«Ферментативный катализ»

биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов (См. Ферменты). В основе жизнедеятельности лежат многочисленные химические реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму химических соединений и трансформации их энергии в энергию физиологических 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 химическом производстве. 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 биологических 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 которых основаны обычные химические реакции. Отличие реакций Ф. к. определяется сложностью структуры ферментов и химических превращений, которые совершают вещества в ходе катализа.

Эффективность Ф. к. достигается в результате того, что химическая реакция разбивается на ряд энергетически более лёгких промежуточных реакций, в которых 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), которая описывается уравнением Михаэлиса – Ментен:

где k₃ и К_т –константы, характерные для каждой реакции.

Эта зависимость, установленная экспериментально для многих 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_-1 и 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 несколько (в большинстве случаев два) субстратов и ES-комплекс образует продукты реакции не в одну, а в несколько стадий, зависимость выражается более сложными уравнениями, однако и они могут быть выведены лишь на основе представления о первичном образовании ES-комплексов. Для многих ферментов получены прямые доказательства образования ES-комплексов. Так, спектральными методами доказано образование комплексов с участием дегидрогеназ и пероксидаз; выделены в кристаллич. состоянии комплексы оксидазы D-аминокислот с D-aланином, карбоксипептидазы А с глицил-L-тирозином. В ряде случаев установлено пространственное строение ES-комплексов методом рентгеноструктурного анализа.

Высокая специфичность Ф. к. объясняется строгим геометрическим и электронным соответствием структуры субстрата структуре активного центра (См. Активные центры) фермента, на котором субстрат сорбируется и далее претерпевает химические превращения. Допускается, что соответствие (комплементарность) геометрического 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. Кошленда, 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, органические кофакторы). В молекуле α-химотрипсина, катализирующего гидролиз белков и полипептидов и имеющего цепь длиной в 246 аминокислотных остатков, активный центр образован остатками серина (порядковый номер остатка в цепи 195), гистидина (№ 57), изолейцина (№ 16) и аспарагиновой кислоты (№ 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 и № 119). Активные центры мн. ферментов функционируют с участием низкомолекулярных веществ – кофакторов (См. Кофакторы)Ф. к. К ним относятся производные витаминов, Коферменты, а также ионы некоторых металлов (Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, Со, Mo и др.).

Общая теория Ф. к. не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а в отдельных 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) специфическая ориентация сорбированного в активном центре субстрата, благоприятная для взаимодействия с каталитическим участком активного центра; 3) образование химических связей между субстратом и каталитическим участком активного центра, направляющее реакцию по энергетически наиболее лёгкому пути; 4) осуществление всех основных химических превращений субстрата «внутримолекулярно» – 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 многих случаях совпадает с найденной экспериментально величиной.

Механизмы регуляции активности Ф. к. связаны с особенностями белковой структуры ферментов. Глобулярное строение ферментов, поддерживаемое относительно слабыми химическими связями между отдельными участками полипептидной цепи, легко нарушается при изменении кислотности среды, температуры, 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 температуре, pH 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 химических реакций, катализируемых соответствующими ферментами E₁, E₂ и т.п.

Обнаружены многочисленные реакции, когда образующийся в избытке против физиологически необходимых количеств продукт Р способен снижать активность первого фермента E₁ и тем самым уменьшать скорость всей цепи реакций. Такой механизм называется регуляцией по принципу обратной связи. При этом регулятор Р (в общем случае носит наименование эффектор) воздействует на специальный регуляторный 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 называется аллостерическими ферментами. В качестве аллостерических эффекторов часто выступают нуклеотиды (например, адениловая кислота, аденозинтрифосфат и т.п.) и аминокислоты (в реакциях биосинтеза др. аминокислот).

К аллостерическим относят также механизмы регуляции действия фермента, содержащего несколько активных центров, при которых связывание субстрата в активном центре вызывает изменение (уменьшение или увеличение) активности фермента. Аллостерическими свойствами обладают ферменты, построенные из нескольких (чётного числа) молекул, каждая из которых 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 которых воздействие эффектора на аллостерический 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 химических реакций (обмена веществ (См. Обмен веществ)) в живом организме.

Лит.: «Журнал Всес. химического общества им. Д. И. Менделеева», 1971, т. 16, № 4; Дженке 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.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ катализ (биокатализ) - ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками - ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем ферментативный катализ отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости реакции в 1010 -1013 раз), специфичностью и регулируемостью, т. е. изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма. Эти особенности ферментативного катализа обусловлены главным образом сложной пространственной структурой молекул ферментов.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

биокатализ, избирательное ускорение химич. реакций, протекающих в живом организме, под влиянием ферментов. Основан на снижении энергетич. барьера (т. н. энергии активации) за счёт образования промежуточных комплексов фермента с субстратом. Отличается от небиол. катализа высокой эффективностью (повышение скорости реакции вплоть до 1010—1012-кратной), строгой избирательностью и направленностью действия (субстратной и реакционной специфичностью), а также доступностью к тонкой и точной регуляции (активность фермента может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от условий, в к-рых протекает реакция). Эти особенности обусловлены строением и свойствами белковой молекулы ферментов. В ней содержатся уникальные по своей структуре активные центры и регуляторные участки. В активном центре происходит сближение реагирующих веществ (субстратов, кофакторов), их упорядоченная ориентация относительно друг друга и молекулы фермента, т. н. индуцированное соответствие. Последовательные превращения реагентов осуществляются в составе фермент-субстратного комплекса по энергетически выгодному пути. При Ф. к. химич. превращение может складываться из ряда промежуточных стадий. 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 от концентрации фермента и субстрата, к-рая описывается в простейших случаях уравнением Михаэлиса — Ментен. Важную роль в Ф. к. играет аллостерическая регуляция. Изучение тонких механизмов Ф. к. показало, что в их основе лежат те же законы и принципы, на к-рых основаны обычные химич. реакции. Разработаны модели Ф. к. для отд. Классов ферментов. Единая теория Ф. к. не разработана, т. к. механизмы протекания ферментативных реакций сложны и разнообразны, зависят от большого числа переменных величин и в ряде случаев пока не поддаются математич. описанию.

(биокатализ), ускорение химических реакций в клетках организма специальными белками – ферментами. Ферментативный катализ отличается чрезвычайно высокой эффективностью – реакции ускоряются в десятки и сотни тысяч (вплоть до миллионов и миллиардов) раз. Другая особенность биокатализа – его строгая специфичность: определённый фермент всегда катализирует лишь определённый тип реакции. Поэтому в многочисленных химических реакциях, одновременно протекающих в клетках, участвует огромное количество ферментов. Ферментативному катализу присуще также свойство регулируемости, т.е. изменение количества и вида вырабатываемых клетками ферментов и их активности в зависимости от потребностей организма. Эти особенности биокатализа обусловлены уникальной структурой молекул ферментов; вместе с тем он основан на тех же закономерностях, что и обычные химические реакции.

(биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к.- разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение )известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа.

Первое исследование Ф. к. как хим. процесса было выполнено К. Кирхгофом, к-рый в 1814 продемонстрировал фер-ментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.

Заметный вклад в представление о природе Ф. к. внесли работы И. Берцелиуса и Э. Мичерлиха, к-рые включили ферментативные р-ции в категорию хим. каталитич. процессов. В кон. 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности ферментативных р-ций и тесном стерич. соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных р-ций были заложены в работах Л. Михаэ-лиса (1913).

В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ Ф. к., получение ферментов в кристаллич. состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, исследование большого числа конкретных ферментативных р-ций и ферментов.

В простейшем случае ур-ние р-ции с участием фермента имеет вид:

где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс (т. наз. комплекс Михаэлиса), P- продукт р-ции.

Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функц. группами активного центра, в т. ч. и с группами кофермента (см. Коферменты). Большое значение в механизмах ферментативных р-ций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоно-вых аминокислот.

Важнейшие особенности Ф. к.- эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость хим. превращения субстрата по сравнению с неферментативной р-цией в 10⁹-10¹² раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный центр комплементарен (см. Комплементарность )переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активац. барьер р-ции.

Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или неск. близких по структуре в-в. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.

Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т. ч. благодаря образованию изоферментов, к-рые катализируют идентичные р-ции, но отличаются строением и каталитич. св-вами), а также условиями среды (рН, т-ра, ионная сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват. превращений в-ва (см. Регуляторы ферментов).

Ферментативные р-ции чувствительны к внеш. условиям, в частности к ионной силе р-ра и рН среды. Влияние т-ры на скорость ферментативной р-ции описывается кривой с максимумом, восходящая ветвь к-рой отражает обычную для хим. р-ций зависимость, выраженную ур-нием Аррениуса. Нисходящая ветвь связана с тепловой денатурацией фермента. Максимум кривой соответствует оптимальной т-ре T _опт, значение к-рой для большинства ферментов лежит в пределах 40-50 ⁰C. Для нек-рых ферментов, особенно ферментов термофильных микроорганизмов, T _опт 80-90 ⁰C. Подробнее о кинетике ферментативных р-ций см. Ферментативных реакций кинетика.

Осн. направления совр. исследований Ф. к.- выяснение механизма, обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность действия ферментов), изучение механизмов контроля и регуляции активности ферментов. Оказалось, в частности, что р-ции Ф. к. включают большое число стадий с участием лабильных промежут. соед., времена жизни к-рых изменяются в нано- и миллисекундном диапазонах. На активных центрах ферментов протекают быстрые (нелимитирующие) стадии, в результате чего понижается энергетич. барьер для наиб. трудной, лимитирующей стадии.

Установлен механизм регулирования ферментативной активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. неск. молекул субстрата на белковой матрице. Найден способ "жесткого" выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инактивации.

Ф. к.- основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасштабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные р-ции в орг. р-ри-телях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообразование). С Ф. к. связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталитич. активность антителам, обнаружена каталитич. активность у рибонуклеи-новой к-ты (абзимы, рибозимы соотв.).

Лит.: Б е r е з и н И. В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной этимологии, M., 1990. См. также лит. к ст. Биотехнология^ Генетическая инженерия, Ферментативных реакций кинетика, Ферменты.

С. Д. Варфоломеев.

ферментати́вный ката́лиз

(биокатализ), ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками — ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем ферментативный катализ отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости реакции в 10¹⁰—10¹³ раз), специфичностью и регулируемостью, то есть изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма. Эти особенности ферментативного катализа обусловлены главным образом сложной пространственной структурой молекул ферментов.

* * *

ФЕРМЕНТАТИ́ВНЫЙ КАТА́ЛИЗ (биокатализ), ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками — ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем ферментативный катализ отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости реакции в 10¹⁰ -10¹³ раз), специфичностью и регулируемостью, т. е. изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма. Эти особенности ферментативного катализа обусловлены главным образом сложной пространственной структурой молекул ферментов.

(от лат.fermentum — закваска + катализ) — он же биокатализ, ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками — ферментами.

(биокатализ), ускорение хим. реакций в живых клетках спец. белками - ферментами. В основе Ф. к. лежат те же хим. закономерности, что и в основе небиол. катализа, используемого в хим. произ-ве. Вместе с тем Ф. к. отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости реакции в 10¹⁰-10¹³ раз), специфичностью и регулируемостью, т. е. изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма. Эти особенности Ф.к. обусловлены гл. обр. сложной пространственной структурой молекул ферментов.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ катализ (биокатализ) - ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками - ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем ферментативный катализ отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости реакции в 1010 -1013 раз), специфичностью и регулируемостью, т. е. изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма. Эти особенности ферментативного катализа обусловлены главным образом сложной пространственной структурой молекул ферментов.

Большой Энциклопедический словарь. 2000.

Источник: