7.3. Ферментативный катализ

Этот вид катализа осуществляется с помощью ферментов, которые являются разновидностью гомогенных органических катализаторов. Ферменты (энзимы) – встроенные в клеточные мембраны биологические катализаторы. По принятой международным биохимическим союзом классификации ферментов их именуют по названиям катализируемых ими реакций: оксиредуктазы, карбоксилазы, гидролазы, изомеразы, лиазы, трансферазы. Оксиредуктазы катализируют реакции окисления-восстановления, гидролазы – реакции гидролиза, изомеразы – реакции изомеризации, лиазы – присоединения к двойным связям.

Ферменты – это белковые образования, в которых рабочей частью является активный центр, представляющий собой гидрофильно-гидрофобную полость («карман»), образованную полипептидными фрагментами белковой молекулы и боковыми цепями остатков аминокислот.

Около 30% известных в настоящее время ферментов содержат в качестве активного центра ионы металлов постоянной или переменной валентности, которые образуют с молекулами белка ряд комплексов, отличающихся степенью лабильности. В качестве таких металлов могут присутствовать железо, цинк, медь, марганец, кальций, кобальт и другие (например, фермент карбангидраза – молярная масса 30000) содержит один атом цинка в молекуле, находится в красных кровяных тельцах и катализирует дeгидратацию гидрокарбонат-ионов и гидратацию СО₂).

Ферменты обладают огромной активностью, превышающей на несколько порядков активность известных катализаторов. При этом отмечено, что они обеспечивают протекание химических реакций в мягких условиях: практически при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Принципиальное отличие ферментов от других катализаторов связано, прежде всего, со специфичностью их действия. Различают четыре типа специфичности действия ферментов.

1. Абсолютная специфичность, когда фермент ускоряет превращение только одного вещества или одной пары субстратов (для бимолекулярной реакции) в соответствующие продукты. Без абсолютной специфичности большинства ферментов существующая форма жизни была бы невозможна, поскольку в клетке существуют различные функционально близкие субстраты, претерпевающие совершенно разные превращения.

2. Абсолютно-групповая специфичность, когда фермент катализирует превращения определенной группы веществ.

3. Относительная групповая специфичность, при которой каталитическое действие фермента проявляется не к группе веществ, а только к ее части (например, пероксидазы специфичны только к пероксиду водорода, но не очень чувствительны к природе окисляемых субстратов, если они являются ароматическими полифенолами).

4. Стереохимическая специфичность, когда фермент способен отличать свой субстрат от его оптического изомера. Тогда название фермента содержит буквы D- или L-. Такой фермент абсолютно стереоспецифичен. Это означает, что адсорбционный участок такого фермента строго комплиментарен избранному субстрату. Важно отметить, что второй стереоизомер вообще не способен соединяться с ферментом, либо, если такое связывание и происходит, он является конкурентным ингибитором. Это свойство ферментов называют также энантиоселективностью, а молекулы, синтезируемые с помощью их, называют энантиомерами. Это свойство ферментов незаменимо при синтезе лекарственных препаратов.

Ферменты широко применяются в биосинтезе для создания ряда продуктов с разнообразным спектром потребительских свойств:

– медикаментов – инсулина, интерферона, витаминов, гормональных препаратов, антибиотиков;

– пищевых добавок – кормового и пищевого белков, простейших сахаров, глюкозы, фруктозы, антиоксидантов, ароматизаторов;

– биоэнергетиков – спирта, водорода, биогенных углеводородов, ферментных электродов.

– биополимеров – полимеров, способных разлагаться под воздействием природных микроорганизмов, приближающихся по свойствам к полученным обычным химическим путем.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение гомогенного катализа. Что такое кислотно-основной катализ? Каков механизм его протекания? Приведите примеры.

2. Дайте определение кислотам и основаниям по Аррениусу, Льюису, Бренстеду.

3. Приведите примеры кислот и оснований Льюиса.

4. Объясните механизм специфического кислотного катализа.

5. Объясните особенности специфического основного катализа.

6. Объясните особенности общего кислотного катализа.

7. Объясните механизм общего основного катализа. Дайте примеры.

8. Объясните особенности электронного катализа. Приведите примеры реакций.

9. Расскажите о кинетике кислотно-основного катализа.

10. Объясните механизм металлокомплексного катализа. Что такое кластеры? Примеры катализаторов и реакций.

11. Объясните особенности ферментативного катализа. Дайте определение понятию «фермент».

13. Приведите примеры ферментов и синтезов с их применением.