3. Валентный и энергетический механизмы активации в катализе

По своим физико-химическим характеристикам ферменты ничем особенно не отличаются от других катализаторов и долгое время их резко выделяло только одно свойство – высокая химическая специфичность, настройка на определенное превращение определенных субстратов. Но по мере того как совершенствовалась техника получения ферментов в чистом виде, выяснялась природа их активных групп, появилась возможность определения истинной активности ферментов в виде числа молекул субстрата, превращаемых при определенных условиях одной активной группой фермента в единицу времени.

Ферменты отличаются от неорганических катализаторов колоссальной активностью, которая вместе с химической специфичностью составляет главную особенность ферментативного катализа. Абсолютная активность ферментов достигает огромных величин, которые на несколько порядков превышают даже самые производительные неорганические катализаторы.

Высокое термодинамическое сродство к субстрату является существенным, но не определяющим свойством фермента. Установление механизма распада перекиси водорода дало возможность найти для разных катализаторов истинные значения энергии активации Е и предэкспоненциального множителя k₀. Огромная активность каталазы и других ферментов целиком обусловливается сильным снижением энергии активации по сравнению с другими типами катализаторов: ни один из неорганических катализаторов не способен проводить распад Н₂O₂ с активационным барьером ниже 46 кДж (платина), каталаза же проводит его при вдвое меньшей высоте энергетического барьера 23 кДж.

Итак, сверхвысокая активность ферментов связана с необычайно легким прохождением субстрата в контакте с молекулой фермента через активационный барьер. Значительную роль играет и их вторичная структура, свойственная сложным молекулам белковой природы. Очень большое значение имеет и подвижность элементов фермента в процессе адсорбции и последующего превращения элементов.

Активные места ферментов и реагирующие вещества образуют цепочки или циклы («цепи перераспределения связей»), по которым в результате перемещения протонов и электронов синхронно происходит изменение кратности связей, что и обусловливает высокую компенсацию энергии разрыва старых связей и резкое снижение энергии активации реакции. Фермент строго ориентирует молекулы реагентов вдоль координаты реакции, что повышает число эффективных столкновений приблизительно в 1000 раз. Молекулы реагирующих веществ под действием ферментов переходят в наиболее реакционноспособные формы, чаще всего ионные, что еще в 1000 раз увеличивает скорость реакции. Чтобы реагирующее вещество перешло в наиболее реакционноспособное состояние, необходим дополнительный резерв энергии. Одним из источников этой дополнительной энергии является многоточечная адсорбция реагирующей молекулы на ферменте с использованием части энергии адсорбции на перестройку молекулы. Второй возможный путь повышения энергоемкости системы указан Кобозевым – это реализация в катализе энергетического механизма активации. Кобозев подчеркивает, что катализ рассматривается как обмен связями или электронами, происходящий в условиях статистического и энергетического равновесия с внешней средой. Эта «валентная форма» катализа считается столь универсальной, что обычно даже не ставится вопрос о существовании какой-либо другой его формы. А между тем эта другая форма катализа существует и весьма широко представлена в виде биологического ферментативного катализа, охватывающего огромную область каталитических превращений в живом веществе. Валентный механизм каталитического действия нельзя признать вполне общим и должна существовать иная, весьма мощная форма каталитической активации, реализующаяся в биокатализе.

Вопрос о различии и сходстве гетерогенных неорганических и гетерогенных биологических катализаторов имеет принципиальное значение, так как именно здесь наиболее типично выражена, с одной стороны, обычная «валентная»,а с другой – особая энергетическая форма катализа. Энергетическая природа активации проявляется в зависимости абсолютной активности катализаторов, т. е. числа превращающихся молекул субстрата на одну активную группу в 1 с, от теплового эффекта реакции Q_peак (рис. 19). Линейная зависимость между логарифмом абсолютной активности и тепловым эффектом реакции отвечает показательной функции между степенью активации и тепловым эффектом реакции, причем эти функции приобретают вид для ферментов:

где а₀ – валентная активность центра; е^0,23– энергетическая автоактивация центра;

и для металлов:

где а₀ колеблется от 0,5 до 2;  – коэффициент возврата энергии на автоактивацию центра; q – порог активации, равный для металлов ~90 кДж.

В отличие от ферментов для металлов имеется некоторая минимальная величина теплового эффекта q, при которой энергетическая активация центра кристалличе­ской решеткой не происходит.

Из уравнений (V.26) и (V.27) следует, что для реакций с тепловым эффектом, близким к нулю, или для таких систем, где степень возврата энергии реакции близка к нулю, удельная ферментная активность сравнима с активностью самых обычных неорганических катализаторов, в том числе и адсорбционных. Это следует из того, что прямая I (рис. 19) вблизи Q_реакц = 0 пересекается с полосой III для атомных адсорбционных катализаторов.

Рис. 19. Зависимость абсолютной активности от теплового эффекта реакции:

I – ферменты; II – металлические катализаторы; III – адсорбционные катализаторы на носителях.

Это количественное сближение сложного ферментного катализатора с элементарным неорганическим катализатором при изменении энергетических параметров реакции вплотную подводит к вопросу: является ли описанная энергетическая, т. е. невалентная, активация ферментов их исключительной особенностью или она в какой-то мере присуща простым каталитическим системам — атомным ансамблям и неорганическим кристаллическим катализаторам.

Если обратиться к активности ансамблей на индифферентных, носителях (полоса III на рис. 19), то зависимость активности от теплового эффекта исчезает и имеется практически горизонтальная полоса, заключающая точки для различных процессов и раз­личных носителей. Изменение активности для катализаторов на таких, носителях, как BaSO₄, CaSO₄, MgO, SiO₂, асбест, А1₂О₃„ уголь, лежит в пределах одного порядка. Среди этого типа носителей трудно даже указать какой-либо активный ансамбль, выделяющийся по своему действию. Однако картина резко меняется, если перейти к металлическим носителям, под которыми понимается кристаллическая решетка самого катализатора. Комбинация активного ансамбля с кристаллической решеткой катализатора резка увеличивает активность ансамбля. Активация ансамбля его собственной решеткой растет с тепловым эффектом реакции по тому же экспоненциальному закону, что и активность ферментов, и для реакций с большими тепловыми эффектами достигает высоких значений (рис. 19, полоса II).

Таким образом, даже для простейших неорганических катализаторов, взятых в кристаллическом виде, существует не только валентный механизм, но смешанный валентно-энергетический. Это существенно расширяет первоначальное представление о безраз­личном отношении атомных металлических ансамблей к носителям, на которых они адсорбированы. Представления теории активных ансамблей остаются вполне справедливыми для инертных носите­лей типа окислов, углей, но не для собственной кристаллической решетки. Для кристаллической решетки самого катализатора энергетический катализ или автоактивация превращаются в ярко выраженный каталитический эффект, способный при достаточно экзо- термических реакциях повышать эффективность активных центров в десятки и сотни раз. Даже если допустить, что активны все атомы поверхности платиновой черни при разложении Н₂О₂, рассчитанная активность в 20–40 раз меньше экспериментальной. Главную роль играет повышение производительности каждого активного центра за счет выделяющейся энергии реакции. Вместе с тем не исключается возможность, что некоторые более слабо связанные атомы решетки сами приобретают каталитическую активность в результате энергетического возбуждения.

Сопоставление уравнений энергетической автоактивации ферментов и неорганических катализаторов показывает, что все они могут быть выражены в виде следующего общего закона активации катализаторов:

(V.28)

где (Q_peaк – q) – энергия, захваченная молекулярным агграватором, белковым носителем или кристаллической решеткой катализатора; q – порог энергетической автоактивации;  – коэффициент возврата энергии к активному центру; – степень захвата (рекуперации) энергии реакции катализатором или носителем (дляQ_peaк > q). Фермент и гетерогенный катализатор различаются коэффициентами  (табл. 4).

Таблица 4