностью установлена только в 1953 г. Сенгер продолжил работу по установлению местоположения дисульфидных мостиков между двумя цепями, и в 1955 г. представил законченную структуру молекулы инсулина. Это была первая белковая молекула, так подробно изученная.

Работа Сенгера имела важные последствия для биохимии и зарождающейся науки - молекулярной биологии. Результаты проведенных им исследований окончательно доказали, что белки состоят из аминокислот, соединенных в цепи пептидными связями. В начале XX в. многие химики полагали, что белки представляют собой смесь родственных соединений. Сенгер, однако, установил, что белок - это особое химическое вещество с уникальной структурой и что каждое место в цепи занято определенной аминокислотой. Он также доказал, что ферменты могут разрывать пептидные цепи в заранее установленных местах. Применение этого метода помогло биохимикам определить структуру многих других белков. В 1958 г. Сенгеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина». В своей Нобелевской лекции Сенгер подчеркнул большое практическое значение проведенной им работы. «Установление структуры инсулина, безусловно, открывает путь к исследованию других белков, - сказал он. - Можно также надеяться, что изучение белков поможет выявить изменения, которые происходят в организме во время болезни, и что наши усилия могут принести человечеству большую практическую пользу».

Еще до получения Нобелевской премии Сенгер занялся изучением генетики. Отчасти это произошло под влиянием дружбы ученого с Фрэнсисом Криком. Для Сенгера одним из наиболее поразительных фактов, касающихся последовательности чередования отдельных групп в инсулине, было явное отсутствие какого бы то ни было принципа уникального расположения аминокислот. А ведь от этого, казалось бы, случайного порядка зависела важная физиологическая деятельность. Сенгер не понимал, каким образом белок может соединяться именно в такой последовательности, однако было очевидно, что у этого порядка должны быть определенные истоки. В середине 50-х гг. Крик (который вместе с Джеймсом Д. Уотсоном первый описал структуру генетического вещества дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК) объяснил сделанные Сенгером открытия, прибегнув к «гипотезе последовательности», которая заключалась в том, что информацию, определяющую последовательность аминокислот в белке, несут гены. Позднее было установлено, что сами гены представляют собой последовательность звеньев, отдельные группы которых соответствуют определенной аминокислоте.

Нуклеиновые кислоты - ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) - это цепи связанных нуклеотидов. Нуклеотид состоит из молекулы сахара с фосфатным остатком и присоединенной к ним одной из четырех «основных» молекул. Нуклеотиды связаны вместе фосфатными группами и образуют полипептидные цепи. В структуре молекулы ДНК две параллельные цепи составляют конфигурацию винтовой лестницы. Пара оснований образует ступеньку этой лестницы, соединяясь между цепями особыми связями: аденин (А) с гуанином (Г), питозин (Ц) с тимином (Т). Код для аминокислот определяется последовательностью трех оснований. Процесс строительства белка начинается с того, что соответствующий участок молекулы ДНК, который включает полные указания для сбора соединения, «расстегивает молнию» для связи, соединяющей основания друг с другом. Свободные нуклеотиды (как попало плавающие в клетке) оказываются привязанными вдоль открытой для этого последовательности молекулы ДНК, образуя зеркально отображенную цепь, называемую матричной РНК (мРНК). Законченная цепь мРНК покидает ДНК (которая тогда снова «закрывает молнию») и продвигается к клеточным структурам, которые называются биросомами, где и будет собираться белок. Участки более короткой цепи формируются мРНК и затем движутся в сторону, с тем чтобы вобрать в себя соответствующие свободные нуклеотиды, которые они затем приносят обратно мРНК для включения в белковую структуру. Эти короткие цепи называются транспортными РНК (тРНК). К тому времени, когда Сенгер приступил к изучению нуклеиновых кислот, об этих процессах мало что было известно, а о нуклеотидовых последовательностях не было известно вообще ничего.

Последовательности ДНК и РНК представляют большие трудности для анализа, чем белковые последовательности, поскольку они длиннее. Типичная белковая цепь может содержать до пятидесяти аминокислот, а типичная мРНК содержит сотни нуклеотидов. ДНК даже крошечного вируса состоит из тысяч нуклеотидов. И тем не менее последовательности нуклеиновых кислот легче поддаются раскодированию, чем белковые последовательности, из-за их фундаментального различия: в то время как каждое место в белковой цепи может быть занято любой из 20 различных аминокислот, существует только 4 «претендента» на каждое место в последовательности ДНК - нуклеотиды, сокращенно называемых А, Т, Ц и Г (по названию их оснований).

В 1958 г. Роберт У. Холли предпринял попытку установить последовательность цепи тРНК. Несмотря на то что длина этих коротких цепей не превышает 100 нуклеотидов, эта работа из-за сложности установления последовательности затянулась до 1965 г. На Сенгера произвела глубокое впечатление работа Холли, но он искал более действенный метод установления последовательности, доступный для применения к цепям мРНК, длина которых нередко достигает нескольких сотен нуклеотидов. В начале 60-х гг. он и его коллеги разработали такую технологию. Применив ферменты, они разорвали цепи мРНК на более мелкие цепи и проследили последовательность в каждой из них отдельно. Затем на основании заключений о взаимоотношении между фрагментами была определена последовательность во всей цепи.

Такой подход, однако, требовал массы времени и терпения, и Сенгер решил разработать аналитический метод установления последовательности в ДНК. Он добился этого в 1973 г. Предложенная им процедура заключалась в том, что двойная цепь молекулы ДНК разбивалась на одинарные цепи (называемые стренгами), а затем полученный материал группировался в четыре образца. Каждый образец начинают восстанавливать до первоначальной последовательности двойной цепи, исходя из шаблона одинарной цепи. Однако исследователи останавливают процесс восстановления на разных нуклеотидах для каждого образца либо путем ограничения концентрации того или иного свободного нуклеотида, либо помещая в цепь определенный нуклеотид с таким химикатом, который предотвращает дальнейший синтез. В результате этого реконструированные цепи представляют собой образцы различной длины, но каждая заканчивается одинаковым нуклеотидом. Затем эти четыре образца одновременно пропускают через фильтрующий материал, называемый сверхтонким акриламидным гелем, который разделяет эти цепи в соответствии с их длиной, поскольку более короткие цепи проходят через гель быстрее. И тогда нуклеотидная последовательность первоначальной цепи ДНК может быть прочитана прямо с геля путем сравнения следов, оставленных образцами.