ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ,биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов. В основе жизнедеятельности лежат многочисленные хим. реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму хим. соединений и трансформации их энергии в энергию физиол. процессов (работа мышц, почек, нервная деятельность и т. п.). Все эти реакции не могли бы происходить с необходимой для живых организмов скоростью, если бы в ходе эволюции не возникли механизмы их ускорения с помощью Ф. к.

Одно время считалось, что Ф. к. принципиально отличается от небиологического катализа, широко используемого в хим. произ-ве. Такое представление основывалось на трёх отличительных особенностях Ф. к.: исключительно высокой эффективности (увеличение скорости реакции в 10¹⁰-10¹³ раз) и специфичности, т.е. избирательности (способности каждого фермента катализировать превращение строго определённых биол. субстратов, иногда лишь единственного вещества, в единственном направлении), не достижимых в небиологическом катализе. Особенностью Ф. к. является также его регулируемость - способность биокатализатора - фермента - увеличивать или уменьшать свою активность в зависимости от потребностей организма. Однако исследование механизма Ф. к. показывает, что к нему применимы законы и принципы, на к-рых основаны обычные хим. реакции. Отличие реакций Ф. к. определяется сложностью структуры ферментов и хим. превращений, к-рые совершают вещества в ходе катализа.

Эффективность Ф. к. достигается в результате того, что хим. реакция разбивается на ряд энергетически более лёгких промежуточных реакций, в к-рых участвует фермент. Важнейшая для Ф. к. реакция - образование первичного фермент-субстратного комплекса даёт выигрыш энергии, достаточный для ускорения процесса в целом. Представления о необходимости образования такого комплекса следовали из изучения зависимости скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента (Е) и субстрата (S), к-рая описывается уравнением Михаэлиса - Ментен:

где k₃ и K_m - константы, характерные для каждой реакции.

К принципу Ферма: действительный путь света соответствует экстремальному времени распространения.

Эта зависимость, установленная экспериментально для мн. ферментативных реакций, может быть теоретически выведена, если превращение субстрата в продукт реакции (Р) происходит по механизму образования и распада комплекса между ферментом и субстратом - ES-комплекса:

где k₁, k_-1и k₊₂ - константы, характеризующие скорость указанных стрелками стадий процесса, причём соотношение (k_-1 + k₊₂)/k₊₁ = К_т. Если в реакции участвует не один, а неск. (в большинстве случаев два) субстратов и ES-комплекс образует продукты реакции не в одну, а в неск. стадий, зависимость выражается более сложными уравнениями, однако и они могут быть выведены лишь на основе представления о первичном образовании ES-комплексов. Для мн. ферментов получены прямые доказательства образования ES-комп-лексов. Так, спектральными методами доказано образование комплексов с участием дегидрогеназ и пероксидаз; выделены в кристаллич. состоянии комплексы оксидазы D-аминокислот с D-аланином, карбоксипептидазы А с глицил-L-тирозином. В ряде случаев установлено пространственное строение ES-комплексов методом рентгеноструктурного анализа.

Высокая специфичность Ф. к. объясняется строгим геом. и электронным соответствием структуры субстрата структуре активного центра фермента, на к-ром субстрат сорбируется и далее претерпевает хим. превращения. Допускается, что соответствие (комплементар-ность) геом. и электронного строения активного центра и реагирующих с ним участков молекулы субстрата (субстратов) достигается в момент сближения субстрата с активным центром (гипотеза индуцированного соответствия Д. Э. Кош-ленда, США). Активный центр фермента, представляющий собой ансамбль химически активных группировок (функциональных групп аминокислот), формируется из остатков аминокислот, нередко расположенных далеко друг от друга в полипептидной цепи, но сближенных в пространстве в результате глобулярной структуры белка. Часто в построении активных центров участвуют низкомолекулярные вещества (ионы металлов, орга-нич. кофакторы). В молекуле а-химо-трипсина, катализирующего гидролиз белков и полипептидов и имеющего цепь длиной в 246 аминокислотных остатков, активный центр образован остатками се-рина (порядковый номер остатка в цепи 195), гистидина (№ 57), изолейцина (№ 16) и аспарагиновой к-ты (№ 102 и № 194). Активный центр рибонуклеазы, катализирующей расщепление РНК и построенной из 124 аминокислот, образован остатками лизина (№ 7 и № 41), аргинина (№ 39) и гистидина (№ 12 н № 119). Активные центры мн. ферментов функционируют с участием низкомолекулярных веществ - кофакторов Ф. к. К ним относятся производные витаминов, коферменты, а также ионы нек-рых металлов (Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Си, Со, Mo и др.).

Общая теория Ф. к. не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а в отд. случаях и количественно объяснить высокую активность Ф. к. Её главные причины: 1) сближение реагентов при сорбции их в активном центре, этот фактор эквивалентен повышению концентрации реагирующих веществ; 2) специфич. ориентация сорбированного в активном центре субстрата, благоприятная для взаимодействия с ка-талитич. участком активного центра; 3) образование хим. связей между субстратом и каталитич. участком активного центра, направляющее реакцию по энергетически наиболее лёгкому пути; 4) осуществление всех осн. хим. превращений субстрата "внутримолекулярное - в составе фермент-субстратного комплекса; 5) исключительная гибкость молекулы фермента, позволяющая активному центру принимать на каждой стадии превращения фермент-субстратного комплекса строение, способствующее достижению максимальной скорости данной стадии реакции. Каждая предшествующая стадия подготавливает наилучшие условия для последующей. Ориентировочная оценка суммарного эффекта всех перечисленных факторов Ф. к. позволяет теоретически предсказать возможное ускорение реакции в 10¹⁰-10¹³ раз, что во мн. случаях совпадает с найденной экспериментально величиной.

Механизмы регуляции активности Ф. к. связаны с особенностями белковой структуры ферментов. Глобулярное строение ферментов, поддерживаемое относительно слабыми хим. связями между отд. участками полипептидной цепи, легко нарушается при изменении кислотности среды, темп-ры, концентрации солей в клетках и т. п. Поскольку для Ф. к. необходима строго заданная структура фермента, все эти факторы оказывают воздействие на его активность. Каждый фермент максимально активен при определённой темп-ре, рН среды и т. п. Изменение условий среды в обе стороны от оптимума снижает активность Ф. к.; нередко она саморегулируется продуктом реакции. Для обратимых процессов, когда фермент катализирует прямую и обратную реакции, скорость прямой реакции (активность Ф. к.) уменьшается при образовании избытка продукта реакции.

Важную роль в Ф. к. играет т. н. аллостерическая регуляция активности ферментов. В живой клетке совершается множество последовательных хим. реакций, катализируемых соответствующими ферментами E₁, Е₂ и т. п.

Обнаружены многочисленные реакции, когда образующийся в избытке против физиологически необходимых количеств продукт Р способен снижать активность первого фермента E₁и тем самым уменьшать скорость всей цепи реакций. Такой механизм наз. регуляцией по принципу обратной связи. При этом регулятор Р (в общем случае носит наименование эффектор) воздействует на спец. регуля-торный центр фермента E₁, расположенный вдали от активного центра. Однако вследствие подвижности структуры белковой молекулы фермента в целом реакция с регуляторным центром приводит к изменению строения и свойств активного центра. Такой участок получил, по предложению Ф. Жакоба и Ж. Моно, наименование аллостерического центра, а сами ферменты типа E₁ наз. аллостерическими ферментами. В качестве аллостерич. эффекторов часто выступают нуклеотиды (напр., адениловая к-та, аденозинтрифосфат и т. п.) и аминокислоты (в реакциях биосинтеза др. аминокислот).

К аллостерич. относят также механизмы регуляции действия фермента, содержащего неск. активных центров, при к-рых связывание субстрата в активном центре вызывает изменение (уменьшение или увеличение) активности фермента. Аллостерич. свойствами обладают ферменты, построенные из неск. (чётного числа) молекул, каждая из к-рых имеет активный и регуляторный центры. Воздействие эффектора на регуляторный центр одной из молекул вызывает общее (кооперативное) изменение строения в др. молекулах и активности фермента в целом. Возможны также регуляторные механизмы, при к-рых воздействие эффектора на аллостерич. фермент приводит к изменению степени ассоциации составляющих его субъединиц, что также сопровождается изменением общей активности фермента. Такого рода механизмы играют важную роль в регуляции сложной системы хим. реакций (обмена веществ) в живом организме.

Лит.: "Журнал Всес. химического об-ва им. Д. И. Менделеева", 1971, т. 16, № 4; Дженкс В. П., Катализ в химии и энзимологии, пер. с англ., М., 1972; Структура и функции активных центров ферментов. Сб., посвященный 70-летию со дня рождения А. Е. Браунштейна, М., 1974. В. А. Яковлев.