Ферменты превосходят другие катализаторы своей молекулярной активностью. Почему?

А. Ферменты увеличивают p и Z, устраняя случайность во взаимодействии молекул.

• 

• Эффект ориентации .Уже начиная с самого первого шага ферментативной реакции - приближения субстрата к ферменту ( в основе которого лежат законы диффузии), способствующие группы активного центра обеспечивают сближение реагирующих молекул в правильной ориентации, необходимой для связывания с контактными группами и проведения реакции .

Эффект сближения. ферменты связывают свои субстраты, так что реактивные группы субстратов сближаются на расстояния, необходимые для проведения реакции и удерживаются в таком положении до окончания реакции.Атакуемые группы субстратов при этом оказываются расположенными в непосредственной близости от каталитической группы и правильно ориентированной по отношению к ней, что обеспечивает образование переходного состояния.

Стабилизация переходного состояния:Все реакции проходят через переходное состояние, которое представляет энергетический максимум реакции;Ea- это энергия, необходимая для достижения переходного состояния. Ферменты могут проводить реакции по путям с более низким энергетическим барьером.

Одним из таких путей может быть напряжение и деформация атакуемой ферментом связи, возникающее в силу индуцированного соответствия между молекулами фермента и субстрата. Присоединение субстрата вызывает конформационные изменения молекулы фермента в области активного центра и деформацию субстрата, обеспечивая вынужденное индуцируемое соответствие между ними. Это является своеобразным объяснением необходимости больших размеров молекул ферментов. Энергия перестройки групп и связей в фермент-субстратном комплексе во время индуцированного взаимодействия может быть своеобразной формой накопления энергии, реализуемой затем в механизме катализа.

Приведенные выше особенности работы фермента оказывают влияние на энтропийную составляющую изменений свободной энергии реакции. Расчеты показывают, что эффекты сближения и ориентации, вызываемые ферментом при взаимодействии с субстратом, могут быть основой 10⁵кратного ускорения реакции каждый по сравнению со скоростью некатализируемой самопроизвольной реакции.

Б. Ферменты понижают энергию активации, необходимую для реакции.

Фермент, как любой другой катализатор проводит реакцию несколько иным путем, по сравнению с некатализируемой реакцией. Например, рассмотрим реакцию гидролиза, которая широко используется в биохимических реакциях:

X-CO-NH-Y + H₂O  X-CO₂^- + ⁺NH₃-Y

В этой реакции происходит присоединение молекулы H₂O по месту разрыва амидной связи. Однако эта реакция - невероятно медленная, потому что :O в молекуле H₂O - плохой нуклеофил и очень слабая кислота. Хотя O имеет две неподеленные пары электронов, он отличается высокой электроотрицательностью и не «желает» совместно использовать свои электроны. Реакцию можно значительно ускорить в присутствии группы ОН^-, которая является хорошим нуклеофилом или H₃O⁺ - превосходного протонного донора, т.е. следует значительно изменить рН, а биологические процессы протекают при pH около 7, так что применение сильной кислоты или сильного основания исключаются в таких условиях.

Среди групп активного центра целый ряд групп являются нуклеофилами: ЦисSH, Гис, Асп^- или Глу^-, реже ТирOH, СерOH или ЛизNH₂. Нкулеофилы - хорошие доноры неподеленных пар электронов и могут давать их дефицитному по электронам атому углерода субстрата (например углероду группы C=O). Ускорение реакции при помощи нуклеофилов – нуклеофидьный катализ.

В состав активного центра могут входить и электрофилы – акцепторы электронов. Правда, среди групп аминокислот практически нет хороших электрофилов. Свойствами электрофилов обладают многие простетические группы. Например,Zn²⁺входит в состав активного центра карбоксипептидазыA, фермента, который катализирует реакции гидролиза отдельных аминокислот отC-концевого отдела пептидной цепи (электрофильный катализ).