Реакции химические

Реакции химические, превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению. Общее число атомов каждого данного элемента, а также сами химические элементы, составляющие вещества, остаются в Реакции химические неизмененными; этим Реакции химические отличаются от ядерных реакций. Реакции химические осуществляются при взаимодействии веществ между собой или при внешних воздействиях на них температуры, давления, электрического и магнитного полей и т.п. В ходе Реакции химические одни вещества (реагенты) превращаются в другие (продукты реакции), что записывается в виде уравнений химических. Реагенты и продукты реакции часто носят общее название реактанты. Каждая Реакции химические характеризуется стехиометрическим соотношением реактантов и скоростью химической реакции. Совокупность отдельных стадий Реакции химические, установленная экспериментально или предложенная на основе теоретических представлений, называется механизмом реакции.

Любая Реакции химические обратима, хотя скорости прямой и обратной реакций могут при этом существенно отличаться. Когда скорости прямой и обратной реакций равны, система находится в равновесии химическом. В положении равновесия или вблизи него поведение системы описывается законами и соотношениями термодинамики химической. В целом изучение механизмов и скоростей как обратимых, так и практически необратимых Реакции химические составляет предмет химической кинетики, а при учёте также и физических процессов в системе (диффузия, теплопередача и др.) — предмет макрокинетики. При изучении Реакции химические на молекулярном уровне используют представления о взаимодействии атомов и молекул при их столкновениях друг с другом, с электронами и др. частицами, о превращениях молекул при поглощении и испускании фотонов и т.п. Этот подход базируется, как правило, на квантовой теории и связан в основном с изучением элементарного акта Реакции химические, т. е. отдельного процесса столкновения молекул реактантов. Квантовомеханическое описание элементарного акта базируется на одном из двух подходов. При временном подходе элементарный акт рассматривается как процесс рассеяния подсистем (атомов, молекул, ионов) при их столкновении. Согласно стационарному подходу, исследуется движение конфигурационной точки (изображающей ядерную конфигурацию всей системы реактантов) по потенциальной поверхности, определяемой взаимодействием подсистем реактантов, в частности ядер молекул в усреднённом поле электронов. Начало стационарному подходу было положено введением представления об активированном комплексе. При сравнительном рассмотрении реакций, особенно в органической химии, пользуются обычно представлениями о наиболее вероятных механизмах реакций и об активности реагентов в определённых классах реакций, такими как реакционная способность, ориентации правила, нуклеофильные и электрофильные реагенты, принцип сохранения орбитальной симметрии (см. Симметрия в химии) и т.п.

Реакции химические существенно зависят как от природы реактантов, так и от внешних условий реакции. Многие Реакции химические возможны только под воздействием внешних источников энергии: тепловой, электромагнитной (фотохимические реакции), электрической (электрохимические реакции). При этом сама Реакции химические может служить источником энергии. Количественное экспериментальное изучение Реакции химические привело к установлению ряда основных законов химии, отражающих как стехиометрию, так и энергетику реакций. К таким законам относятся постоянства состава закон, Гесса закон и др. Классификация Реакции химические проводится по различным признакам и различается в зависимости от того, в какой области химии они исследуются. Термодинамическая классификация использует в качестве таких признаков: энергетику реакций (экзотермические, т. е. идущие с выделением тепла, и эндотермические, т. е. идущие с поглощением тепла); количество фаз реактантов (гомогенные и гетерогенные реакции). Различают Реакции химические, идущие в объёме, на поверхности раздела фаз и т.д. Кинетическая классификация выделяет следующие признаки: скорость прямой и обратной реакций (обратимые и необратимые реакции); число взаимосвязанных реакций в системе (простая реакция, т. е. только одна, практически необратимая реакция, и сложная реакция, которую можно подразделить на несколько простых); молекулярность реакции (число молекул, одновременным взаимодействием между которыми осуществляется элементарный акт химического превращения); порядок реакции по каждому реагенту и в целом (см. Кинетика химическая). Сложные Реакции химические по форме связи простых реакций подразделяются на параллельные, последовательные, сопряжённые, обратимые и т.д. В отдельную группу выделяется обширный класс каталитических реакций (см. Катализ). В зависимости от того, какие частицы участвуют в элементарном акте, реакции подразделяются на молекулярные, ионные, фотохимические и т.д., а также радикальные или цепные реакции. Детальное подразделение реакций проводится и по их механизму.

В неорганической химии широко используется классификация Реакции химические по типам участвующих в них соединений и по характеру их взаимодействия: реакции образования и разложения, гидролиза, нейтрализации реакции, реакции окисления-восстановления. Большую группу Реакции химические составляют различные реакции комплексообразования.

Органические реакции подразделяют на две большие группы: гетеролитические, при которых разрыв связи в молекуле происходит несимметрично и электроны остаются спаренными, и гомолитичные, в которых происходит симметричный разрыв связи, в результате чего образуются радикалы. В зависимости от типа атакующего реагента гетеролитические реакции могут быть нуклеофильными (обозначаются символом N) и электрофильными (символ Е). Основные три класса органических реакций включают замещения (обозначаются символом S с индексами N или Е), присоединения (символ А) и отщепления (элиминирования, символ Е). Каждая из этих реакций в зависимости от механизма может осуществляться как нуклеофильный, электрофильный или радикальный процесс. Особый класс реакций составляют реакции циклоприсосдинения. С учётом молекулярности лимитирующей стадии различают мономолекулярные (например, S_E 1) и бимолекулярные (например, S_E 2) реакции. Помимо указанных механизмов, присоединения и замещения реакции могут происходить в результате окислительно-восстановительного взаимодействия реагентов. Многие органические реакции включают ряд последовательных стадий, в том числе обратимых. Общая обратимость характерна для таких, например, реакций, как реакции металлирования и ароматического сульфирования. Возможны реакции, в которых промежуточные соединения вступают в параллельные реакции, что приводит к образованию смеси продуктов. Многочисленные превращения органических молекул включают процессы, происходящие без изменения состава, но приводящие к изменению химического строения (структуры) соединения, например различного типа изомеризации, молекулярные перегруппировки и таутомерные превращения (см. Органическая химия).

  Понятие Реакции химические является в известной степени условным. Так, к числу Реакции химические обычно не относят образование ассоциатов в растворах, электронные возбуждения молекул (даже при существенном изменении равновесной геометрической конфигурации) и ряд др. процессов.

Лит.: Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г., Курс химической кинетики, 2 изд., М., 1969; Курс физической химии, под общ. ред. Я. И.

Ферментативный катализ, биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов. 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 Ферментативный катализ

Одно время считалось, что Ферментативный катализ принципиально отличается от небиологического катализа, широко используемого в химическом производстве. Такое представление основывалось на трёх отличительных особенностях Ферментативный катализ: 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 Ферментативный катализ является также его регулируемость – способность биокатализатора – фермента – увеличивать или уменьшать свою активность в зависимости от потребностей организма. Однако исследование механизма Ферментативный катализ показывает, что к нему применимы законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Отличие реакций Ферментативный катализ определяется сложностью структуры ферментов и химических превращений, которые совершают вещества в ходе катализа.

Эффективность Ферментативный катализ достигается в результате того, что химическая реакция разбивается на ряд энергетически более лёгких промежуточных реакций, в которых участвует фермент. Важнейшая для Ферментативный катализ 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 Ферментативный катализ объясняется строгим геометрическим и электронным соответствием структуры субстрата структуре активного центра 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 a-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 Ферментативный катализ К ним относятся производные витаминов, коферменты, а также ионы некоторых металлов (Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, Со, Mo и др.).

Общая теория Ферментативный катализ не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а в отдельных случаях и количественно объяснить высокую активность Ферментативный катализ 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 Ферментативный катализ позволяет теоретически предсказать возможное ускорение реакции в 10¹⁰–10¹³ раз, что во многих случаях совпадает с найденной экспериментально величиной.

Механизмы регуляции активности Ферментативный катализ 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 Ферментативный катализ 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 Ферментативный катализ; нередко она саморегулируется продуктом реакции. Для обратимых процессов, когда фермент катализирует прямую и обратную реакции, скорость прямой реакции (активность Ферментативный катализ) уменьшается при образовании избытка продукта реакции.

Важную роль в Ферментативный катализ 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) 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.

ФЕРМЕНТЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ (КЛЯЧКО Н.Л. , 1997), ХИМИЯ

Обсуждены общие принципы катализа и особенности действия ферментов как катализаторов: многоточечное взаимодействие с субстратом, приводящее к сближению и правильной ориентации в активном центре реагирующих групп; перевод реакции во внутримолекулярный режим; повышение реакционной способности групп, участвующих в катализе; стабилизация переходного состояния реакции.

ФЕРМЕНТЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ

Ферменты – особые белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах. К настоящему времени найдена лишь одна ферментативная реакция небелковой природы, когда молекула РНК катализирует свое собственное разрезание на части. В природном окружении многие ферменты функционируют в живых клетках, где одновременно протекает множество взаимосвязанных процессов. Они могут быть выделены из клеток и очищены. Именно это обстоятельство явилось важной вехой в понимании кинетических особенностей и механизмов действия многих ферментов. Ферменты – уникальные катализаторы, обладающие непревзойденной эффективностью действия (каталитической активностью) и высокой селективностью. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода приведен в табл. 1.

В настоящее время известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют одну реакцию, то есть превращение одного особого субстрата (субстраты – это реагенты в катализируемой ферментом реакции, претерпевающие превращение) в определенный продукт. Несмотря на колоссальное многообразие как катализируемых ферментами реакций, так и на непохожие по структуре сами ферменты, можно выделить общие их черты и принципы действия.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ.

ЧТО ДЕЛАЕТ КАТАЛИЗАТОР?

Для того чтобы прошла химическая реакция, нужно, чтобы молекулы столкнулись. Из кинетической энергии таких столкновений можно почерпнуть энергию, необходимую для того, чтобы разорвать или ослабить химические связи в молекулах реагентов. В результате теплового движения за 1 с происходят триллионы столкновений молекул, лишь редкие из которых приводят к химическому превращению. То есть реагируют только те молекулы, которые в момент столкновения обладают достаточной суммарной энергией. Эта энергия, называемая энергией активации (Еа), характеризует ту минимальную энергию, которой должна обладать молекула (или молекулы), чтобы вступить в химическую реакцию. Графически эта величина соответствует величине барьера (образование переходного состояния), который необходимо преодолеть для осуществления химической реакции (соответствует разности уровней энергий Гиббса переходного и исходного состояний) (рис. 1). В результате многие даже термодинамически разрешенные (выгодные) реакции практически не идут из-за слишком высокой энергии активации.

Вспомним реакцию окисления аммиака, который способен гореть в чистом кислороде (с огромным трудом на воздухе) с образованием азота и паров воды. Реакция идет только при высокой температуре. Добавление же порошка оксида хрома (Cr2O3) приводит к “огненному дождю” из этих частиц. Идет реакция (экзотермическая, то есть с выделением теплоты), продукты которой содержат NO и воду. Оксид хрома, являющийся в реакции катализатором, не изменяется, но направляет реакцию по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации (см. рис. 1), при более низкой температуре в данном случае.

Важно отметить, что катализатор не расходуется и не изменяет разности свободных энергий начального и конечного состояний реакции, то есть не влияет на общие термодинамические характеристики реакции, в частности не смещает ее равновесие (изменяя лишь время выхода в равновесное состояние). Действие катализатора заключается в понижении энергии активации и означает, что бЧльшая доля сталкивающихся молекул будет обладать достаточной энергией для преодоления барьера свободной энергии переходного состояния и протекания реакции.

За счет чего катализатор может понижать барьер свободной энергии (или свободную энергию переходного состояния)? Он может взаимодействовать с реагентами, давая принципиально иное переходное состояние или просто более стабильное (и, следовательно, с более низкой свободной энергией), чем образуемое в некаталитической реакции.

Рассмотрим некоторые основные механизмы катализа. Все они могут быть обнаружены при изучении действия ферментов как катализаторов. Пример – реакция гидролиза сложного эфира:

R’COOR” + H2O R’COOH + R”OH.

Эта реакция включает нуклеофильную атаку свободной парой электронов кислорода воды по углеродному остатку карбонила (имеет частичный положительный заряд d+ в результате оттягивания электронной плотности на кислородный атом), образование переходного состояния и далее продуктов реакции. Основные стадии реакции при нейтральных рН выглядят следующим образом:

Как видно из представленной схемы, в образующемся переходном состоянии атакующая молекула воды приобретает положительный заряд, а кислород карбонильной группы – отрицательный. Такое переходное состояние крайне невыгодно, то есть его образование требует высокой энергии активации. Это, в свою очередь, означает, что скорость реакции будет очень мала.

Использование катализатора в данном случае может существенно помочь процессу. Каким образом?

1. Кислотно-основный катализ (под действием Н+ или ОН-);

а) кислоты могут временно давать протон молекуле эфира:

Протонированная форма эфира (более реакционноспособная) затем атакуется молекулой воды аналогично схеме без катализатора с той лишь разницей, что переходное состояние недвухзарядное (более стабильное, чем предыдущее), следовательно, для такой реакции требуется меньшая энергия активации:

б) основания (ХО-) могут временно акцептировать протон (Н+), помогая стабилизировать двухзарядное переходное состояние, например таким образом:

2. Электростатический катализ. Переходное состояние можно стабилизировать электрическим полем иона, например положительно заряженный карбоний-ион (переходное состояние в случае катализа ферментом – лизоцимом) стабилизируется электрическим полем отрицательно заряженной карбоксильной группы остатка аспарагиновой кислоты. Конечно, энергия электростатического взаимодействия двух точечных зарядов зависит от свойств среды (диэлектрической постоянной), в которой это взаимодействие происходит. В водной среде это взаимодействие слабое, однако в органических растворителях, а также в активных центрах ферментов оно может вносить существенный вклад.
3. Ковалентный катализ (электрофильный или нуклеофильный). Роль ионов меди в предыдущем примере, помогающих оттянуть электроны из реакционного центра, можно обсуждать как форму электрофильного катализа.

Катализатор нуклеофильной природы, например третичный амин, имеющий неподеленную пару электронов на атоме азота, казалось бы, ничем не отличается от исходного реагента некаталитической реакции (1), в данном случае молекулы воды:

Более того, в этом случае мы видим и двухзарядное переходное состояние. Тем не менее реакция в присутствии катализатора идет, а при отсутствии его практически нет. Причина в том, что катализатор имеет более сильно выраженный нуклеофильный характер, чем атакующая группа (а следовательно, действует быстрее), а промежуточное соединение более реакционноспособное, чем исходное. Эффект повышения нуклеофильной способности тех или иных групп весьма ярко проявляется в ферментативном катализе. Более того, фермент может одновременно использовать несколько различных механизмов катализа, повышая эффективность химической реакции.

Действие ферментов, как и других катализаторов, как уже сказано выше, заключается в понижении свободной энергии активации реакции. Однако картина протекания реакции в присутствии фермента (профиль изменения свободной энергии) выглядит сложнее, чем для обычных катализаторов (см. рис. 1, б ).

Огромную роль в катализе ферментами играет то, что, собственно, происходит до начала химической реакции, а именно образование так называемого фермент-субстратного комплекса (первый локальный минимум на рис. 1, б ). Почему? Дело в том, что в этом случае реагирующие частицы оказываются сближенными и сориентированными до начала собственно химической реакции. Высокий барьер свободной энергии разбивается на несколько меньших, первый из которых, показанный на рис. 1, б, характеризует неизбежные энергетические потери при сближении и ориентации молекул, связанные с затормаживанием их поступательного и вращательного движений. То есть в ферментативном катализе осуществляется перевод реакции во внутримолекулярный режим. Что дает такой перевод, отражает приведенный в качестве примера гидролиз аспирина.

4. Внутримолекулярный катализ. Гидролиз эфирной связи в случае аспирина ускоряется за счет внутримолекулярного общеосновного катализа:

Оказывается, что простой перевод реакции гидролиза эфирной связи во внутримолекулярный режим приводит к увеличению ее скорости в 100 раз. Как и за счет чего осуществляется такой перевод в ферментах?

Ферменты, как и все белки, строятся из аминокислот, в пространстве они организованы (свернуты) особым образом (третичная и четвертичная структуры белка) (см. статью Н.К. Наградовой “Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной структуры белков”: Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 7). Высокая каталитическая активность ферментов обеспечивается функционированием специального участка – сложноорганизованного активного центра, в состав которого входят аминокислотные остатки, часто весьма удаленные друг от друга в первичной полипептидной последовательности. Так, в состав активного центра одного из представителей сериновых протеаз (ферменты, участвующие в гидролизе белков, расщепляющие пептидную связь, и других соединений, играющие важную роль в переваривании пищи) – химотрипсина наряду с собственно катализатором – серином-195 (Ser-195) входят остатки гистидина-57 (His-57) и аспарагиновой кислоты-102 (Asp-102). Более того, в состав активных центров многих ферментов входят и непосредственно участвуют в катализе ионы металлов, как, например, ион цинка в молекуле карбоангидразы (фермент, катализирующий реакцию гидратации двуокиси углерода и дегидратации бикарбоната) или ион железа в уже упоминавшейся каталазе. Причем в последнем случае ион железа находится в составе сложного органического соединения – гема, прочно связанного с белком. Схематическое изображение некоторых групп, входящих в состав активных центров ферментов, приведено на рис. 2, 3.

Выше мы выяснили, что для успешного нуклеофильного катализа необходимо, чтобы катализатор был сильным нуклеофилом, по крайней мере более сильным, чем исходный реагент. В то же время химические группы, формирующие активный центр фермента, сами по себе, как правило, являются слабыми катализаторами соответствующих реакций. Например, в уже упоминавшихся сериновых протеазах эффективная атака амидной связи происходит под действием слабонуклеофильной алифатической гидроксильной группы. Другой пример – карбоксильная группа, находящаяся в активном центре лизоцима (фермент, катализирующий гидролиз мукополисахаридов, являющихся основным компонентом клеточной стенки некоторых бактерий) и участвующая в расщеплении простой эфирной связи углеводов. И тем не менее ферментативный катализ по своей эффективности превосходит все известные катализаторы. Почему? Пример того, как это, по-видимому, происходит в молекуле химотрипсина, приведен на рис. 3. Остатки Ser-195, His-57 и Asp-102, оказавшиеся рядом в активном центре фермента, принимают в этом участие. Субстрат связывается с соответствующими группами активного центра так, что соответствующий углеродный атом оказывается в положении, удобном для атаки катализатора (Ser-195). Повышение нуклеофильности серина происходит при помощи гистидина (основный катализатор), оттягивающего на себя протон. Образующийся на имидазоле гистидина положительный заряд стабилизируется отрицательным зарядом карбоксильной группы аспарагиновой кислоты, действующей как электростатический катализатор. Отрицательный заряд тетраэдрического промежуточного комплекса стабилизируется водородными связями с Gly-193 и Ser-195. His-57 действует затем уже как кислотный катализатор, облегчая выделение первого продукта и т.д. Таким образом, действие фермента представляет собой хорошо отлаженную в пространстве и времени систему.

Как уже отмечалось, перевод реакции во внутримолекулярный режим приводит к ее ускорению. Почему образование нековалентного фермент-субстратного комплекса столь эффективно? Дело в том, что различные участки молекулы субстрата оказываются связанными с группами активного центра фермента пусть слабыми, но многочисленными взаимодействиями. Это и водородные связи, и гидрофобные, и ионные взаимодействия, и очень слабые ван-дер-ваальсовы силы. Рис. 2 и 3 демонстрируют примеры расположения субстратов в активных центрах различных ферментов. Это, например, гидрофобное взаимодействие бокового радикала R (Phe, Tyr или Trp) в молекуле субстрата химотрипсина, который попадает в специальный гидрофобный “карман” молекулы фермента, уходя таким образом от невыгодного контакта с водой, приводящего к понижению энтропии за счет структурирования молекул воды вокруг гидрофобного радикала, а также образование водородной связи между остатком Ser-214 и N-ацильной частью субстрата. В результате такого многоточечного взаимодействия фермента с субстратом и происходят правильная ориентация и сближение реагирующих групп в активном центре и перевод реакции во внутримолекулярный режим до начала протекания химической реакции и образования переходного состояния. А следовательно, не будет энтропийных потерь, связанных с “наведением порядка” в переходном состоянии для некаталитической реакции (фиксация реагирующих групп).

Следует отметить также, что фермент, и в частности его активный центр, – это не некое застывшее образование. В ходе взаимодействия с субстратом и химической реакции в молекуле фермента могут происходить структурные (конформационные) изменения, которые удается в некоторых случаях зафиксировать и которые свидетельствуют о неком “настраивании” активного центра. Так, например, ион железа гема в молекуле “отдыхающей” каталазы находится под плоскостью порфиринового кольца. Взаимодействие с перекисью водорода приводит к перемещению железа в плоскость гема на расстояние 0,7 Б. Другим примером является молекула лактатдегидрогеназы (фермент, катализирующий реакцию окисления лактата в пируват или реакцию восстановления пирувата в лактат), для которой зафиксировано перемещение в пространстве куска аминокислотной последовательности белка, состоящего из значительного числа остатков (наблюдающееся при связывании субстрата и приводящее к появлению взаимодействий групп активного центра фермента, удаленных в свободном ферменте).

Аналогичные изменения могут происходить и в молекуле субстрата, направленные на то, чтобы способствовать образованию переходного состояния. Стабилизация же переходного состояния – это движущая сила реакции. Таким образом, взаимодействие между ферментом и переходным состоянием должно быть сильнее, чем взаимодействие между ферментом и субстратом. Весьма сложно измерить и сравнить эти величины. Однако в случае лизоцима удалось синтезировать вещество, являющееся стабильным аналогом предполагаемого переходного состояния в реакции гидролиза гликозидной связи. Так, ключевая часть молекулы субстрата представляет собой пиранозное кольцо в конформации кресла (а). Предполагается, что в переходном состоянии образуется карбоний-ион, изменяющий конформацию пиранозного кольца на полукресло или софу (в ). Был синтезирован лактон (б ) – аналог переходного состояния, который, как оказалось, способен связываться с ферментом в 100 раз более прочно, чем исходный субстрат.

Таким образом, общие принципы катализа применимы и к действию ферментов. Однако различные факторы, способствующие протеканию реакции, в ферментативном катализе действуют согласованно, а во многих случаях являются суммарным результатом ряда причин. Важнейшие из них: 1) многоточечное взаимодействие с субстратом, приводящее к сближению и правильной ориентации реагирующих групп; 2) перевод реакции во внутримолекулярный режим; 3) стабилизация переходного состояния реакции.