Михаил Ермолаев - Биологическая химия

На втором этапе (2 2) произойдет образование конечного продукта исходной реакции и катализатор выделится в неизмененном виде:

АК + В → АВ + К(3)

В этой реакции, энергетический барьер которой обозначим как F 2, F 22<���а.

Суммируя 2-ю и 3-ю реакции, получим:

А + В + К → АВ + К(4)

Таким образом, в ходе реакции с катализатором образовались те же продукты, что и в исходной реакции (1), но с энергетической точки зрения эта реакция более выгодна, так как F 1 + F 2 . Особенно это заметно по энергии активации (а 1 + а 2 <���а) . Следовательно, катализируемая реакция, хотя и идет в 2 этапа, но при этом требуется меньше энергии и значительно снижается энергия активации по сравнению с некатализируемой реакцией.

Катализаторы являются очень активными соединениями, и химические реакции при их участии идут очень быстро, в основном за счет снижения энергии активации. Так, если, например, скорость разложения Н 2О 2без катализатора принять за единицу, то в присутствии катализатора — платиновой черни (неорганический катализатор) скорость реакции увеличивается в 2*10 4раза, а энергия активации снижается соответственно с 18 ккал/ мольдо 12 ккал/ моль. Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергетические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.

К основным характеристикам катализа относятся следующие:

• катализаторы могут ускорять (положительный катализ) только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам,

• катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.

При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.

Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся "космические" скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.

Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н 2О 2катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2*10 11раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 10 7раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнных железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.

Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками (см. Структура белков ), т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.

Высокая специфичность действия ферментов проявляется в том, что, как правило, каждый фермент катализирует только одну или несколько близких химических реакций.

Действие ферментов как биологических катализаторов можно изобразить следующей формулой:

S + E ES → Е + Р,

где Е — фермент; S — субстрат — вещество, на которое действует фермент; ES — фермент-субстратный комплекс, промежуточное соединение, образующееся в ходе реакции типа АК (2); Р — продукты реакции.

Рис. 38. Схема взаимодействия фермента с субстратом (объяснение в тексте)

И в этом случае действие фермента на субстрат приводит к активированию субстрата, в результате чего снижается энергия активации и повышается скорость реакции. Основное значение в этом имеет образование промежуточного продукта — фермент-субстратного комплекса — ES, скорость образования которого определяет скорость всей реакции. Фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукты реакции. На рис. 38 дано схематичное изображение хода ферментативной реакции.

При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют аналогичную белкам сложную структуру (рис. 39), подвергаются расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуют коллоидные растворы, при кипячении денатурируются и т. д. Молекулярный вес ферментов колеблется в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.

Рис. 39. Гипотетическая модель третичной структуры молекулы химотрипсиногена (по Нейрату). Черное кольцо (обозначено стрелкой) показывает пептидную связь между 15 и 16 аминокислотными остатками. Видны 5 дисульфидных связей (изображены желтым цветом), стягивающим отдельные участки полипептидной цепи% функциональные группы активного центра показаны красным цветом

Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12 700, пепсина — 35 500, каталазы крови — 248 000, глютаматдегидро-геназы — 1 000 000.

По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты — ферменты-протеины— состоят только из аминокислот, а сложные ферменты — ферменты-протеиды— в своем составе имеют белковую часть — апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть — кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами, витаминами и т. д.

К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с участием воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.

Для изучения свойств и клинического применения ферментов необходимы высокоочищенные препараты ферментов. Поэтому были разработаны различные методы выделения ферментов. К ним относятся разрушение клеток и получение клеточного сока, в котором содержатся ферменты; экстрагирование ферментов из высушенных тканей слабыми растворами солей, кислот и оснований. Из растворов ферменты можно осаждать добавлением солей [(NH 4) 2SО 4, NaCl] и различных органических растворителей типа ацетона, смеси спирта и эфира и др.