Глава 1.Биологический катализ. Ферменты

Живая клетка представляет собой миниатюрный химический реактор, в котором одновременно протекают тысячи химических реакций. Принципиальным отличием клетки от обычной колбы химика (кроме очевидной разницы размеров) является то, что если в колбе все эти реакции протекали бы независимо (фундаментальный принцип независимости химических реакций), то в клетке все процессы связаны между собой. И происходит это сосем не потому, что клетка может нарушать физические законы или подчиняется другим закономерностям. Нет, и в живой, и в неживой природе действуют одни и те же законы. Дело в том, что в процессе эволюции был создан очень эффективный аппарат регулирования всех клеточных реакций, который позволяет клетке контролировать соотношение их продуктов таким образом, что бы оптимально функционировать и быстро адаптироваться к меняющимся внешним условиям.

В настоящее время твердо установлено, что все без исключения химические процессы в клетке катализируются специальными биологическими катализаторами, которые называются ферментами или энзимами. В настоящее время известно более 3200 ферментов. До недавнего времени считалось, что все ферменты являются белковыми молекулами. Однако относительно недавно было установлено, что некоторые весьма специфические процессы катализируются рибонуклеиновыми кислотами (так называемыми рибозимами).

1.1.Чем же ферменты отличаются от небиологических катализаторов?

В принципе клетка использует те же самые химические реакции, что и химик в своей лаборатории. Однако на условия протекания реакций в клетке накладываются жесткие ограничения. В лаборатории для ускорения процесса химик может нагреть реакционную смесь, в необходимых случаях он может проводить реакцию при повышенном давлении, а в тех случаях, когда реакция плохо протекает в водном растворе, использовать сухие неводные растворители. Все реакции в клетке протекают в водном растворе при постоянной температуре (~37°С) и постоянном давлении (~1 атм.). Именно поэтому очень часто процессы, которые в лабораторных условиях можно провести в одну стадию, в живой клетке протекают через множество стадий. Характерным примером является сжигание глюкозы — ключевой процесс получения клеткой энергии. Если химик может просто поджечь порошкообразную глюкозу, а выделяющуюся теплоту использовать для получения работы, то необходимость проведения этого процесса в водном растворе при постоянной температуре заставила клетку разбить его на множество стадий (окислительное фосфорилирование, цепь гликолиза и цикл лимонной кислоты, см. ).

Вот теперь рассмотрим основные особенности биологических катализаторов.

1. Удивительная эффективность ферментов. В присутствии ферментов химические реакции протекают намного быстрее, чем при небиологическом катализе. В некоторых случаях ускорение достигает 10⁸ раз.

Очень наглядной мерой активности ферментов является так называемое число оборотов. Числом оборотов фермента называют число молекул субстрата, претерпевающих превращение в единицу времени (обычно в 1 мин) в расчете на одну молекулу фермента (или один каталитический центр). Число оборотов может различаться у разных ферментов на несколько порядков (Табл. 5 .1).

2. Ферменты обладают высокой субстратной специфичностью. Как правило, они отличают субстрат от его структурных изомеров и даже небольшая химическая модификация природного субстрата резко снижает сродство фермента к субстрату.

Табл. 5.1. Число оборотов некоторых ферментов

Фермент	Число оборотов в 1 мин при 37°С
Карбоангидраза	36 000 000
Амилаза	1 100 000
Фосфоглюкомутаза	1 240

3. Ферменты обладают высокой специфичностью к типу катализируемой реакции. В подавляющем большинстве случаев фермент катализирует лишь одну реакцию (реже — две).

4. Ферменты обладают высокой региоспецифичностью. В случае субстратов, имеющих несколько реакционно-способных центров, небиологические катализаторы ускоряют реакцию по всем центрам. В противоположность этому, фермент «направляет» агент лишь по одному из центров.

5. Ферменты обладают высокой стереоспецифичностью. В отличие от небиологических катализаторов, ферменты однозначно различают не только диастереомеры и диастереотопные группы внутри молекулы, но и энантиомеры и энантиотопные группы.

Причиной всех этих уникальных свойств ферментов является их пространственное строение. Все ферменты представляют собой глобулярные белки, намного превосходящие по размерам субстрат. Именно это обстоятельство, вместе с особенностями третичной структуры белков, привело к тому, что в процессе эволюции на поверхности фермента сформировался активный центр, комплементарный субстрату. Детальное строение активных центров некоторых ферментов будет рассмотрено ниже. Условно активный центр можно разделить на две части — связывающий центр и каталитический центр. Связывающий центр (связывающая площадка) выполняет функцию специфического связывания субстрата и его оптимальной ориентации по отношению к катализирующим группам. В каталитическом центре сконцентрированы каталитические группы. Если для проведения реакции достаточно кислотно-основного катализа (гидролитические реакции вроде гидролиз амидной связи в белках или межнуклеотидной фосфатной связи), то каталитический центр формируется боковыми радикалами аминокислотных остатков белка. В этом случае фермент состоит только из полинуклеотидных цепей. Однако многие вещества, необходимые для жизнедеятельности клетки, могут быть получены только с помощью окислительно-восстановительных реакций или реакций переноса углеродсодержащих групп. Боковые радикалы аминокислотных остатков не могут катализировать такие реакции. В этом случае клетка использует составные ферменты, в которых белковая часть обеспечивает связывание субстрата, а катализ осуществляют небелковые (мономерные) соединения, называемые коферментом (кофактором, простетической группой). Белковая часть такого фермента называется апоферментом, а активный фермент (комплекс апофермента и кофермента) — холоферментом. В большинстве случаев кофермент связывается с апоферментом нековалентными взаимодействиями.