Катализ и энергия активации

Биологические катализаторы (т.е. ферменты) характеризуются следующими основными свойствами: все ферменты представляют собой глобулярные белки; они увеличивают скорость реакции, но сами в этой реакции не расходуются; их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечного продукта (или продуктов) реакции; очень малое количество фермента вызывает превращение больших количеств субстрата; активность ферментов меняется в зависимости от рН, температуры, давления и от концентраций как субстрата, так и самого фермента; катализируемая реакция обратима; ферменты обладают специфичностью, т. е. один фермент катализирует обычно только одну реакцию.

Представим себе смесь бензина и кислорода. Реакция между этими двумя веществами с термодинамической точки зрения возможна, но она не пойдет без затраты некоторого количества энергии, поступившей, например, в форме простой искры. Энергия, необходимая для того, чтобы заставить субстраты вступить в реакцию, называется энергией активации [Еа]. Чем больше требуемая энергия активации, тем ниже скорость реакции при данной температуре. Ферменты, действуя как катализаторы, снижают энергию активации, которая требуется для того, чтобы могла произойти реакция (рис. 1). Они повышают общую скорость реакции, не изменяя в сколько-нибудь значительной степени температуру, при которой эта реакция протекает.

Рис. 1. Энергетические барьеры катализируемой и некатализируемой реакций

Фермент, соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс (рис. 2). В таком комплексе шансы на то, что реакция произойдет, значительно возрастают. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (или продукты) и фермент. Фермент в реакции не изменяется: по окончании реакции он остается таким же, каким был до нее, и может теперь взаимодействовать с новой молекулой субстрата:

Результаты тщательных исследований показали, что молекулы большинства ферментов во много раз больше, чем молекулы тех субстратов, которые атакует данный фермент, и что в контакт с субстратом в фермент-субстратном комплексе вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента — обычно от 3 до 12 аминокислотных остатков. Эту ее часть называют активным центром фермента. Именно здесь происходит связывание субстрата или субстратов (рис. 2). Роль остальных аминокислотных остатков, составляющих основную массу фермента, состоит в том, чтобы обеспечить его молекуле правильную глобулярную форму, которая, как мы увидим далее, очень важна для того, чтобы активный центр фермента мог работать наиболее эффективно (рис. 3).

Рис. 2. А. Схематическое изображение фермент-субстратного комплекса (субстрат присоединяется к ферменту в активном центре последнего). Б. Положение аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента, в первичной структуре ферментного белка

Рис. 3. Третичная структура рибонуклеазы. В образовании активного центра участвуют аминокислотные остатки 12 и 119 (остатки гистидина), а также 7 и 41 (остатки лизина). Рибонуклеаза катализирует гидролитическое расщепление рибонуклеиновых кислот до нуклеотидов

Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Фишер (Fischer) в 1890 г. высказал предположение, что эта специфичность обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (или субстратов). Эту гипотезу часто называют гипотезой «ключа и замка»: субстрат сравнивается в ней с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», т. е. к ферменту (рис. 4).

Фермент-субстратный комплекс — это «активированное» состояние, ведущее к образованию продуктов реакции Грин Н. Биология .- М, 1993 .- С. 198. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду) после чего освободившийся активный центр мм принимать новые молекулы субстрата.

В 1959 г. новую интерпретацию гипотезы «ключа и замка» предложил Кошланд (Koshland). На основании данных, позволявших считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это оказалось вначале, он высказал мысль о динамическом взаимодействии между ферментом и субстратом. Согласно этому представлению, субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре последнего. Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, примимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию (рис. 5). Эту гипотезу называют гипотезой индуцированного соответствия. Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку соответствующим образом изменяет свою форму. С выяснением отдельных деталей механизма различных реакций в эту гипотезу вносятся уточнения Выяснилось, например, что молекулы субстрата в некоторых случаях несколько изменяют свою форму еще до того, как вступить в соединение с ферментом.

Рис. 5. Схема, иллюстрирующая кошландовскую гипотезу «индуцированного соответствия». А. Соединяясь с ферментом, субстрат вызывает в нем изменение, в результате которого активные группы фермента сближаются. Б. Более мелкие или более крупные молекулы не способны взаимодействовать с ферментом