ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Особенности ферментативного катализа и его отличие от неферментативного катализа из "Кинетика ферментативного катализа" В теории гетерогенного катализа постулируется наличие на поверхности катализатора особых участков — активных центров, на которых происходит активация реагирующих молекул и их взаимодействие с образованием продуктов реакций и освобождением активных центров для следующих взаимодействий. [c.25] Механизмы гомогенно-каталитических реакций состоят в общем случае в образовании промежуточных соединений катализатора с реагентом, обладающих более высокой реакционноспособностью, и последующей регенерации катализатора для новых реакций. [c.25] Ферменты проявляют обычно свое каталитическое действие в водных растворах и, следовательно, по этому признаку могут быть отнесены к гомогенным катализаторам. Однако при более тщательном рассмотрении вопроса такое заключение оказывается не вполне точным. Дело в том, что ферменты — это белки с весьма большим молекулярным весом — от десятков до сотен тысяч и, следовательно, при обсуждении свойств многих из них мы вправе говорить о существовании в растворе ферментов поверхности (микроповерхности) раздела, характерной для гетерогенных катализаторов. Более того, каталитическая активность ферментов, как и гетерогенных катализаторов, определяется наличием на их поверхности особых участков ограниченного размера — активных центров, обладающих специфической реакционноспособностью. Многие ферменты, например ферменты переноса электронов в окислительновосстановительных реакциях, ферменты, участвующие в биосинтезе белка, и некоторые другие ферменты функционируют, будучи вмонтированными в сравнительно жесткие структурные компоненты клетки, обладающие макроповерхностью раздела (митохондрии, рибосомы и т. п.). [c.26] Таким образом, ферменты характеризуются признаками как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Вместе с тем они обладают рядом особых свойств, отличающих их от катализаторов небиологической природы. Главные отличия ферментов состоят в исключительно высокой каталитической активности и ярко выраженной специфичности действия на строго определенные субстраты. Причины этого лежат в особенностях строения и механизма действия ферментов. [c.26] Ферменты, как и любые другие катализаторы, ускоряют такие реакции, самопроизвольное протекание которых термодинамически возможно, т. е. реакций с уменьшением свободной энергии. Как известно, скорость реакции зависит от величины энергетического барьера (энергии активации), который должен быть преодолен реагирующими веществами. Для успешного взаимодействия реагирующим молекулам должно быть сообщено какое-то количество кинетической энергии, равное или превышающее энергию активации. Однако оказывается, что для осуществления реакции этого еще недостаточно — необходимо удачное соударение молекул строго определенным образом. Вероятность такого удачного соударения определяется энтропией активации реагирующих молекул. Из этого следует, что в принципе скорость термодинамически возможной реакции (константа скорости к) может быть повышена путем воздействия на величину энергии активации Е, а также на величину предэкспонента Р2, связанного с энтропией активации (стр. 132). [c.26] Ферменты, как и катализаторы вообще, влияют как на энергию, так и на энтропию активации. Однако в случае ферментов, как правило, достигается относительно большее снижение энергии активации, и увеличение энтропийного фактора. [c.27] В табл. 1 в качестве примеров даны энергии активации для двух химических реакций, относящихся к разным типам,— окислительно-восстановительной реакции разложения перекиси водорода и гидролиза ацетилхолина, а также сопоставлены величины энергии активации при действии различных небиологических катализаторов и ферментов. [c.27] Приведенные данные показывают, что если катализаторы небиологической природы дают снижение энергии активации на 4— 7 ккал, то ферментативный катализ характеризуется выигрышем энергии активации в 16—18 ккал. При прочих равных условиях это дает огромное возрастание скорости реакции при действии ферментов. [c.27] Среди ферментативных реакций, характеризующихся очень высокой скоростью, встречаются нередко такие, энергия активации которых достаточно велика и не столь сильно отличается от энергии активации аналогичных неферментативных реакций. Примеры таких реакций приведены в монографиях К. Лейдлера [1] и С. Е. Брес-лера [3]. [c.28] Кинетические исследования показывают, что в подобных реакциях весьма значителен вклад энтропийного фактора в увеличение скорости процесса. Здесь, однако, нужно сказать, что при вычислении энтропийного фактора (или энтропии активации) ферментативной реакции встречаются еще большие трудности, чем при расчете энергии активации. Если энергия активации может быть вычислена из зависимости скорости реакции от температуры по уравнению Аррениуса, то для расчета А5 или Р необходимо знать истинные значения констант скоростей, что для ферментативных реакций не всегда доступно. Поэтому надежных расчетов энтропии активации ферментативных реакций не так много. [c.28] Характерным примером подробно изученной реакции, в которой отчетливо выступает роль энтропийного фактора, является гидролиз аденозинтрифосфата [1]. [c.28] При каталитическом действии ионов водорода энергия активации реакции составляет 21,2 ккал моль, энтропия активации — 17,4 энтр. ед. Реакция, катализируемая ОН -ионами, характеризуется энергией активации 29 ккал моль и энтропией +395нтр. ед. Ферментативный гидролиз аденозинтрифосфата под действием миозина был изучен при различных условиях (pH, солевая среда и т. д.). При этом было установлено, что для суммарной реакции энергия активации составляет от 10 до 25 ккал моль (в зависимости от условий). Для значения Е 12,4 ккал моль, найденного в работе Лейдлера и соавторов [1], вычисленная величина А5 составляет—8 знтр.ед. Исследование температурной зависимости образования первичного комплекса фермента с аденозинтрифосфатом — процесса, определяющего каталитический эффект,— показало, что при этом энергия активации равна 21,2 ккал моль, а энтропия активации составляет - -44 энтр. ед. Таким образом, даже при наличии высокого энергетического барьера скорость реакции существенно возрастает за счет благоприятного энтропийного фактора. [c.28] Подобного рода значительное влияние энтропийного фактора на скорость процесса выявляется также и в некоторых реакциях на активных центрах гетерогенных катализаторов. Так, например, разложение муравьиной кислоты на таких катализаторах, как стекло, золото, серебро, платина и родий (при 200°), характеризуется в общем близкими величинами энергии активации (около 25 ккал моль). [c.28] По-видимому, крайне редки случаи, когда эффективность ферментов определяется лишь одним фактором (т. е. снижением энергии активации или увеличением энтропийного фактора). Обычно в ферментативном катализе эффективно действуют оба фактора. Вопрос состоит в том, почему их действие более выражено для ферментов по сравнению с небиологическими катализаторами. Причины этого лежат в особенностях строения и механизма действия ферментов. [c.29] Характерной особенностью ферментативного катализа является его мультиплетность, или полифункциональность, т. е. одновременное участие в реакции нескольких — обычно более трех группировок активного центра и, соответственно, субстратов. [c.29] Согласованность каталитического действия всех необходимых групп активного центра достигается в ферментах благодаря упорядоченному их расположению в белковой молекуле, строго комплементарному структуре субстрата. Уже один факт упорядоченной локализации, например трех каталитически активных групп при участии в реакции двух субстратов должен дать, по подсчетам Кош-ланда [5], увеличение скорости реакции в 10 раз по сравнению с неупорядоченным расположением тех же групп. Наблюдаемое реально увеличение скорости реакции при действии ферментов в среднем составляет 10 . Это отражает тот факт, что, помимо факторов, влияющих на вероятность соударения, имеют значение энергетические факторы. [c.29] Полифункциональность ферментативного катализа объясняет, как нам представляется, значительный выигрыш и в энергии активации. Наличие в активном центре фермента и на определенном расстоянии друг от друга группировок, характеризующихся электрон-нодонорными и электронноакцепторными свойствами, приводит к тому, что при взаимодействии с соответствующими группировками субстратов образуются стабилизированные комплексы, и каталитическая реакция происходит внутримолекулярно, нередко по пуш-пульному механизму. Естественно, такие реакции требуют значительно меньшей энергии активации. В этом отношении механизмы действия ферментов в какой-то мере сходны с механизмами действия так называемых комплексных (координационно-ионных) катализаторов, приобретающих в последние годы важное значение в теории и практике гомогенного катализа. [c.29] Комплементарность структуры активного центра фермента структуре субстрата лежит, следовательно, в основе как высокой активности, так и отчетливой субстратной специфичности ферментов. [c.30] До недавнего времени эта комплементарность рассматривалась в рамках представлений Фишера о ключе и замке , т. е. как заранее данное и неизменное свойство фермента и субстрата. [c.30] В 1958 г. Кошланд [6, 7] сформулировал теорию принудительной комплементарности, согласно которой необходимый контакт функциональных групп субстрата с активным центром фермента возникает в ходе самого взаимодействия по мере образования фермент-субстратного комплекса. При этом, очевидно, происходит перестройка структуры активного центра фермента. [c.30] Вернуться к основной статье