Катализ и катализаторы в организме человека

Дата создания: 2015/04/25

Слово «катализ» было введено химиком Андреем Либавием еще XVI веке. Им обозначали процессы разложения или разрушения. Шведский ученый Берцелиус употребил этот термин, объединив под этим названием явления, в которых сказывается действие катализатора. Возбуждение химической деятельности он рассматривал как результат проявления особой каталитической силы, а изменение веществ истолковывал как особое превращение – катализ.

Большую роль в развитии науки о катализе сыграли исследования русских ученых, направленных на изучение внутренних механизмов действия катализаторов. В XIX веке наука обогатилась крупнейшими открытиями русских ученых: Зайцева М.М., Кучерова М.Г., Коновалова Д.П., Бутлерова А.М. Величайший химик Д.И.Менделеев впервые объяснил роль внутримолекулярных движений в каталитических превращениях. «На точках прикосновения тел, - писал Д.И.Менделеев в 1886 году, - изменяется состояние внутреннего движения атомов в частицах, а оно определяет химические реакции; поэтому от контакта совершаются реакции соединения, разложения и перемещения».

Сведения о ферментах в науке стали появляться в начале XIX веке. В 1833 году впервые из прорастающих зерен ячменя было выделено активное вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и получившее название диастазы (ныне этот фермент называется амилазой). В конце XIX века было доказано, что сок, получаемый при растирании дрожжевых клеток, содержит сложную смесь ферментов, обеспечивающих процесс спиртового брожения. С этого времени началось интенсивное изучение ферментов – их строения и механизма действия. Высокоочищенный кристаллический фермент был выделен в 1926 г. американским биохимиком Дж. Самнером. Этим ферментом была уреаза, которая катализирует расщепление мочевины.

Так как роль биокатализа была выявлена при изучении брожения, то именно с этим процессом были связаны два установившихся в XIX веке названия – энзим и фермент. Правда последний синоним применяется только в русскоязычной литературе. Было установлено, что по химической природе ферменты являются белками. Во второй половине XX века для многих сотен ферментов уже была определена последовательность аминокислотных остатков, установлена пространственная структура. К настоящему времени известно более 2 тыс. ферментов, и их количество продолжает расти. В 1969 году впервые был осуществлен химический синтез фермента рибонуклеазы. Огромные успехи были достигнуты в понимании механизма действия ферментов. Энзимология – учение о ферментах, выделено в самостоятельную науку.

Общая характеристика ферментов

Биологические катализаторы называются ферментами (от лат. fermentum - брожение, закваска), или энзимами (от греч. en – внутри, zyme – дрожжи, закваска).

Фермент - это специфический белок, обладающий каталитической активностью за счет действия активной группы, которая может быть прочно связана с белком и являться его составной частью.

Ферменты действуют целыми системами, их согласованная деятельность составляет основу обмена веществ. Набор ферментов решающий отличительный признак клетки. Так как ферменты могут распадаться и образовываться вновь, набор ферментов может со временем изменяться. В клетке ферменты находятся в определенных структурах, например в митохондриях, лизосомах, в основном веществе цитоплазмы, ядре, где и проявляют свое действие. Например, в ядре находятся ферменты, ответственные за репликацию – синтез ДНК (ДНК - полимеразы), за ее транскрипцию – образование РНК (РНК - полимеразы). В митохондриях присутствуют ферменты, ответственные за накопление энергии, в лизосомах – большинство гидролитических ферментов, участвующих в распаде нуклеиновых кислот и белков. Ферменты могут выделяться во внутренние полости (полость рта, желудка, просвет кишечника) или наружу (экзоферменты у бактерий, пауков, насекомоядных растений).

Как и любые катализаторы, ферменты ускоряют биохимические реакции за счет снижения энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходные соединения) от другого (продукты реакции). Кроме того, ферменты делают осуществимыми многие превращения веществ, не мыслимые в отсутствие биокатализа. Нередко фермент ускоряет один из нескольких термодинамически возможных путей превращения вещества, тем самым, избирая его. Следовательно, ферменты выступают не только как ускорители, но и как своеобразные организаторы обменных процессов, чему способствует возможность регулирования их активности.

Систематика ферментов

В 1961 г. специальной комиссией Международного Биохимического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов. Ферменты были подразделены на шесть групп в соответствии с типом реакции, которую они катализируют. Каждый фермент получил систематическое наименование, точно описывающее катализируемую им реакцию. Однако, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому ферменту было присвоено также и «тривиальное», рабочее название, предназначенное для повседневного употребления. Рабочее название состоит из названия субстрата, на который действует данный фермент, указания на тип катализируемой реакции и окончания «-аза».

(Пример: рибулозобифосфаткарбоксилаза; здесь субстратрибулозобифосфат (+СО2), а тип реакции – карбоксилирование (добавление СО2)) (Приложение 1).

Свойства ферментов

Являясь катализаторами, ферменты имеют ряд общих с небиологическими катализаторами свойств.

• Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из нее в первоначальном виде, они не расходуются в процессе катализа.
• Ферменты ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.
• ерменты не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение.
• Ферменты обладают специфическими свойствами.
• По своему химическому строению все ферменты являются белками.
• Эффективность ферментов намного выше, чем небиологических катализаторов (в 104-109 раз). Так, единственная молекула фермента каталазы может расщепить за одну секунду 10 тыс. молекул токсичной для клетки перекиси водорода, которая возникает при окислении в организме различных соединений: 2Н2О2 → 2Н2O + O2 ↑, Или еще один пример, подтверждающий высокую эффективность действия ферментов: при комнатной температуре одна молекула уреазы способна за одну секунду расщепить до 30 тыс. молекул мочевины: H2N - CO - NH2 + H2 О → СО2 ↑ + 2NН3 ↑. Не будь катализатора, на это потребовалось бы около 3 млн. лет.
• Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты.

Избирательность это способность данного катализатора ускорять главным образом одну какую-нибудь реакцию. Именно благодаря их избирательности достигается согласованная работа клеток, необходимая для нормального функционирования всего организма. По выражению химика Э.Фишера, катализатор подходит к веществу, как ключ к замку .Большинство ферментов действуют лишь на один или очень небольшое число «своих» природных соединений (субстратов). Специфичность ферментов отражает формула «один фермент - один субстрат». Благодаря этому в живых организмах множество реакций катализируется независимо. Например, в организме животных и человека отсутствует фермент, расщепляющий целлюлозу, но крахмал и гликоген легко подвергаются гидролизу ферментом амилазой. Разница в строении этих углеводов состоит только в том, что молекула первого вещества состоит из остатков α - глюкозы, а молекулы двух других – из остатков β - глюкозы. Фермент амилаза действует на α - гликозидную связь в молекуле крахмала, гликогена, мальтозы, но не действует на β - гликозидную связь в целлюлозе.

• Ферменты образуют комплексы - так называемые биологические конвейеры. Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций; Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.
• Присутствуя в клетках в малых количествах, ферменты работают при обычной температуре и давлении (хотя рамки действия ферментов ограничены, так как высокая температура вызывает денатурацию).
• Действия ферментов как биокатализаторов регулируются для координации всех метаболических процессов в организме. Т.е. «включаются» и «выключаются» (правда, это относится не ко всем ферментам, например, не регулируется амилаза слюны и ряд других пищеварительных ферментов). В большинстве молекул апоферментов есть участки, которые узнают еще и конечный продукт, «сходящий» с полиферментнoго конвейера. Если такого продукта слишком много, то активность самого начального фермента тормозится им, и наоборот, если продукта мало, то фермент активизируется. Так регулируется множество биохимических реакций. Таким образом, ферменты обладают целым рядом преимуществ по сравнению с небиологическими катализаторами.

Строение ферментов

Ферменты, как вещества белковой природы, имеют большую молекулярную массу, которая колеблется от нескольких тысяч до миллиона. Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше, чем молекулы веществ, которые они активируют в реакциях. Например, трипсин имеет молекулярную массу 40 000, а синтетаза высших жирных кислот (ВЖК), катализирующая синтез жирных кислот, относится к ферментам-гигантам с молекулярной массой более 1000000. Она состоит из целого конвейера белков, объединенных в одну суперструктуру.

Структура

Каждый фермент имеет определенное строение. Оно зависит от его первичной структуры, которая определяет третичную и четвертичную структуры, т. е. форму глобулы и ее пространственную конфигурацию. Как правило, для высокомолекулярных ферментов характерна четвертичная структура. Например, фермент каталаза, расщепляющий пероксид водорода, состоит из шести субъединиц. Для присоединения субстрата и катализа реакции, необходима определенная форма белка-фермента. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нем поддерживается специфическая конфигурация каталитического центра, что связано с третичной и четвертичной структурами белка.

В составе фермента, кроме белковой части (апофермент), имеется добавочная группа небелковой природы - активатор (кофактор, или кофермент), вследствие чего образуется

активный голофермент. Часто они образуют комплексы с небелковыми компонентами: металлами (цинком, железом, марганцем, медью и др.), низкомолекулярными органическими соединениями, витаминами. Например, в состав каталазы входит железо; витамин В3 (или РР) является компонентом окислительно-восстановительных ферментов; витамин В1 входит в состав ферментов, отщепляющих углерод от молекул органических соединений.

Субстратный, активный и регуляторный центры

В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный. Непосредственно в реакции участвует лишь небольшая часть белковой молекулы, состоящая обычно от 3 до 15 остатков аминокислот. Это каталитический, или активный, центр фермента. Остальные аминокислоты белка определяют конфигурацию молекулы, связывают субстрат, присоединяют дополнительные ионы. Активный центр является главной частью фермента. Здесь происходит видоизменение субстрата, собственно реакция; образуются продукты или продукт. В некоторых случаях функции активного центра выполняет небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое. Субстратный центр служит «якорной, площадкой для соединения фермента с субстратом. При этом между ними возникают определенные связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают.

Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный центр фермента. К нему могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые видоизменяют форму молекулы фермента таким образом, чтобы способствовать быстрому соединению с субстратом или, наоборот, не возможности соединения.

Витамины как активная группа

Важными составными частями активных групп ферментов во многих случаях являются витамины или их соединения. Так, витамин В входит в состав активной группы фермента, разлагающего пировиноградную кислоту – один из важных продуктов обмена веществ. Витамин РР является активной группой ферментов дегидраз, переносящих водород и выполняющих ответственные функции в дыхании тканей. Витамин А выполняет роль фотокатализатора в процессе раздражения светом зрительного нерва. Другие витамины, как например витамин С, не представляя собой активной группы определенного фермента, играют по-видимому, роль промежуточного вещества, связывающего действие одного фермента с другим. Такие витамины, как недавно открытый витамин В12, выполняют роль катализатора в создании очень сложных соединений, необходимых организму, в частности гемоглобина и других. Таким образом, почти все функции разнообразных витаминов носят явно выраженный каталитический характер.