17

Лекция 3

Ферменты. Строение, механизм действия, классификация.

3.1. Энергия активации. Катализаторы

Рассмотрим популяцию молекул D, находящихся в ограниченном замкнутом пространстве. В такой популяции индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся (внутренней) в них энергии:

1. молекулы с высокой энергией (Е_max), незначительное количество;

2. молекулы со средним значением энергии (Е_mid), большинство молекул;

3. молекулы с низкой энергией (Е_min), незначительное количество.

Химическая реакция X→Y (CO₂ + H₂O → H₂CO₃) протекает потому, что в любой момент времени некоторая доля молекул D обладает большей внутренней энергией (Е_max) по сравнению с другими молекулами данной популяции, и этой энергии оказывается достаточно для достижения ими вершины энергетического барьера и перехода в активную форму, называемую активным состоянием: (Рис. 3.1):

Рис. 3.1. Катализаторы снижают энергию активации (энергетический, или активационный, барьер) химических реакций, не влияя при этом на полное изменение свободной энергии в ходе реакции.

Энергией активации называется количество энергии необходимое для того, чтобы все молекулы вещества при определённой температуре перешли в активированное состояние, соответствующее вершине активационного барьера.

В ходе реакции молекулы приобретают энергию, достаточную для их активации, и оказываются в переходном состоянии; далее происходит образование продуктов.

При графическом изображении (Рис. 3.1) энергия активации (Е_а) – это высота энергетического барьера, которая должна быть преодолена молекулами для осуществления химической реакции.

Достижение переходного состояния реагирующими молекулами (субстрата) возможно двумя путями:

1) придать реагирующим молекулам избыточную энергию за счёт увеличения температуры;

2) снизить энергию активации соответствующей реакции.

Для снижения энергии активации используются специальные вещества – катализаторы.

Основная функция катализатора — образовывать с исходными веществами более реакционноспособные промежуточные соединения, позволяющие снизить энергию активации.

Катализатор — вещество, принимающее участие в ходе реакции, но остающееся неизменным в конце реакции.

Все без исключения химические процессы в клетке катализируются специальными биологическими катализаторами, которые называются ферментами.

3.1.1. Ферменты как биологические катализаторы

Ферменты – специфические белки всех живых клеток, играющие роль биологических катализаторов.

!!! С их помощью осуществляется обмен веществ и энергии в организме.

В настоящее время известно более 3200 ферментов.

3.2. Отличие ферментов от неорганических катализаторов

Ферменты имеют следующие общие свойства с катализаторами неорганической природы:

1) увеличивают скорость химической реакции за счёт снижения энергии активации;

2) не изменяют направления реакции;

3) не расходуются в процессе реакции.

Вместе с тем ферменты обладают рядом свойств, отличающих их от химических катализаторов:

1) каталитическая активность ферментов проявляется при нормальных условиях - ферменты по сравнению с катализаторами неорганической природы действуют в очень «мягких» условиях организма (белки при неблагоприятных условиях денатурируют);

2) абсолютная специфичность действия - большинство ферментов отличается специфичностью действия, так как практически каждая реакция превращения исходных веществ в продукты реакции в клетке катализируется специальным ферментом;

3) высокая эффективность действия - ферменты самые эффективные из всех катализаторов, так как очень малые (микромолярные - 10^-8–10^-6 М) количества ферментов могут в очень большой степени ускорять реакцию.

Действительно, большинство реакций в клетке протекают примерно в миллион раз быстрее, чем, если бы они протекали в отсутствие ферментов. Например, реакцию образования угольной кислоты (в легких)

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

катализирует фермент карбоксиангидраза, активность которой составляет 32 000 000 оборота в минуту, т.е. образуется 32 млн молекул H₂CO₃ в минуту.