Отличительные признаки ферментативного и химического катализа

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 и др).

Являясь катализаторами – веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами.

1 Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.

2 Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики, они только ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.

3 Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.

Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их химическую природу.

По химическому строению молекулы все ферменты являются белками.

4 Эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов. 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

Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Например, энергия активации реакции разложения перекиси водорода Н₂О₂→ Н₂О + 1/2О₂ равна 75,3 кДж/моль, поэтому самопроизвольное разложение протекает настолько медленно, что выделяющийся кислород визуально не заметен. При добавлении неорганического катализатора - железа или платины - энергия активации снижается до 54,1 кДж/моль, реакция ускоряется в тысячи раз и становится заметной по выделению пузырьков кислорода.

Фермент каталаза, разлагающий перекись водорода, снижает энергию активации более, чем в 4 раза и ускоряет реакцию разложения в миллиард раз. Реакция протекает настолько бурно, что раствор от выделяющегося кислорода буквально вскипает.

Наконец, одна-единственная молекула фермента может катализировать при обычной температуре превращение от тысячи до миллиона молекул вещества в минуту. Эта скорость катализа недостижима для небиологических катализаторов.

5 Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращения, которых они катализируют. Как правило, они отличают субстрат от его структурных изомеров и даже небольшая химическая модификация природного субстрата резко снижает сродство фермента к субстрату.

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.

6 Одним из важнейших свойств ферментов является их регулируемость. Ферменты регулируемы. То есть они могут изменять свою активность под воздействием ряда факторов, изменяя количественные выходы продуктов. Этим обеспечивается скоординированность всех метаболических процессов во времени.

7 Ферментативные процессы не дают побочных реакций, для них характерен 100% выход целевого продукта.

8 Ферменты катализируют реакции в мягких условиях, то есть при обычном давлении, небольшой температуре и значениях рН, близких к нейтральным, однако весьма чувствительны к сдвигам рН среды и изменению температуры.

9 Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента, поэтому недостаток фермента в организме означает низкую скорость превращения какого-либо соединения, и наоборот, одним из путей приспособления организма является увеличение количества требуемого фермента