Раздел 3.Механизмы ферментативного катализа

ЛЕКЦИЯ 3.1

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Гомогенный и гетерогенный катализ

Катализаторами называют вещества, изменяющие скорость химических реакций. Различают два вида катализа – гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему – газовую или жидкую, между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Например, каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии раствора солей (жидкая фаза). Для гомогенного катализа установлено, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз. При этом между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор – твердое вещество, а реагирующие вещества – газы или жидкости. Например, окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза) или разложение пероксида водорода (жидкая фаза) в присутствии угля или оксида марганца (IV) (твердая фаза). Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит и от свойств его поверхности (размера, химического состава, строения и состояния). Понятия гомо- и гетерогенного катализа обычно применяют для небиологических катализаторов.

Сущность явления катализа

Фермент, выполняя функцию катализатора химической реакции, подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличительные, уникальные свойства, которые выделяют их на фоне обычных органических катализаторов гомогенного типа. Обеспечиваются эти свойства особенностями строения ферментов.

Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что ферменты:

1) катализируют только энергетически возможные реакции, то есть те реакции которые могут протекать и без них;

2) не изменяют направление реакции;

3) не сдвигают равновесие обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление;

4) не расходуются в процессе реакции и выходят из реакции в первоначальном виде.

Oтличие ферментов от небиологических катализаторов заключается в том, что:

1) скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами (эффективность действия ферментов). Для большинства ферментов характерно то, что 1 молекула фермента может превратить от 1000 до 1 млн молекул субстрата за 1 минуту. Эта скорость недостижима для небиологических катализаторов (табл. 3.1.1).

Таблица 3.1.1

Скорость протекания некоторых реакций

без катализаторов и в их присутствии

Фермент	Скорость некатализируемой реакции (vнк)	Скорость катализируемой реакции (vк)	(vк)/(vнк)
Уреаза	3*10-10	3*104	1*1014
Химотрипсин	1*10-10	1*102	1*1012
Гликогенфосфорилаза	5*10-15	1,6*10-3	3,2*1011
Гексокиназа	1*10-13	1,3*10-3	1,3*1010
Алкогольдегидрогеназа	6*10-12	2,7*10-5	4,5*106
Карбоангидраза	10-2	105	1*1017
Креатинкиназа	3*10-9	4*10-5	1,33*104

2) ферменты обладают высокой специфичностью действия;

3) ферменты катализируют реакции в очень мягких условиях (обычное давление, нейтральная рН, невысокая t);

4) активность ферментов в клетках строго регулируется как на генетическом уровне, так и посредством определённых низкомолекулярных соединений (субстратов и продуктов реакции, катализируемых этими же ферментами);

5) скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента.