Ферментативный катализ

Эта вид катализа осуществляется с помощью ферментов, которые яв­ля­ются разновидностью гомогенных органических катализаторов. Ферменты (энзимы) – встроенные в клеточные мембраны биологические катализаторы. По принятой международным биохимическим союзом классификации фер­ментов их именуют по названиям катализируемых ими реакций: оксире­дук­тазы, карбоксилазы, гидролазы, изомеразы, лиазы, трансферазы и т.д. Окси­редуктазы катализируют реакции окисления-восстановления, гидролазы – реакции гидролиза, изомеразы – реакции изомеризации, лиазы – присоеди­не­ния к двойным связям и т. п.

Ферменты – это белковые образования, в которых рабочей частью яв­ляется активный центр, представляющий собой гидрофильно-гидрофобную полость («карман»), образованную полипептидными фрагментами белковой молекулы и боковыми цепями остатков аминокислот.

Около 30 % известных в настоящее время ферментов содержат в качес­т­ве активного центра ионы металлов постоянной или переменной валент­ности. Эти металлы образуют с молекулами белка ряд комплексов, отличаю­щихся степенью лабильности. В качестве таких металлов могут присут­ствовать железо, цинк, медь, марганец, кальций, кобальт и др. Например, фермент карбангидраза (молярная масса 30 000) содержит один атом цинка в молекуле, находится в красных кровяных тельцах и катализирует дeгидра­та­цию гидрокарбонат-ионов и гидратацию СО₂.

Ферменты обладают огромной активностью, превышающей на нес­коль­ко порядков активность известных катализаторов. При этом отмечено, что они обеспечивают протекание химических реакций в мягких условиях: практически при комнатных температурах и атмосферном давлении.

Принципиальное отличие ферментов от других катализаторов связано прежде всего со специфичностью их действия. Различают четыре типа специ­фичности действия ферментов.

1. Абсолютная специфичность, когда фермент ускоряет превращение только одного вещества или одной пары субстратов (для бимолекулярной реакции) в соответствующие продукты. Без абсолютной специфичности большинства ферментовсуществующая форма жизни была бы невозможна, поскольку в клетке существуют различные функционально близкие суб­страты, которые пртерпевают совершенно разные превращения.

2. Абсолютно-групповая специфичность, когда фермент катализирует превращения определенной группы веществ.

3. Относительная групповая специфичность, при которой каталити­чес­кое действие фермента проявляется не к группе веществ, а только к ее части. Например, пероксидазы специфичны только к пероксиду водорода, но не очень чувствительны к природе окисляемых субстратов, если они явля­ются ароматическими полифенолами.

4. Стереохимическая специфичность, когда фермент способен отли­чать свой субстрат от его оптического изомера. Тогда название фермента со­дер­жит буквы D- или L-. Такой фермент абсолютно стереоспецифичен. Это означает, что адсорбционный участок такого ферментаестрого комплимента­рен избранному субстрату. Важно отметить, что второй стериоизомер вооб­ще не способен соединяться с ферментом, либо, если такое связывание и про­исходит, то он является конкурентным ингибитором. Это свойство фермен­тов называют также энантиоселективностью, а молекулы, синтезируемые с по­мощью таких ферментов, называют энантиомерами. Это свойство фер­ментов незаменимо при синтезе лекарственных препаратов.

Ферменты широко применяются в биосинтезе для создания ряда про­дуктов с разнообразным спектром потребительских свойств:

- медикаментов – инсулина, интерферона, интерлейкины, витаминов, гормональных препаратов, антибиотиков и т.д.

- пищевых добавок – кормового и пищевого белков, простейших саха­ров, глюкозы, фруктозы, антиоксидантов, ароматизаторов и пр.

- биоэнергетиков – спирта, водорода, биогенных углеводородов, фер­ментных электродов и пр.

- биополимеров – полимеров, способных разлагаться под воздействием природных микроорганизмов, приближающимся по свойствам к полученным обычным химическим путем.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение гомогенного катализа. Что такое кислотно-основ-ной катализ? Каков механизм его протекания? Приведите примеры.

2. Дайте определение кислот и оснований по Аррениусу, Льюису, Бренстеду, Усановичу.

3. Приведите примеры кислот и оснований Льюиса.

4. Объясните механизм специфического кислотного катализа.

5. Объясните особенности специфического основного катализа.

6. Объясните особенности общего кислотного катализа.

7. Объясните механизм общего основного катализа. Дайте примеры.

8. Объясните особенности электронного катализа. Приведите примеры реакций.

9. Расскажите о кинетике кислотно-оснвного катализа.

10. Объясните механизм металлокомплексного катализа. Что такое кластеры? Примеры катализаторов и реакций.

11. Объясните особенности ферментативного катализа. Дайте опреде­ление понятию «фермент».

12. Какие виды специфичности присущи ферментам?

13. Приведите примеры ферментов.

14. Приведите примеры синтезов с использованием ферментов.

ТЕМА 8