Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Структурные основы механизма, действия и функции белков
Ферментативный катализ

Ферменты в миллиарды раз эффективнее искусственных катализаторов, хотя они работают в мягких биологических условиях.

Необыкновенным свойством ферментов является эффективность их каталитического действия. Катализируемые ферментами реакции протекают со скоростями, в 10⁸—10²⁰ раз большими, чем соответствующие некатализируемые реакции. Ферменты традиционно сравнивают с искусственными катализаторами, которые, как правило, в 10⁸—10⁹ раз менее эффективны для ускорения данной реакции, чем соответствующий фермент [730—732]. Кроме того, в отличие от экстремальных условий, часто необходимых для ускорения химических реакций в органической лаборатории, каталитическое действие ферментов достигается в водном растворе при биологических значениях pH и умеренных температурах и давлениях.

Специфичность действия ферментов предохраняет организм от засорения побочными продуктами. Другая особенность ферментов, которой химические катализаторы обладают лишь в редких случаях, состоит в специфичности действия. Воздействию подвергается только одно или несколько соединений (субстратов), с которыми протекает только один тип реакций. Отсутствие побочных реакций или побочных продуктов — это отражение того факта, что неконтролируемое загрязнение живой клетки недопустимо. Отсюда следует вывод, что использования в промышленных целях заслуживает не только каталитическая эффективность, но также (а возможно, и в большей мере) специфичность ферментов.

Свободная энергия связывания субстрата расходуется на катализ и на обеспечение специфичности. Начиная с химотрипсина, возникла традиция раздельного рассмотрения специфических связывающих взаимодействий между субстратом и ферментом (разд. 10.2) и собственно каталитического процесса, который описывается в терминах химических «модельных» реакций (см. ниже).

Как было отмечено Дженксом [631], используя концепцию «утилизации», можно согласовать оба основных аспекта действия фермента. Невалентное взаимодействие специфичного субстрата с активным центром фермента количественно выражается свободной энергией связывания («связывающей энергией»). Так называемая собственная свободная энергия для большинства пар фермент — субстрат имеет порядок 10:20 ккал/моль. Однако большая часть этой энергии расходуется на каталитический процесс; катализ осуществляется за счет связывающих сил, которые могут быть удалены от каталитического центра. Наблюдаемая связывающая энергия пар фермент — субстрат представляет собой лишь ту часть, которая остается после такой утилизации; она составляет приблизительно от 5 до 7 ккал/моль. Связывающие силы могут также расходоваться на обеспечение механизма индуцированного соответствия (разд. 10.4) или на непродуктивное связывание (разд. 10.2); оба этих механизма увеличивают специфичность действия фермента.