Наибольшее число экспериментальных работ по зарождению кристаллов принадлежит Г. Тамману.
Особо интересны его исследования способности кристаллизации вещества, которую он определяет почти постоянным числом центров кристаллизации, возникающим в единицу времени в единице объема при некоторой температуре переохлажденной жидкости.
Определение способности кристаллизации производилось следующим образом.
Помимо трех фазовых состояний вещества: газообразного, жидкого и твердого приходится считаться с существованием еще и межфазного состояния. В фазовой диаграмме (рис. 1) область межфазного состояния лежит выше критической точки К. В ней вещества характеризуются наименьшей термодинамической устойчивостью. Здесь ни при каком давлении не происходит конденсация пара в жидкость. В области пониженной устойчивости фазы существуют, но не могут сосуществовать. Примером если не теоретического, то практического межфазного состояния могут служить жидкие кристаллы.
Для изучения любого процесса, происходящего в клетках, субклеточных структурах (например, в митохондриях) или тканях, необходимо выделить компоненты, которые обеспечивают протекание химических реакций. Для этого следует разрушить клетки или клеточные органеллы физическими методами. Животные клетки разрушаются довольно легко, а бактериальные и растительные клетки — с трудом, так как они имеют прочную стенку.
Весь процесс выделения белков и изучения их современными методами можно представить следующей упрощенной схемой:
а) разрушение клеток или внутриклеточных структур;
б) выделение из клеток нужных органелл или частиц;
в) разделение компонентов органелл и их выделение, например белков;
г) изучение химических и физических свойств различными способами (хроматография, электрофорез, спектральные, радиоизотопные и другие методы).
В процессе обмена веществ благодаря своему поистине всеобъемлющему участию в жизненно важных процессах белок непрерывно расходуется. Следовательно, для обеспечения важнейших физиологических функций организма человека и животных, их жизнедеятельности необходимо доставлять белок с пищей. Белок является чрезвычайно важной и обязательной составной частью пищи. Для определения его роли в питании существенно также и то, что ни в функциональном отношении, ни как пластический материал белок не может быть заменен другими пищевыми веществами. В то же время белок может в довольно широких пределах замещать собой жиры и углеводы, т. е. идти на синтез этих соединений в организме.
Организм часто испытывает недостаток или дефицит белка. Эксперты Всемирной организации здравоохранения считают, что примерно половина населения земного шара находится в состоянии белкового голодания, а мировая нехватка пищевого белка составляет около 15 млн. т в год. Выраженная белковая недостаточность — явление обычное в слаборазвитых странах. Особенно широко распространена скрытая, т. е. еще не приводящая к болезни, так называемая субклиническая, белковая недостаточность. Она встречается во всех возрастных группах, но чаще всего наблюдается у детей в период грудного вскармливания и первые годы жизни. Заболевание детей вследствие белковой недостаточности получило название квашиоркора, что в переводе с одного из африканских языков означает «отнятый от груди». Причем на каждый случай заболевания приходится около ста случаев скрытой формы белковой недостаточности. Помимо детей, другой чрезвычайно уязвимой группой в отношении нарушений, вызываемых низким потреблением белка, являются беременные женщины и кормящие матери.
В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т. е. в мягких условиях. Вещества, котopыe окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном (изолированном от воздуха) виде, так и на воздухе в присутствии кислорода. Например, мясные и рыбные консервы, пастеризованное молоко, сахар, крупы не разлагаются при довольно длительном хранении. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов — ферментов.
Ферменты — это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов, играющие роль биологических катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в Петербурге К. С. Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды — глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. А практическое применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен. Это и сбраживание винограда, и закваска при приготовлении хлеба, и сыроварение, и многое другое.
Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.
Одной из важнейших функций белковых молекул является пластическая. Белки — незаменимый строительный материал. Все клеточные мембраны и мембраны субклеточных структур содержат белок, роль которого здесь многообразна. Количество белка в мембранах составляет более половины массы. Это различные по составу белки, которые могут быть разделены электрофорезом или другими методами. Белки мембран трудновыделимы потому, что при нейтральных значениях pH они нерастворимы в воде. Их молекулярные массы колеблются в пределах от 23 000 до 60 000. Из большого разнообразия структурных белков, кроме уже упомянутых мембранных, приведем несколько примеров, часть из которых, может быть, уже знакома читателю: а-кератины являются структурными компонентами кожи, перьев, копыт; коллаген входит в состав соединительной ткани и составляет основу сухожилий, хрящей; фиброин — обязательный компонент шелка; эластин входит в структуру эластичной соединительной ткани — связок. Но, пожалуй, самую большую группу структурных белков составляют ферменты с каталитической функцией. Их описанию и роли посвящен отдельный раздел.
В настоящее время из органов и тканей человека, животных, растений и микроорганизмов выделено много разнообразных белковых препаратов. Выделены также препараты белков из отдельных частей клетки (например, из ядер, рибосом и т. д.), из неклеточного вещества (сыворотки крови, белка куриного яйца). Полученные препараты имеют различные названия. Однако для систематического изучения белки необходимо распределить по группам т. е. классифицировать. Но это встречает определенные трудности. Если в органической химии вещества классифицируют на основании их химического строения, то в биологической химии строение большинства белков во всех деталях еще не изучено. Кроме того, классифицировать белки на основании только их химического строения очень сложно. Также невозможно дать достаточно обоснованную классификацию белков по их функциям в организме. Очень часто белки, близкие по строению, обладают совершенно различными биологическими функциями (например, гемоглобин и такие ферменты, как каталаза, пероксидаза и цитохромы).
Ученых, изучающих свойства белков, прежде всего интересовали вопросы: каковы размеры белковых молекул, какова их форма, молекулярная масса? Ответы на них получить было не просто. Определять относительную молекулярную массу по повышению температуры кипения белковых растворов, как это принято для других веществ, невозможно из-за того, что белки нельзя кипятить. Определение этого показателя по понижению температуры замерзания дает неточные результаты. К тому же белки никогда не встречаются в чистом виде. Они связаны с химическими соединениями других классов, в том числе и с солями, от которых трудно полностью избавиться. А присутствие солей значительно искажает результаты определения молекулярных масс традиционными методами. И все же методами, разработанными в конце прошлого века и в начале нашего столетия, было доказано, что молекулярная масса белков колеблется в больших пределах — от 14 000 до 45 000 и более. С такими необычными молекулами химики ранее не работали.
С накоплением сведений о структуре белка возник вопрос о том, как связаны между собой аминокислоты в макромолекуле. В разработке этой проблемы значительная роль принадлежит профессору Харьковского университета А. Я. Данилевскому, который предположил в 1888 г., что аминокислоты в белке связаны амидной связью:
В последние годы выделены сотни белковых веществ. У некоторых из них детально выяснена химическая структура. Оказалось, что, несмотря на разнообразие функций молекул, в структуре белков имеется много общего. Основной связью в молекуле белка является так называемая пептидная, т. е. связь, образованная а-кар-боксильными и а-аминогруппами разных (соседних) аминокислот (рис. 1). В зависимости от числа аминокислот, входящих в состав пептида, различают дипептиды (два остатка аминокислот), тетрапептиды (четыре остатка) и т. д. Полипептидами принято называть полимеры, состоящие из 20 или более остатков аминокислот. Впервые подтверждение того, что белковая молекула представляет собой полипептид, было сделано Э. Фишером. Он провел прямой синтез пептидов из отдельных аминокислот и назвал их полипептидами.