Ферментативний каталіз, біокаталіз, прискорення хімічних реакцій під впливом ферментів . В основі життєдіяльності лежать багаточисельні хімічні реакції розщеплювання живильних речовин, синтезу необхідних організму хімічних сполук і трансформації їх енергії в енергію фізіологічних процесів (робота м'язів, нирок, нервова діяльність і т.п.). Всі ці реакції не могли б відбуватися з необхідною для живих організмів швидкістю, якби в ході еволюції не виникли механізми їх прискорення за допомогою Ф. до.
У свій час вважалося, що Ф. до. принципово відрізняється від небіологічного каталізу, широко використовуваного в хімічному виробництві. Така вистава грунтувалася на трьох відмітних особливостях Ф. к.: виключно високої ефективності (збільшення швидкості реакції в 10 10 –10 13 разів) і специфічності, тобто вибірковості (здібності кожного ферменту каталізувати перетворення строго певних біологічних субстратів, інколи лише єдиної речовини, в єдиному напрямі), не досяжних в небіологічному каталізі. Особливістю Ф. до. є також його регуліруємость – здатність біокаталізатора – ферменту – збільшувати або зменшувати свою активність залежно від потреб організму. Проте дослідження механізму Ф. до. показує, що до нього застосовні закони і принципи, на яких засновані звичайні хімічні реакції. Відмінність реакцій Ф. до. визначається складністю структури ферментів і хімічних перетворень, які здійснюють речовини в ході каталізу.
Ефективність Ф. до. досягається в результаті того, що хімічна реакція розбивається на ряд енергетично легших проміжних реакцій, в яких бере участь фермент. Найважливіша для Ф. до. реакція – утворення первинного фермент-субстратного комплексу дає виграш енергії, достатній для прискорення процесу в цілому. Уявлення про необхідність утворення такого комплексу виходили з вивчення залежності швидкості ферментативної реакції (V) від концентрації ферменту ( Е ) і субстрата (S), яка описується рівнянням Міхаеліса, – Ментен:
,
де до 3 і К т – константи, характерні для кожної реакції.
Ця залежність, встановлена експериментально для багатьох ферментативних реакцій, може бути теоретично виведена, якщо перетворення субстрата на продукт реакції (Р) відбувається по механізму освіти і розпаду комплексу між ферментом і субстратом – ES- комплексу:
,
де k 1 , k -1 і k + 2 – константи, що характеризують швидкість вказаних стрілками стадій процесу, причому співвідношення ( k -1 + k + 2 ) / k -1 = К т . Якщо в реакції бере участь не один, а декілька (в більшості випадків два) субстратів і ES -комплекс утворює продукти реакції не в одну, а в декілька стадій, залежність виражається складнішими рівняннями, проте і вони можуть бути виведені лише на основі уявлення про первинне утворення ES -комплексов. Для багатьох ферментів отримані прямі докази утворення ES- комплексів. Так, спектральними методами доведено утворення комплексів за участю дегідрогенази і пероксидаз; виділені в крісталліч. стані комплекси оксидази D -амінокислот з D -aланіном, карбоксипептидаза А з гліцил- L -Тирозином. У ряді випадків встановлена просторова будова ES -комплексов методом рентгеноструктурного аналізу.
Висока специфічність Ф. до. пояснюється строгою геометричною і електронною відповідністю структури субстрата структурі активного центру ферменту, на якому субстрат сорбував і далі зазнає хімічні перетворення. Допускається, що відповідність (комплемент) геометричної і електронної будови активного центру і реагуючих з ним ділянок молекули субстрата (субстратів) досягається у момент зближення субстрата з активним центром (гіпотеза індукованої відповідності Д. Е. Кошленда, США). Активний центр ферменту, що є ансамблем хімічно активних угрупувань (функціональних груп амінокислот), формується із залишків амінокислот, незрідка розташованих далеко один від одного в поліпептидній ланцюги, але що зближують в просторі в результаті глобулярної структури білка. Часто в побудові активних центрів беруть участь низькомолекулярні речовини (іони металів, органічні кофактори). У молекулі а-хімотрипсину, що каталізує гідроліз білків і поліпептидів і що має ланцюг завдовжки в 246 амінокислотних залишків, активний центр утворений залишками серину (порядковий номер залишку в ланцюзі 195), гістидину (№ 57), ізолейцину (№ 16) і аспарагінової кислоти (№ 102 і № 194). Активний центр рібонуклеази, що каталізує розщеплювання РНК(рибонуклеїнова кислота) і побудованою з 124 амінокислот, утворений залишками лізину (№ 7 і № 41), аргініну (№ 39) і гістидину (№ 12 і № 119). Активні центри мн.(багато) ферментів функціонують за участю низькомолекулярних речовин – кофакторів Ф. до. До них відносяться похідні вітамінів, коферменти а також іони деяких металів (Na, До, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, З, Мо-пермалой і ін.).
Загальна теорія Ф. до. не розроблена, проте результати дослідження механізму дії ферментів дозволяють якісно, а в окремих випадках і кількісно пояснити високу активність Ф. до. Її головні причини: 1) зближення реагентів при сорбції їх в активному центрі, цей чинник еквівалентний підвищенню концентрації реагуючих речовин; 2) специфічна орієнтація сорбованого в активному центрі субстрата, сприятлива для взаємодії з каталітичною ділянкою активного центру; 3) утворення хімічних зв'язків між субстратом і каталітичною ділянкою активного центру, що направляє реакцію по енергетично найбільш легкій дорозі; 4) здійснення всіх основних хімічних перетворень субстрата «внутрішньомолекулярне» – у складі фермент-субстратного комплексу; 5) виняткова гнучкість молекули ферменту, що дозволяє активному центру приймати на кожній стадії перетворення фермент-субстратного комплексу будову, сприяючу досягненню максимальної швидкості даної стадії реакції. Кожна попередня стадія готує найкращі умови для подальшої. Орієнтовна оцінка сумарного ефекту всіх перерахованих чинників Ф. до. дозволяє теоретично передбачити можливе прискорення реакції в 10 10 –10 13 разів, що у багатьох випадках збігається із знайденою експериментально величиною.
Механізми регуляції активності Ф. до. пов'язані з особливостями білкової структури ферментів. Глобулярна будова ферментів, підтримувана відносно слабкими хімічними зв'язками між окремими ділянками поліпептидного ланцюга, легко порушується при зміні кислотності середовища, температури, концентрації солей в клітках і т.п. Оскільки для Ф. до. необхідна строго задана структура ферменту, всі ці чинники надають дію на його активність. Кожен фермент максимально активний при певній температурі, ph середовища і т.п. Зміна умов середовища в обидві сторони від оптимуму знижує активність Ф. к.; незрідка вона саморегулюється продуктом реакції. Для оборотних процесів, коли фермент каталізує пряму і зворотну реакції, швидкість прямої реакції (активність Ф. до.) зменшується при утворенні надлишку продукту реакції.
Важливу роль у Ф. до. грає т.з. аллостерічеськая регуляція активності ферментів. У живій клітині здійснюється безліч послідовних хімічних реакцій, що каталізують відповідними ферментами E 1 , E 2 і т.п.
Виявлені багаточисельні реакції, коли утворюється в надлишку проти фізіологічно необхідних кількостей продукт Р здатний знижувати активність першого ферменту E 1 і тим самим зменшувати швидкість всього ланцюга реакцій. Такий механізм називається регуляцією за принципом зворотного зв'язку. При цьому регулювальник Р (у загальному випадку носить найменування еффектор) впливає на спеціальний регуляторний центр ферменту E 1 , розташований далеко від активного центру. Проте унаслідок рухливості структури білкової молекули ферменту в цілому реакція з регуляторним центром приводить до зміни будови і властивостей активного центру. Така ділянка отримала, за пропозицією Ф. Жакоба і Ж. Моно, найменування аллостерічеського центру, а самі ферменти типа E 1 називається аллостерічеськимі ферментами. Як аллостерічеських еффекторов часто виступають нуклеотиди (наприклад, аденілова кислота, аденозинтрифосфат і т.п.) і амінокислоти (у реакціях біосинтезу ін. амінокислот).
До аллостерічеським відносять також механізми регуляції дії ферменту, що містить декілька активних центрів, при яких скріплення субстрата в активному центрі викликає зміну (зменшення або збільшення) активності ферменту. Аллостерічеськимі властивостями володіють ферменти, побудовані з декількох (парного числа) молекул, кожна з яких має активний і регуляторний центри. Дія еффектора на регуляторний центр однієї з молекул викликає загальну (кооперативне) зміну будови в ін. молекулах і активності ферменту в цілому. Можливі також регуляторні механізми, при яких дія еффектора на аллостерічеський фермент приводить до зміни мірі асоціації складових його субодиниць, що також супроводиться зміною загальній активності ферменту. Такого роду механізми грають важливу роль в регуляції складної системи хімічних реакцій (обміну речовин ) у живому організмі.
Літ.: «Журнал Всес. хімічного суспільства ним. Д. І. Менделєєва», 1971, т. 16 № 4; Дженке В, П., Каталіз, в хімії і ензімологиі пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972: Структура і функції активних центрів ферментів. Сб., присвячений 70-літтю з дня народження А. Е. Браунштейна, М., 1974.
