Кинетика ферментативного катализа.

Ф ерменты-это истинные катализа­торы. Они значительно повышают ско­рость строго определенных химических реакций, которые в отсутствие фермента протекают очень медленно. Ферменты не могут влиять на положение равновесия ускоряемых ими реакций, при этом в хо­де реакций они не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.

Каким образом катализаторы, в част­ности ферменты, повышают скорость химических реакций? Прежде всего мы дол­жны вспомнить о том, что в любой популяции молекул индивидуальные мо­лекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству со­держащейся в них энергии и что распределение общей энергии между молекула­ми описывается колоколообразной кри­вой. Одни молекулы обладают высокой энергией, а другие более низкой, но в большинстве из них содержится коли­чество энергии, близкое к среднему зна­чению. Химическая реакция типа А → Р протекает потому, что в любой момент времени некоторая доля молекул А обла­дает большей внутренней энергией по сравнению с другими молекулами дан­ной популяции, и этой энергии оказы­вается достаточно для достижения ими вершины энергетического барьера (рис. 1.) и перехода в активную форму, называемую переходным состоянием. Энергией активации называется количе­ство энергии в калориях, необходимое для того, чтобы все молекулы 1 моля ве­щества при определенной температуре достигли переходного состояния, со­ответствующего вершине энергетическо­го (активационного) барьера. В этой точ­ке существует равная вероятность того, что достигшие ее молекулы вступят в ре­акцию с образованием продукта Р или вернутся обратно на уровень непрореагировавших молекул А (рис. 9-3). Скорость любой химической реакции пропорцио­нальна концентрации молекул, находя­щихся в переходном состоянии. Следова­тельно, скорость химической реакции будет очень высокой, если на вершине энергетического барьера находится зна­чительная доля молекул А, и очень низ­кой, если доля таких молекул невелика.

Существуют два основных пути повы­шения скорости химической реакции. Первый путь повышение температуры, т.е. ускорение теплового движения молекул, которое приводит к увеличению доли молекул, обладающих достаточной внутренней энергией для достижения переходного состояния. Как правило, по­вышение температуры на 10°С вызывает ускорение химической реакции приблизи­тельно в два раза.

Второй путь ускорения химической ре­акции - добавление катализатора. Катализаторы ускоряют химические реакции, находя «обходные пути», позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Катализатор (обозначим его бук­вой С) на промежуточной стадии реакции взаимодействует с реагентом А с образо­ванием нового комплекса или соедине­ния СА, переходному состоянию которо­го соответствует значительно более низкая энергия активации по сравнению с переходным состоянием реагента А в некатализируемой реакции (рис. 9-3).

Затем комплекс реагент-катализатор (СА) распадается на продукт Р и сво­бодный катализатор, который может опять соединиться с другой молекулой А и повторить весь цикл. Именно таким образом катализаторы снижают энергию активации химической реакции; в их при­сутствии гораздо более значительная доля молекул данной популяции всту­пает в реакцию в единицу времени. Фер­менты, так же как и другие катализаторы, соединяются со своими субстратами в хо­де каталитического цикла.