• Главная
• В избранное
• Наш E-MAIL
• Добавить материал
• Нашёл ошибку
• Вниз

Борьба с бактериальными заболеваниями в некотором отношении проще, чем с вирусными. В предыдущей главе мы уже говорили, что бактерии легче поддаются культивированию. Кроме того, они более уязвимы. Бактерии существуют вне клеток «хозяина» и оказывают свое вредоносное действие, либо конкурируя с ними в пище, либо выделяя токсины. Однако их обмен веществ, как правило, отличается от обмена веществ клеток «хозяина». Поэтому у нас всегда есть возможность воздействовать на бактерии теми химическими веществами, которые нарушат их обмен веществ, не влияя сколько-нибудь существенно на клеточный обмен веществ.

Использование химических лекарственных средств для борьбы с болезнями восходит к доисторическим временам. Лечение травами и отварами приносит порой положительные результаты и в наши дни. Опыт приготовления таких лекарств лекари-«травники» передавали из поколения в поколение. Например, хинин применялся сначала как народное средство против малярийного паразита, а позже его взяли на вооружение профессиональные медики.

Появление синтетических препаратов дало возможность подбирать для каждой болезни специфическое лекарственное вещество. Пионером в этой области был Эрлих — он называл такие лекарства «волшебными пулями», отыскивающими и убивающими микроба, не принося никакого вреда клеткам тела больного.

Эрлих работал с красителями бактерий. Зная, что эти краски вступают в специфические соединения с определенными составными частями бактериальных клеток, ученый попытался установить, нельзя ли ими разрушить рабочий механизм бактерий. Ему и в самом деле удалось найти краситель — трипановый красный, который разрушал трипаносом, — правда, они относятся к простейшим, а не к бактериям, но это не меняет дела.

Однако Эрлих на этом не остановился. Он справедливо рассудил, что действие трипанового красного обусловлено сочетаниями атомов азота, входящих в состав красителя. Атомы мышьяка по своим химическим свойствам сходны с атомами азота, но в соединениях более ядовиты. И Эрлих стал испытывать — одно за другим — все мышьяксодержащие органические вещества, которые в то время можно было достать или синтезировать.

В 1909 г. один из его помощников обнаружил, что соединение, известное в лаборатории под № 606, будучи не очень эффективным против трипаносом, дало превосходные результаты на возбудителе сифилиса. Эрлих назвал это лекарство сальварсаном и посвятил остаток своей жизни улучшению метода его использования для лечения сифилиса.

С получения трипанового красного и сальварсана ведет свое начало современная химиотерапия, то есть лечение химическими препаратами (термин предложен Эрлихом). Ученые возлагали большие надежды на то, что и другие заболевания удастся лечить аналогичным способом. К сожалению, в течение 25 лет после обнаружения эффективного действия сальварсана исследователям не удалось извлечь ничего полезного из огромного списка синтетических органических веществ.

Но прошло время, и судьба вновь улыбнулась медикам. Немецкий биохимик и врач Герхардт Домагк (род. в 1895 г.), работавший по заданию фирмы по производству красителей, начал систематически испытывать новые красители в надежде использовать некоторые из них в медицине. Одним из вновь созданных препаратов был пронтозил. В 1932 г. Домагк обнаружил, что инъекция этого красителя оказывает сильнейшее действие на стрептококковую инфекцию у белых мышей.

Вскоре ему пришлось проверить этот препарат на собственной дочери, которая, уколовшись иглой, внесла в организм стрептококковую инфекцию. Никакое лечение не помогало, и Домагк в отчаянии ввел ей большую дозу пронтозила. Больная быстро пошла на поправку, и в 1935 г. мир узнал о новом лекарстве.

Незадолго до этого группа французских бактериологов установила, что антибактериальное действие пронтозила связано с наличием в его молекуле остатка сульфаниламида (соединения, известного химикам еще с 1908 г.). Использование пронтозила и других сульфаниламидных препаратов ознаменовало целую плеяду «чудесных лекарств». Множество инфекционных болезней, особенно некоторые разновидности пневмонии, перестали угрожать жизни человека.

Ученые долго не могли найти лекарственных веществ для борьбы с туберкулезными бациллами. И только в 1952 г. немецким и американским исследователям удалось обнаружить, что гидразид изоникотиновой кислоты (тубазид) удивительно эффективно излечивает от туберкулеза. С тех пор тубазид и его производные стали повсеместно применяться в борьбе с туберкулезом.

И все же крупнейшие достижения химиотерапии связаны не с синтетическими лекарствами типа сальварсана и сульфаниламида, а с природными веществами. Американский микробиолог Рене Жюль Дюбо (род. в 1901 г.) на протяжении многих лет изучал почвенные микроорганизмы. Как известно, в почву попадают трупы животных, пораженных различными заболеваниями, но, за очень редким исключением, сама почва не является источником инфекций. Это, очевидно, объясняется тем, что в ней существуют какие-то антимикробные агенты. (Такие агенты впоследствии получили название антибиотиков, что означает «против жизни».)

В 1939 г. Дюбо выделил из почвенных бактерий кристаллическое вещество тиротрицин, состоящее из двух антибиотиков, впоследствии названных грамицидином и тироцидином. Хотя сам по себе тиротрицин не был очень эффективным агентом, он возродил интерес ученых к открытию, сделанному десятью годами раньше шотландским бактериологом Александером Флемингом (1881–1955).

Работая с культурой стафилококка, Флеминг случайно оставил ее на несколько дней открытой. Он уже совсем собирался ее выбросить, когда заметил, что туда попали споры плесени и вокруг каждой плесневой колонии стафилококковые бактерии отсутствуют.

Флеминг выделил эту плесень и отнес ее к виду Penicillium notatum, близкому к обычной плесени, которая часто появляется на черством хлебе. Ученый пришел к выводу, что плесень выделяет какое-то вещество, угнетающее рост бактерий, и назвал это вещество пенициллином. На основе тщательного изучения он показал, что пенициллин воздействует на одни бактерии и не влияет на другие, абсолютно безвреден для лейкоцитов и, по-видимому, для других клеток человеческого организма. Дальше этих выводов Флеминг не пошел^[6].

Открытие Дюбо возродило интерес к антибиотикам, одним из представителей которых был пенициллин. Кроме того, начавшаяся вторая мировая война настоятельно требовала эффективных средств для борьбы с раневыми инфекциями. Именно поэтому английский патолог Говард Уолтер Флори (род. в 1898 г.) совместно с английским биохимиком Эрнстом Чейном (род. в 1906 г.) пытался разрешить проблему выделения пенициллина, определить его структуру и найти промышленные способы его получения. К концу войны оба эти ученые возглавили большую группу исследователей и добились блестящих успехов. Пенициллин стал и посейчас остается самым популярным лекарством в борьбе с инфекционными заболеваниями.

Послевоенные исследования привели к открытию и других антибиотиков. Так, американский бактериолог Соломон Ваксман (род. в 1888 г.), которому принадлежит термин «антибиотик», столь же систематически исследовал почвенные микробы, как в свое время Эрлих — синтетические вещества. В 1943 г. ему удалось выделить антибиотик, оказавшийся эффективным против тех бактерий, на которые не действовал пенициллин. Через два года этот антибиотик поступил в широкую продажу под названием стрептомицина.

В начале 50-х годов были открыты антибиотики широкого спектра действия (то есть подавляющие развитие многих видов бактерий), группа тетрациклинов — ауреомицин, террамицин, тетрациклин.

С появлением антибиотиков борьба против бактериальных заболеваний достигла таких успехов, которые каких-нибудь два-три десятилетия назад казались невероятными. А между тем будущее не сулит радужных перспектив. В результате естественного отбора выживают только те штаммы бактерий, которые имеют естественную устойчивость к антибиотикам. Поэтому со временем отдельные антибиотики теряют свою эффективность. Несомненно, в дальнейшем будут открыты новые антибиотики, однако о полной победе пока говорить не приходится, да, возможно, ее и не будет.

Химиотерапевтические средства, как правило, не действуют на вирусы. Последние размножаются внутри живой клетки; чтобы уничтожить их химическим воздействием, придется уничтожить саму клетку. Однако успеха можно добиться, уничтожая многоклеточных живых существ — носителей патогенного для человека вируса.

Так, вирус сыпного тифа переносит платяная вошь, от которой гораздо труднее избавиться, чем, скажем, от свободно живущего комара. Тиф — чрезвычайно опасная болезнь: на фронтах первой мировой войны от эпидемии сыпного тифа нередко гибло больше солдат, чем от вражеской артиллерии.

1935 г. швейцарский химик Пауль Мюллер (род. в 1899 г.) приступил к поискам органических соединений, способных быстро уничтожать насекомых, не угрожая жизни других животных. В сентябре 1939 г. он окончательно установил, что для этой цели лучше всего подходит 4,4-дихлордифенилтрихлорэтан (сокращенно ДДТ), впервые синтезированный в 1874 г. В 1942 г. началось промышленное производство ДДТ, а уже через год этот препарат использовали во время эпидемии сыпного тифа в Неаполе (эпидемия вспыхнула вскоре после оккупации города англо-американскими войсками). В результате применения нового препарата насекомые погибли, и впервые в истории эпидемия тифа была быстро ликвидирована. Аналогичная картина наблюдалась в конце 1945 г. в Японии.

После второй мировой войны ДДТ и другие органические инсектициды стали применяться не только с целью предотвращения эпидемий, но и для спасения урожая от насекомых. Вскоре вещества, уничтожающие сорняки и насекомых, были объединены в группу пестицидов. Следует, однако, отметить, что, по мере того как у насекомых вырабатывается устойчивость к химическим препаратам, пестициды теряют свою эффективность. Более того, в результате беспорядочного использования пестицидов уничтожаются огромные количества безвредных для человека организмов и тем самым нарушается равновесие в природе. Следовательно, излишнее увлечение пестицидами может принести больше вреда, чем пользы.

Это весьма серьезная проблема. Учение о взаимосвязи живых организмов с окружающей средой и друг с другом (экология) является областью биологии, где слишком много нерешенных проблем. В погоне за кратковременной выгодой человечество меняет окружающую среду, но кто знает, возможно, даже незначительные на первый взгляд изменения в конечном итоге приведут к необратимым потерям.

Различные химические агенты, действуя на насекомых, сорняки и микробы, нарушают их обмен веществ, иными словами, осуществляют в организме «диверсию» в отношении его химических механизмов. Поиски таких агентов становятся все более эффективными, по мере того как проясняется вопрос о характере процесса обмена веществ.

В этом отношении нельзя пройти мимо заслуг английского биохимика Артура Хардена (1865–1940), который занимался ферментами дрожжевой вытяжки (напомним: Бухнеру удалось доказать, что эта вытяжка не менее активно расщепляет сахара, чем сами дрожжевые клетки). Еще в начале нынешнего столетия (1905) Харден обратил внимание, что дрожжевой экстракт вызывает бурный распад сахара и выделение углекислоты, причем активность процесса со временем снижается. На первый взгляд могло показаться, что эта реакция связана с истощением ферментов в экстракте, но добавлением в раствор небольшого количества фосфата натрия (простое неорганическое соединение) Хардену удалось активизировать действие фермента.

Концентрация неорганического фосфата в процессе ферментативной реакции падает, поэтому Харден стал искать в растворе какое-нибудь органическое соединение фосфора, возникающее, как он полагал, из неорганического фосфата. Им оказалась молекула сахара с двумя присоединившимися фосфатными группами. Открытие Хардена положило начало изучению промежуточного обмена веществ, поискам многочисленных (иногда очень кратковременных) соединений, которые образуются в процессе химических реакций в тканях организма.

Попробуем вкратце рассказать об основных направлениях этих поисков. Немецкий биохимик Отто Фриц Мейергоф (1884–1951) в опытах, которые он проводил после окончания первой мировой войны, обнаружил, что мышечное сокращение приводит к исчезновению гликогена (разновидность крахмала) и появлению определенного количества молочной кислоты. Характерно, что этот процесс происходит без поглощения кислорода. Во время отдыха мышцы часть молочной кислоты окисляется (при этом для покрытия «кислородной задолженности» поглощается молекулярный кислород), а возникающая таким образом энергия дает возможность большей части молочной кислоты вновь превратиться в гликоген. К аналогичному выводу пришел английский физиолог Арчибалд Вивьен Хилл (род. в 1886 г.), проводя опыты по определению количества тепла, образующегося в момент сокращения мышцы.

В 30-е годы американский биохимик Карл Фердинанд Кори (род. 1896 г.) и его жена Герти Тереза Кори (1896–1957) тщательно изучили детали превращения гликогена в молочную кислоту. Выделив из мышечной ткани неизвестное до того времени соединение — глюкозо-1-фосфат (которое теперь называется эфиром Кори), они показали, что это первый продукт распада гликогена. Супруги Кори проследили превращение глюкозо-1-фосфата в серию промежуточных продуктов и установили место каждого в цепи распада. Оказалось, что одним из промежуточных продуктов и является тот самый фосфат сахара, на который впервые указывал Харден несколько десятилетий назад.

Тот факт, что Харден и Кори в поисках продуктов промежуточного обмена натолкнулись на фосфатсодержащие органические соединения, имеет большое значение. Тем самым была установлена важная роль фосфатной группы во многих механизмах биохимических процессов. Американский биохимик Фриц Альберт Липман (род. в 1899 г.) дал объяснение этому явлению. По его мнению, фосфатная группа может занимать в молекуле одно из двух положений — с низкой энергией и с высокой. Энергия, высвобождаемая при распаде молекул крахмала или жира, используется для превращения низкоэнергетических фосфатов в высокоэнергетические. Так происходит сохранение энергии в удобной организму химической форме. Распад высокоэнергетических фосфатов высвобождает количество энергии, достаточное для осуществления различных химических превращений, идущих с поглощением энергии^[7].

Те же стадии распада гликогена, которые наступают после расщепления молочной кислоты и происходят с участием кислорода, можно изучать с помощью метода, разработанного и примененного в 1923 г. немецким биохимиком Отто Гейнрихом Варбургом (род. в 1883 г.). Метод Варбурга позволяет измерять потребление кислорода тонкими срезами живых тканей. Опыты проводят следующим образом: на донышко тонкой U-образной трубки, к которой прикреплена маленькая колба, наливают окрашенный раствор. Углекислота, выделяемая тканями, поглощается щелочным раствором в колбе. Поскольку поглощение кислорода тканями происходит без замещения углекислотой, в колбе создается частичный вакуум и жидкость в U-образной трубке всасывается вверх, по направлению к колбе. Скорость потребления кислорода определяется темпом изменения уровня жидкости, измеряемым в строго контролируемых условиях.

Метод Варбурга позволил изучить влияние различных соединений на потребление кислорода. Соединение, восстанавливающее уровень жидкости после его падения, можно считать промежуточным продуктом в серии реакций, связанных с потреблением кислорода. В этой области большая заслуга принадлежит венгерскому биохимику Альберту Сент-Дьердю (род. в 1893 г.) и английскому биохимику Гансу Адольфу Кребсу (род. в 1900 г.). К 1940 г. Кребс выявил все основные этапы превращения молочной кислоты до углекислоты и воды; последовательность этих реакций часто называют циклом Кребса. Еще раньше Кребс изучал основные стадии образования продукта выделения — мочевины — из входящих в состав белков аминокислот. Он установил, что при этом происходит отщепление азота и остатки молекул аминокислот распадаются, выделяя нужную энергию. Тем самым Кребс подтвердил справедливость гипотезы Рубнера, выдвинутой почти за 50 лет до него.

Изучение внутреннего химизма клеток позволило ученым расширить представления о тонкой структуре клетки. В начале 30-х годов появился первый электронный микроскоп. Его отличие от обычного, светового микроскопа заключается в том, что вместо световых лучей в нем используются электронные. Это во много раз увеличивает его разрешающую способность. Американский физик Владимир Зворыкин (род. в 1889 г.) усовершенствовал электронный микроскоп, приспособив его для нужд цитологии. Стали видны частицы, не превышающие по размеру крупных молекул. Было обнаружено, что протоплазма клетки — это комплекс мелких высокоорганизованных структур, получивших название органелл, или частиц.

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

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

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

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

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

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

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

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

Примечания:

6

Русские ученые первые отметили лечебные свойства зеленой плесени. Вячеслав Авксентьевич Манассеин в 1871 г. наблюдал в эксперименте антагонизм зеленой плесени и бактерий; Алексей Герасимович Полотебнов в 1872 г. использовал это явление на практике, применяя для лечения гнойных ран и сифилитических язв повязки с зеленой плесенью или ее спорами в миндальном масле. — Прим. ред.

7

Советские ученые Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова в 1939 г. доказали, что миозин, составляющий основу сократительного вещества мышцы, осуществляет химическую реакцию, доставляющую энергию для мышечного сокращения. Это открытие легло в основу одного из важнейших положений общей биохимии — о трансформировании энергии окислительных процессов в химическую энергию фосфорных соединений, в первую очередь аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), и превращении в живой клетке химической энергии в механическую. Энгельгардт в 1932 г. впервые указал на роль процессов фосфорилирования для накопления легко мобилизуемых запасов энергии в организме. — Прим. ред.