Сравнение химического и ферментативного катализа

Как и неорганические катализаторы, ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малыми скоростями. В то же время ферментативный катализ значительно отличается от неферментативного. Одной из основных особенностей ферментов по сравнению с неоргйническими катализаторами йвляется их способность действовать в мягких условиях, т. е. при достаточно низких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Каталитическая активность ферментов при этом черзвычайно высока. Например, ионы железа каталитически ускоряют реакцию разложения перекиси водорода, а атомы того же железа в составе фермента каталазы проводят ту же реакцию в 10 млрд. раз быстрее. Вторая особенность ферментов заключается в строгой специфичности их действия и проявляется в способности ферментов реагировать лишь с определенным химическим соединением, классом соединений или действовать на определенную химическую связь. [c.52]

Сравнение химического и ферментативного катализа [c.26]

Понижение энтропийной части происходит в результате фиксации субстрата на ферменте в конфигурации активных групп, обладающей и более низкой энтропией по сравнению со свободным сочетанием реагентов. Следовательно, в таком комплексе, исходно близком к переходному состоянию, уменьшение энтропии при образовании самого переходного состояния не должно быть уже столь большим по абсолютной величине, как в случае свободных реагентов. Значит, роль энтропийного фактора (е / <С 1) в (XIV.1.1), (XIV.1.2), снижающего скорость реакции, уменьшается в ферментативном процессе по сравнению с обычной реакцией. Избыток энергии, выделяющейся при связывании субстрата, должен хотя бы частично переходить в теплоту, чтобы скомпенсировать уменьшение энтропии при образовании комплекса. С энергетической точки зрения, происходящая стабилизация и уменьшение собственной энергии комплекса должны были бы замедлять катализ, где требуется преодоление активационного барьера. Однако в схемах энергетического катализа предполагают, что осуществляется не только фиксация конфигурации субстрата, но и создание напряжения фермент-субстратного комплекса, способствующего реакции. При этом происходит и снижение энергии активации химической реакции за счет концентрации энергии напряжения на атакуемой связи. [c.420]

Если бы можно было получить катализатор, в котором промежуточный комплекс был бы стабилен, то можно было бы провести сравнение с промежуточным образованием ES в ферментативном катализе. Интересно, что каталитический химический процесс и процесс стерео-дифференциации протекают независимо друг от друга и дальнейшие исследования могут помочь выяснению отношений между этими двумя процессами. [c.215]

Как мы видели, кислотно-основный катализ является эффективным средством ускорения химических реакций. Можно ли из этих данных определить, какова роль данного механизма в ферментативном катализе Непосредственное перенесение результатов предыдущего раздела на ферменты встречает принципиальные затруднения. Дело в том, что каталитические реакции в растворе — это реакции второго порядка (скорость реакции возрастает с увеличением концентрации катализатора), тогда как реакции, протекающие в пределах фермент-субстрат-ного комплекса, представляют собой реакции первого порядка, причем кислоты и основания являются составной частью молекулы фермента. Возникает вопрос какую концентрацию кислоты или основания следует использовать в расчетах Экспериментальный подход к этой проблеме состоит в синтезе соединений с каталитической группой, являющейся частью молекулы субстрата, и в последующем сравнении скоростей реакций с участием этих соединений со скоростями соответствующих внутримолекулярных реакций. [c.57]

При изучении механизма химической реакции, катализируемой ферментами, исследователя всегда интересует не только определение промежуточных и конечных продуктов и выяснение отдельных стадий реакции, но и природа тех функциональных групп в молекуле фермента, которые обеспечивают специфичность действия фермента на данный субстрат (субстраты) и высокую каталитическую активность. Речь идет, следовательно, о точном знании геометрии и третичной структуры фермента, а также химической природы того участка (участков) молекулы фермента, который обеспечивает высокую скорость каталитической реакции. Участвующие в ферментативных реакциях молекулы субстратов часто имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов, поэтому было высказано предположение, что при образовании фермент-субстратных комплексов в непосредственный контакт с молекулой субстрата, очевидно, вступает ограниченная часть аминокислот пептидной цепи. Отсюда возникло представление об активном центре фермента. Под активным центром подразумевают уникальную комбинацию аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающую непосредственное связывание ее с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа (рис. 4.2). Установлено, что у сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. [c.122]

На более ранних этапах формирования взглядов на природу ферментативного катализа слол<илась более простая статистическая модель [39, 40], в которой реагирующие группы принимают ту или иную ориентацию в пространстве, независимую друг от друга. Взаимодействие этих групп предполагает их сближение в ассоциат типа АВ (см. схему на стр. 51) с константой ассоциации 1/55 причем дальнейшее химическое взаимодействие возможно только при контакте молекул определенными участками поверхности, занимающими небольшую долю их общей поверхности. Вероятность такой благоприятной ориентации двух молекул небольшого размера оценивается в 10 —10 и, следовательно, правильная ориентация групп в исходном состоянии вутримолекулярной реакции может обеспечить ускорение в 10 —10 раз [32, 37, 40, 41]. Как видно, эта модель предсказывает меньшие эффекты ускорения (в сумме не более чем 55 X 10 раз) по сравнению с (2.30). Однако это обстоятельство вызвано лишь тем, что разные авторы принимают разные предельные значения для оценки необходимой степени сближения и, соответственно, ориентации реагирующих молекул (см. также [21]). [c.55]

Обнаружено, что существенная для связывания карбоксильная группа субстрата образует солевой мостик с гуанидиновой группой аргинина-145, тем самым, а также предпочтительными положениями связывания боковых радикалов, приводя подлежащую расщеплению амидную связь в контакт с атомом 2п. Теперь единственными другими функциональными группами, близкими к этой амидной связи, являются карбоксильная группа глутаминовой кислоты-270, которая (как и аргинин) сдвигается на 0,2 нм по сравнению со свободным ферментом, и фенольный гидроксил тирозина-248. Последняя группа не является одной из пяти групп, которые, как полагают, обычно участвуют в ферментативном катализе. Имеются также химические доказательства важности тирозина в карбоксипептидазе. Примечательно наблюдение, что эта группа не содержится вблизи цинка активного центра нативного фермента. Связывание глицил-тирозина, однако, вызывает весьма существенный конформационный сдвиг, в процессе которого фенольная группа тирозина-248 сдвигается не менее, чем на 1,2 нм с поверхности белка к новому положению вблизи пептидной связи субстрата. В результате этого движения происходит закрывание углубления, в котором находится активный центр, так что последний, по-видимому, не находится более в равновесии с растворителем. [c.502]

Ферментативный катализ является необычайно мощным средством ускорения химических реакций. В этом смысле ферменты отличаются от промышленных катализаторов в огромной степени, хотя не всегда представляется возможным проводить параллели. Обычный пример — сравнение катализа реакции распада перекиси водорода 2Н2О2 -> 2Н2О-1-О2 под действием фермента ка-талазы с распадом под действием иона же.леза. Соотношение ка- [c.137]

Число примеров, которые можно использовать для иллюстрации отмеченных особенностей ферментов, равно общему числу изученных ферментов, поскольку для каждого из них свойства каталитически активных групп в той или иной мере отличаются от свойств гомогенных растворов аминокислот или соответствующих молекул—простетических групп ферментов. При этом речь идет о трех основных свойствах — уровне удельной (молекулярной) каталитической активности, способности избирательно участвовать в тех или иных химических реакциях и способности координационно связывать те или иные лиганды. Каталитические свойства ферментов являются суммарным результатом действия по крайней мере трех факторов — изменения химических свойств отдельных групп, способа взаимодействия этих групп в активном центре и изменения механизма каталитической реакции. По этой причине простое сопоставление активностей фермента и его изолированных составных частей или сравнение активностей ферментов и остг льных катализаторов мало что дает для понимания природы ферментативного катализа. [c.261]

Константа скорости такой важнейшей в биологическом отношении реакции, как фермент-субстрат, достигает значений порядка 10 —10 м с . Аналогичные значения константы скорости характерны для реакции антител с антигенами или гаптенами. Но между сравниваемыми реакциями существуют очень важные различия. В случае ферментативного катализа за счет изменения химического строения субстрата сродство образующегося продукта к активному центру фермента крайне мало по сравнению с субстратом. В силу этого активный центр становится доступным для реакции с новой молекулой субстрата. Напротив, комплекс антиген (гаптен)-антите-ло не подвергается внутренним превращениям, которые могли бы привести к освобождению активного центра антитела. Аналогично протекает реакция антигена с поверхностными рецепторами клеток иммунрюй системы. Вследствие этого судьба антител (рецепторов) — это их распад в процессе катаболизма комплекса. Следовательно, протекающие в иммунной системе химические реакции, определяющие ее роль в гомеостазе, по существу необратимы. Это отличает их как от реакции фермент-субстрат, так, видимо, и от других менее изученных в кинетическом плане реакций, регулирующих гомеостаз специфической рецепции клетками субстратов, разнообразных медиаторов и другими реакциями. [c.6]

Общая схема ферментативной реакции, включает, как мы знаем, образование единого фермент-субстратного комплекса, в активном центре которого и происходит разрыв старых и образование новых связей с появлением продукта. В различных теоретических моделях механизма действия ферментов предлагаются разные способы понижения барьера реакции в фермент-субстратном комплексе. В результате фиксации субстрата на ферменте происходит некоторое снижение энтропии реагентов по сравнению с их свободным состоянием. Само по себе это облегчает дальнейплие химические взаимодействия между активными группами в фермент-субстратном комплексе, которые должны быть взаимно строго ориентированы. Предполагается также, что избыток энергии сорбции, который выделяется при связывании субстрата, не переходит полностью в тепло. Энергия сорбции может быть частично запасена в белковой части фермента, затем сконцентрироваться на атакуемой связи в области образовавплихся фермент-субстратных контактов. Таким образом, постулируется, что энергия сорбции идет на создание низкоэнтропийной энергетически напряженной конформации в фермент-субстратном комплексе и тем самым способствует ускорению реакции. Однако экспериментальные попытки обнаружить упругие деформации, которые могли бы храниться в белковой глобуле фермента, не диссипируя в тепло в течение достаточно длительного времени между каталитическими актами (10 - 10" с), не увенчались успехом. Более того, нужная для катализа взаимная ориентация и сближение расщепляемой связи субстрата и активных [c.126]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология