Катализ.

1. Сущность катализа

Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.

Бывают катализаторы как ускоряющие протекание реакции, так и замедляющие ее. В первом случае катализ называется положительным, а во втором – отрицательным. Катализаторы, уменьшающие скорость реакции, называются ингибиторами.

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Т. е. в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации реакции понижается; некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.

Рис. 3. Энергетическая схема реакции, протекающей с участием катализатора:

АВ и РQ – исходные вещества; AP и BQ – продукты реакции; APQB – переходное состояние без катализатора; АВК – первое переходное состояние в присутствии катализатора; ABPQK – второе переходное состояние в присутствии катализатора; Е_а1 – энергия активации прямой реакции без катализатора; Е_а2 – энергия активации обратной реакции без катализатора; Е_ак1 – энергия активации прямой реакции в присутствии катализатора; Е_ак2 энергия активации обратной реакции в присутствии катализатора.

Из рис.3 ясно, что катализатор изменяет путь, по которому идет реакция, снижает энергию активации прямой и обратной реакции на одну и ту же величину. При этом в ходе реакции в присутствии катализатора образуются новые переходные состояния, самая высокая энергия одного из которых будет определять энергию активации каталитической реакции. Отсюда следует, что катализатор в одно и то же число раз ускоряет и прямую, и обратную реакции.

Таким образом, сущность катализа заключается в том, что в присутствии катализатора изменяется путь, по которому проходит суммарная реакция, образуются другие переходные состояния с иными энергиями активации, а поэтому изменяется и скорость химической реакции.

2. Ферменты и их строение

Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и в клетках животных и человека, являются каталитическими. Катализаторы в этом случае называют ферментами.

Ферменты – белки, выполняющие специфические функции катализа химических реакций. Ферменты имеют уникальные свойства: они представляют самые эффективные катализаторы в природе (одна молекула каталазы расщепляет 2,5×10⁶ молекул H₂O₂ в течение 1 минуты при нормальных условиях и pH=6,8), они обладают специфичностью действия, подвержены регуляции в своей активности. Ферменты выступают как химические катализаторы, т.е. не расходуются в процессе реакции, поэтому достаточно их малых концентраций. В связи с этим в организме существует огромная диспропорция между массой фермента и массой субстрата, на который воздействует данный фермент.

Есть две важные характеристики фермента: во-первых, фермент не изменяется, вступая в реакцию, и выходит из реакции в первоначальном состоянии; во-вторых, фермент не изменяет положение равновесия реакции, он лишь ускоряет течение химической реакции (достижение равновесия). Таим образом, фермент ускоряет реакцию без изменения термодинамических свойств системы, с которой он взаимодействует.

Относительная молекулярная масса ферментов может достигать нескольких миллионов. У простых ферментов ряд функциональных групп определенных аминокислот формирует активный центр молекулы, который обеспечивает непосредственное взаимодействие ее с субстратом. Часто в активном центре ферментов имеются следующие аминокислоты: серин, тирозин, аргинин, гистидин. Лизин, цистеин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты.

Количество активных центров у разных ферментов может быть различным. Аминокислоты, образующие активные центры, располагаются в различных местах полипептидной цепи, но в пространственной близости друг к другу с заданной определенной конформацией. Это доказывается потере ферментативной активности при денатурирующих воздействиях, когда нарушается вторичная и третичная структура белковой молекулы. Активный центр составляет сравнительно небольшую часть от общего объема молекулы фермента. У сложных ферментов различают апофермент, или белковую часть, которая в свободном виде не обладает ферментативной активностью, и небелковый компонент – кофермент (кофактор), или простетическую группу, который определяет активность молекулы фермента. Соединения апофермента и небелкового компонента осуществляется в основном за счет водородных, ионных связей. В ферментативных реакциях кофермент проявляет относительную самостоятельность.

Коферменты могут быть представлены органическими веществами (нуклеотиды, витамины) или неорганическими веществами (металлы). В частности, важную роль в биохимических процессах играет кофермент А (HS-KoA). Его структура включает адениловый нуклеотид, соединенный с пантотеновой кислотой, которая связана с -аминоэтантиолом.

Многие ферменты содержат в своей структуре металл, образуя стабильные комплексы. Основными металлоферментами этого типа являются – полифенолоксидаза (Cu), угольная ангидраза (Zn), аргиназа (Mn),различные фосфатазы (Mg). Эти ферменты инактивируютя в случае удаления из их структуры металла. Роль металла в ферментной системе часто связана с образованием комплекса между ферментом и его субстратом. Например, магний необходим для фиксации АТФ на ферментах (киназах). В отделных случаях металл играет активную роль в реакциях, за счет участия в транспорте электронов, как, например, железо в цитохромах.

3. Теория ферментативного катализа

Существующие теории, объясняя взаимодействие фермента и субстрата, допускают временное их соединение с образованием промежуточного фермент-субстратного комплекса. Теория ферментативного катализа (теория Михаэлиса-Ментен) предполагает следующие этапы.

I этап. Между субстратом и ферментом возникает связь, в результате чего образуется фермент-субстратный комплекс ES, в котором компоненты связаны между собой ковалентной, ионной, водородной и другими связями.

II этап. Субстрат под влиянием присоединенного фермента активируется, становясь доступным для соответствующих реакций катализа ES.

III этап. Осуществляется катализ ES*.

IV этап. Освобождается молекула фермента E и продукты реакции Р.

I II III IV

E + S  ES  ES*  E + P

Теория ферментативного катализа подтверждена экспериментально. Так, из хрена выделен фермент, расщепляющий пероксид водорода – пероксидаза коричневого цвета. После соединения фермента E с субстратом H₂O₂ (S) возникает фермент-субстратный комплекс ES зеленого цвета. Через некоторое время субстрат активируется, образуя фермент-активированный субстрат ES* красного цвета. Он расщепляется на коричневый фермент E и продукты распада P.

Скорость реакции или скорость образования конечного продукта очевидно пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса.

Также скорость реакции пропорциональна числу активных центров фермента, вовлекаемых молекулами субстрата. Конформация активного центра фермента такова, что она стехиометрически комплементарна субстрату. Таким образом, существует определенное сродство фермента к определенному субстрату. В этом случае достигается максимальная фиксация субстрата на активных центрах фермента. Впервые это утверждение высказал в 1890г. Э. Фишер, который считал, что пространственные структуры активного центра фермента и его субстрата должны иметь стерическое соответствие, чтобы произошла химическая реакция. С этого времени возникла формулировка о соответствии фермента и субстрата, как ключа и замка. В настоящее время считают, что активные центры многих ферментов не представляют собой жесткие структуры. Форма их активного центра становится комплементарной лишь после связывания с субстратом.

В образовании фермент-субстратного комплекса участвуют водородные связи, гидрофобные и электростатические взаимодействия, временно образующие ковалентные связи.

Установлено, что при образовании фермент-субстратного комплекса молекулы фермента и субстрата, сближаясь, определенным образом ориентируются относительно друг друга. В присутствии субстрата происходят конформационные изменения молекулы фермента, что обеспечивает ориентацию в пространстве функциональных групп активного центра, оптимальным образом подходящую к взаимодействию с соответствующими группами субстрата. Эти конформационные взаимодействия получили название «индуцированного соответствия». Вероятно, оно увеличивает скорость ферментативных реакций, приводя к возникновению менее стабильных разрываемых связей в субстрате. Для химических ферментативных реакций важное значение имеет и электрофильно-нуклеофильный катализ. Активные центры ряда ферментов имеют электрофильные и нуклеофильные группировки, принимающие участие в химическом катализе. Электрофильные группировки – это акцепторы электронных пар, а нуклеофильны – это доноры электронных пар. В реакциях нуклеофильного замещения происходит образование ковалентных промежуточных соединений. При этом нуклеофильная группировка занимает место замещаемой группы, образуя ковалентный интермедиат, который неустойчив и легко распадается на конечные продукты реакции.