4.2.3. Кофакторы

Многим ферментам для эффективности функционирования требуются некоторые небелковые компоненты, называемые кофакторами. Кофакторами могут быть разные вещества, начиная от простых неорганических ионов и кончая сложными органическими молекулами. Многие кофакторы являются производными витаминов В₁, В₂, В₆, РР и др. Комплекс фермента с кофактором называется холоферментом, а белковая часть комплекса, без кофактора, – апоферментом.

Кофакторы можно разделить на три основных типа: неорганические ионы, простатические группы и коферменты. Если молекула кофактора связана с ферментом прочно, то она называется простатической группой, если слабо – коферментом. Как простетическая группа, так и кофермент действуют одинаково, перенося отдельные атомы, группы атомов или электроны. Простетические группы занимают такое положение в ферменте, которое наиболее эффективно содействует каталитической реакции.

В типичной клетке содержится более 500 ферментов. Все они пространственно организованы и действуют согласованно, обеспечивая метаболизм клетки.

§4.3. Ферментативный катализ

Чтобы подчеркнуть особенности ферментативного катализа, рассмотрим сначала механизм обычной химической реакции (для простоты в газовой фазе) и затем механизм обычного катализа.

4.3.1. Общая схема механизма химических реакций.

В газовой фазе между реагирующим молекулами на расстояниях, превышающих Ван-дер-ваальсовский радиус (т.1, с.156), действуют слабые силы притяжения Ван-дер-Ваальса. Кроме того, каждая молекула обладает кинетической энергией порядка k_BТ. При сближении на расстояния меньше радиуса Ван-дер-Ваальса между молекулами начинают действовать силы обменного отталкивания. Для начала химической реакции необходимо сближение молекул до такого расстояния, чтобы произошла перестройка или разрыв химических связей у сталкивающихся молекул, то есть до расстояний порядка длины ковалентных связей. Для этого кинетическая энергия молекул должна быть достаточно велика. Пороговое значение энергии, при котором начинается химическая реакция, называется энергией активации реакции. Столкновение молекул с энергией меньше энергии активации реакции является упругим. При этом кинетическая энергия переходит в энергию упругой деформации молекул, после чего молекулы разлетаются.

Ситуация качественно изменяется, если кинетическая энергия молекул превышает энергию активации реакции. В этом случае, сильное сближение приводит к перекрытию молекулярных и атомных орбиталей у сталкивающихся молекул. Кинетическая энергии расходуется на перестройку связей и образование активированного (возбужденного) комплекса. Активированное состояние неустойчиво и время его жизни мало.

В общем случае активированный комплекс может иметь сложную структуру. Для простой реакции при образовании комплекса ослабляются старые связи и образуются новые (рис. 4–3).

Рис. 4–3. Модель химической реакции Н₂+I₂=2HI

В результате перекрытия молекулярных σ-орбиталей у молекул Н₂ и I₂ возникает виртуальное (короткоживущее) активированное промежуточное состояние, в котором все атомы связаны половинными связями (пунктирные линии на рис. 4–3), напоминающими многоцентровые орбитали (см. т.1, с.131). Поскольку энергия связи продукта реакции (двух молекул Н-I) больше энергии связи в молекулах Н₂ и I₂, то энергетически выгоден переход промежуточного комплекса в наиболее низкое энергетическое состояние с образованием двух молекул Н–I.

Заметим, что вероятность образования активированного комплекса зависит от взаимной ориентации молекул в момент соударения. Реакция при не очень высокой температуре происходит лишь при условии наличия оптимальной для формирования новых связей пространственной ориентации молекул при соударении. Поэтому не всякое соударение приводит к реакции.

Химические реакции, происходящие в растворе, связаны с разрушением гидратных оболочек между молекулами, участвующими в реакции, сближением реагентов в нужной ориентации, разрывом связей в реагирующих веществах, перестройкой атомных композиций и образованием новых соединений.