Краткая история катализаторов, ферментов и катализа
Реакции катализа были известны людям на протяжении многих веков, но они не могли объяснить явления, которые они видели вокруг себя, такие как брожение вина до уксуса, закваска хлеба и т. Д. Именно в 1812 году русский химик Готтлиб Сигизмунд Константин Кирххоф изучал Разложение крахмала на сахар или глюкозу в кипящей воде в присутствии нескольких капель концентрированной серной кислоты. Серная кислота осталась неизменной после эксперимента и могла быть извлечена. В 1835 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предложил название « катализ» от греческого термина «ката», означающий «вниз», и «лиин», означающий «ослабить».
Как только реакции катализа были поняты, ученые обнаружили много реакций, которые изменяли скорости в присутствии катализаторов . Луи Пастер обнаружил, что есть некоторый фактор, который катализировал его эксперименты по ферментации сахара и который был активен только в живых клетках. Этот фактор позже был назван «ферментом» немецким физиологом Вильгельмом Кюне в 1878 году. Фермент происходит от греческого слова, означающего «в закваске». В 1897 году Эдуард Бюхнер назвал фермент, сбраживающий сахарозу, зимазой. Его эксперименты также доказали, что ферменты могут функционировать вне живой клетки. В конце концов были обнаружены структура и функции различных ферментов, катализирующих важные функции.
Структура катализаторов и ферментов
Катализатор – это любое вещество, которое может вызвать значительные изменения в скорости химической реакции. Таким образом, это может быть чистый элемент, такой как никель или платина, чистое соединение, такое как диоксид кремния, диоксид марганца, растворенные ионы, такие как ионы меди, или даже смесь, такая как железо-молибден. Наиболее часто используемыми катализаторами являются протонные кислоты в реакции гидролиза. Окислительно-восстановительные реакции катализируются переходными металлами, а платина используется для реакций с участием водорода. Некоторые катализаторы встречаются в качестве прекатализаторов и превращаются в катализаторы в ходе реакции. Типичным примером является катализатор Уилкинсона – RhCl (PPh 3 ) 3, который теряет один трифенилфосфиновый лиганд при катализировании реакции.
Ферменты представляют собой глобулярные белки и могут состоять из 62 аминокислот (4-оксалокротонат) до размера 2500 аминокислот (синтаза жирных кислот). Также существуют ферменты на основе РНК, называемые рибозимами . Ферменты специфичны для субстрата и обычно больше, чем их субстраты. Только небольшая часть фермента принимает участие в ферментативной реакции. Активный сайт – это место, где субстраты связываются с ферментом для облегчения реакции. Другие факторы, такие как кофакторы, прямые продукты и т.д., также имеют специфические сайты связывания с ферментом. Ферменты состоят из длинных цепочек аминокислот, которые складываются друг с другом, создавая глобулярную структуру. Аминокислотная последовательность придает ферментам их субстратную специфичность. Тепло и химические вещества могут денатурировать фермент.
Что нам известно о катализе
Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции под влиянием различных веществ – катализаторов, участвующих в этом процессе и к концу реакции остающихся химически неизмененными. Если от добавления катализатора происходит ускорение химического процесса, то такое явление называют положительным катализом, а замедление реакции – отрицательным. Чаще всего приходится встречаться с положительным катализом. В зависимости от химической природы катализаторы разделяются на неорганические и органические. К последним относятся и биологические катализаторы – ферменты.
Для понимания действия катализаторов необходимо кратко остановиться на рассмотрении сущности катализа. Скорость любой химической реакции зависит от столкновений активных молекул реагирующих веществ. Активированной называется молекула, которая имеет определенный запас потенциальной энергии. Взаимодействие двух таких молекул произойдет только в том случае, если запас энергии этих молекул будет достаточным для преодоления сил сталкивания между ними – так называемого «энергетического барьера» реакции. Если реагирующие молекулы будут обладать большей величиной энергии, чем энергетический барьер, то реакция произойдет. Если же запаса энергии реагирующих тел недостаточно для преодоления энергобарьера, то они не будут взаимодействовать. В этом случае для протекания реакции необходимо активировать молекулы, т. е. сообщить им дополнительное количество энергии, которое в сумме с имеющейся потенциальной энергией в молекулах будет достаточным для преодоления энергетического барьера. Это дополнительное энергии называется «энергией активации!». Активировать молекулы можно путем нагревания, повышения давления, облучения др.
Сущность действия катализаторов заключается в том, что во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.
Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.
К основным характеристикам катализаторов относятся следующие: а) катализаторы могут ускорять только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам, б) катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.
TheDifference.ru определил, что отличие ферментов и неорганических катализаторов заключается в следующем:
Ферменты – высокомолекулярные белковые тела, они довольно специфичны. Ферменты способны катализировать всего лишь один-единственный тип реакции. Они являются катализаторами биохимических реакций. Неорганические катализаторы ускоряют разные реакции.
Ферменты могут действовать в конкретном узком температурном интервале, определенном давлении и кислотности среды.
Ферментативные реакции обладают высокой скоростью.
Дата создания: 2015/04/30
Материальную основу всех жизненных процессов организма составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов очень правильно и образно определил И. П. Павлов, назвав их «возбудителями жизни». Нарушение синтеза какого-либо фермента в стройной системе обменных реакций в организме приводит к развитию заболеваний, которые часто оканчиваются смертью. Например, недостаток у детей фермента, который превращает галактозу в глюкозу, является причиной галактоземии. При этом заболевании дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. Повышение активности ксантин-оксидазы является причиной подагры. Таких примеров можно привести очень много. Вот почему ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни обмен веществ. Поэтому изучению ферментов придается такое большое значение. Наука о ферментах составляет важный раздел биохимии, а в медицине отчетливо выявляется направление – медицинская ферментология.
Ферментология или, иначе, энзимология является учением о ферментах (энзимах) – биологических катализаторов белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способностью активировать различные химические реакции, происходящие в организме.
Ферменты нашли широкое применение во многих областях науки и промышленности. За последние годы с помощью высокоочищенных препаратов ферментов удалось расшифровать структуру сложных соединений, входящих в состав организма, в том числе некоторых белков и нуклеиновых кислот.
Ферменты имеют большое практическое значение, так как многие области промышленности – виноделие, хлебопечение, производство спирта, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков – основаны на использовании различных ферментативных процессов. Поэтому изучение свойств и механизма действия ферментов позволяет химикам создать новые, более совершенные катализаторы для химической промышленности. Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, – лекарственных веществ, стимуляторов роста растений и др., в конечном счете сводится к тому, что эти вещества активируют или подавляют в организме то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Несомненно, изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов или парализаторов имеет первостепенное значение для медицины и сельского хозяйства.
Круг вопросов, изучаемых ферментологией, весьма широк. Разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их структуры, исследование процессов образования ферментов в живой клетке, регулирование из действия, роль ферментов в осуществлении различных физиологических функций – вот далеко не полный перечень важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых в настоящее время.
Сравнение ферментов и неорганических катализаторов
В чем разница между ферментами и неорганическими катализаторами? Неорганические катализаторы по своей природе – неорганические вещества, а ферменты – белки. В составе неорганических катализаторов нет белка.
Ферменты по сравнению с неорганическими катализаторами обладают специфичностью действия к субстрату и наиболее высокой эффективностью. Благодаря ферментам реакция протекает быстрее в миллионы раз.
Например, перекись водорода без присутствия катализаторов разлагается довольно медленно. При наличии неорганического катализатора (обычно солей железа) реакция несколько убыстряется. А при добавлении фермента каталазы пероксид разлагается с невообразимой скоростью.
Ферменты способны работать в ограниченном диапазоне температур (как правило, 370 С). Скорость действия неорганических катализаторов с каждым увеличением температуры на 10 градусов повышается в 2-4 раза. Ферменты подвергаются регуляции (существуют ингибиторы и активаторы ферментов). Неорганическим катализаторам свойственна нерегулируемая работа.
Для ферментов характерна конформационная лабильность (их структура подвергается незначительным изменениям, образующимся в процессе разрыва старых связей и образования новых связей, прочность которых слабее). Реакции с участием ферментов протекают лишь в физиологических условиях. Ферменты способны работать внутри организма, его тканей и клеток, где создаются необходимый температурный режим, давление и рН.
Что такое ферменты?
Ферментом называются вещества на основе белков и их соединений. Как правило, они применяются для ускорения протекания различных реакций в живых системах.
При проведении реакции действующее вещество, добавляемое в состав, называется субстратом, конечное вещество, получившееся после протекания реакции, называется продуктом. Синоним фермента является слово энзим, которое также может использоваться в биохимии.
В биологическом организме ферменты могут иметь разные места локализации. Так, они могут быть растворены в цитоплазме, или же связаны с конкретными органоидами, участвуя в строго определенных химических и биологических процессах.
По классификации они делятся на следующие подвиды:
- Эктоферменты – находятся в плазматической мембране, участвуют в процессах происходящих вне ее.
- Эндоферменты – локализованы внутри клеточной структуры, участвуют в процессах биологического синтеза, и передачи энергии, являясь катализатором.
- Экзоферменты – являются материалом, выделяющимся из клеток и участвующим в процессах за ее пределами. Способствуют структурному расщеплению молекул для обеспечения необходимых свойств проводимости мембран.
- Гдролитические ферменты – участвуют в процессах питания клеток и микроорганизмов.
Это далеко не полный перечень существующих разновидностей, каждая из которых имеет свои конкретные задачи при прохождении биохимических реакций.
Типы ферментативных реакций
1. Тип
“пинг-понг”
–
фермент сначала взаимодействует с
субстратом А, отбирая у него какие либо
химические группы и превращая в
соответствующий продукт. Затем к ферменту
присоединяется субстрат В, получающий
эти химические группы. Примером являются
реакции переноса аминогрупп от аминокислот
на кетокислоты – трансаминирование.
Ферментативная
реакция по типу “пинг-понг”
2. Тип
последовательных реакций
–
к ферменту последовательно присоединяются
субстраты А и В, образуя “тройной
комплекс”, после чего осуществляется
катализ. Продукты реакции также
последовательно отщепляются от фермента.
Ферментативная
реакция по типу “последовательных
реакций”
3. Тип
случайных взаимодействий
–
субстраты А и В присоединяются к ферменту
в любом порядке, неупорядоченно, и после
катализа так же отщепляются.
Ферментативная
реакция по типу “случайных взаимодействий”
Ферменты
имеют белковую природу
Давно
выяснено, что все ферменты являются
белками и обладают всеми свойствами
белков. Поэтому подобно белкам ферменты
делятся на простые и сложные.
Простые
ферменты
состоят
только из аминокислот –
например, пепсин
, трипсин
, лизоцим
.
Сложные
ферменты
(холоферменты)
имеют в своем составе белковую часть,
состоящую из аминокислот –апофермент
,
и небелковую часть – кофактор
.
Кофактор, в свою очередь, может
называться коферментом
или простетической
группой.
Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа
(содержит
ФАД) (в цикле трикарбоновых
кислот), аминотрансферазы
(содержат
пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза
(содержит
гем). Для осуществления катализа необходим
полноценный комплекс апобелка и
кофактора, по отдельности катализ они
осуществить не могут.
Как
многие белки, ферменты могут быть мономерами
,
т.е. состоят из одной субъединицы,
и полимерами
,
состоящими из нескольких субъединиц.
Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов точно и образно определил И.П.Павлов, назвав их “возбудителями жизни”
. Нарушения в работе ферментов ведут к возникновению тяжелых заболеваний – фенилкетонурия , гликогенозы , галактоземия , тирозинемия или существенному снижению качества жизни – дислипопротеинемии , гемофилия.
Известно, что для осуществления химической реакции необходимо, чтобы реагирующие вещества имели суммарную энергию выше, чем величина, называемая энергетическим барьером
реакции. Для характеристики величины энергетического барьера Аррениус ввел понятие энергии активации
. Преодоление энергии активации в химической реакции достигается либо увеличением энергии взаимодействующих молекул, например нагреванием, облучением, повышением давления, либо снижением требуемых для реакции затрат энергии (т.е. энергии активации) при помощи катализаторов.
Величина энергии активации с ферментом и без него
По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Сущность действия ферментов, так же как неорганических катализаторов, заключается:
- в активации молекул реагирующих веществ,
- в разбиении реакции на несколько стадий, энергетический барьер каждой из которых ниже такового общей реакции.
Однако энергетически невозможные реакции ферменты катализировать не будут, они ускоряют только те реакции, которые могут идти в данных условиях.
Сходство и отличия ферментов и неорганических катализаторов
Ускорение реакций при помощи ферментов весьма значительно, например:
А. Уреаза ускоряет реакцию разложения вполне устойчивой мочевины до аммиака и воды в 10 13 раз, поэтому при инфекции мочевых путей (появление бактериальной уреазы) моча приобретает аммиачный запах.
Б. Рассмотрим реакцию разложения пероксида водорода:
2Н 2 О 2 → О 2 + 2Н 2 О
Если скорость реакции без катализатора принять за единицу, то в присутствии платиновой черни скорость реакции увеличивается в 2×10 4 раза и энергия активации снижается с 18 до 12 ккал/моль, в присутствии фермента каталазы скорость реакции возрастает в 2×10 11 раза с энергией активации 2 ккал/моль.
Неорганические катализаторы и ферменты (биокатализаторы), не расходуясь сами, ускоряют течение химических реакций и их энергетические возможности. В присутствии любых катализаторов энергия в химической системе сохраняет постоянство. В процессе катализа направление химической реакции остается неизменным.
Об истории изучения ферментов
История ферментов уходит в далекое прошлое. Еще на развитии человеческого общества люди сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их в жизни. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение заквасок при приготовлении хлеба, использование сычуга для изготовления сыров и др. – все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.
Одним из первых последователей, занимавшихся изучением ферментативных процессов, были Реомюр и Спалланцани. В своих опытах, по перевариванию мяса в желудке птиц они впервые поставили вопрос о необходимости изучения химического состава пищеварительного сока. Русский ученый К. С. Кирхгоф (1814)
Показал, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким образом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы (фермент, расщепляющий крахмал) и эту дату мы с полным правом можем считать датой возникновения ферментологии. Изучая процессы брожения, голландский ученый Ван Гельмонт впервые ввел в науку термин « ферменты» (fermentum – закваска). Слово «энзим» происходит от древнегреческого слова « эн зюме», что означает в «дрожжах».
К середине 50-хгодов ХIХ века понятие о ферментах как о биологических катализаторах прочно утвердилось в науке. К этому времени и относится большой спор двух крупнейших ученых мира Луи Пастера и Либиха Ю о месте локализации ферментов в клетке – спор, который по своему существу явился борьбой двух мировоззрений в науке-идеализма и материализма и затормозил развитие учения о ферментах без малого на 50 лет. Луи Пастер, доказывая, что деятельность ферментов неотделима от структуры клетки и с ее разрушением прекращается, прочно стоял на позициях вирховианства- одной из разновидностей идеализма в биологии. Либих утверждал, что действие ферментов не связано со структурой клетки. Этот спор практически продолжался более 100 лет и снова, и который раз, утвердил необходимость материалистического подхода к изучению биологических закономерностей. Первой подтвердила правильность точки зрения Ю.Либиха русский исследователь М.М.Манассеина в 1871 г. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком, т.е. полностью разрушая структуру клетки, она доказала, что клеточный сок обладает способностью сбраживать крахмал. Однако, как это очень часто бывало в царской России, исследования М.М.Манассеиной остались без внимания и пальма первенства, в этом вопросе была отдана немецким ученым братьям Бухнер, которые через 26 лет проделали аналогичный опыт (они разрушали клетки путем высокого давления) и получили такие же результаты. В последующем работами А.Н.Лебедева, И.П.Павлова, М.Дюкло, Э.Фишера, Л.Михаэлиса и многих других ученых окончательно была опровергнута точка зрения идеалистов. Именно материалистический подход в научных исследованиях дал возможность Дж. Самнеру в 1927г. впервые получить фермент уреазу, а Дж.Нортропу в 1931г.- кристаллические трипсин и пепсин.
В настоящее время работами большой армии ученых, как в нашей стране, так и за рубежом учение о ферментах успешно развивается. В настоящее время известно около 1000 ферментов. Работы академика А.Е.Браунштейна, В.А.Энгельгарда, А.И.Опарина, С.Е.Северина, В.Н.Ореховича, А.А.Покровского и многих других отечественных ученых в области изучения ферментов в человеческом организме имеют большое значение в медицине. Постановка диагноза, выбор правильного лечения и профилактики, разработка и применение различных лекарственных препаратов и т. д.основываются на изучении ферментов.
Для чего используются ферменты?
Ферменты участвуют практически во всех биологических процессах, протекающих в живых организмах. Их основным назначением, является оказание каталитического эффекта, иными словами – ускорение химической реакции. Они играют важную роль позволяя проводить реакции на более низком энергетическом уровне. Схожего эффекта можно добиться путем повышения температуры среды, влияющей на тепловое движение молекул внутри нее.
При прохождении реакции катализатор взаимодействует с реагентом в результате чего образуется новое соединение. После распада соединения образуется новое вещество и свободный катализатор, способный к повторному воспроизведению процесса, образуя цикличную реакцию.
Их особенностью является то, что они способны воздействовать на реакции в двух направлениях, как значительно ускоряя их ход, так и существенно замедляя.
Кроме того, отличие ферментов от катализаторов неорганического типа сводится к большей эффективности при участии в биохимических процессах. Они способны производить до нескольких миллиардов реакций, в отличие от неорганических веществ, вступающих в реакции сотни тысяч раз при тех же равных условиях.
Недостатки органических катализаторов
Несмотря на множество преимуществ, которыми обладают органические катализаторы, у них также есть свои недостатки, которые необходимо учитывать при их использовании. Рассмотрим некоторые из них:
Высокая стоимость. Органические катализаторы, в отличие от некоторых других видов катализаторов, обычно являются достаточно дорогостоящими. Это связано с их сложным и трудоемким процессом синтеза и очистки.
Низкая стабильность. Органические катализаторы часто подвержены различным видам деградации, таким как окисление или гидролиз, что может привести к их потере активности. Это может усложнить их использование в длительных катализаторных реакциях.
Ограничения использования. Некоторые органические катализаторы могут быть чувствительны к определенным условиям реакции, например, к кислотности или температуре. Это ограничивает их применение в определенных типах реакций.
Токсичность. Некоторые органические катализаторы могут быть токсичными или иметь потенциально опасные свойства
Это требует соблюдения особых мер предосторожности при работе с ними и может быть нежелательным в определенных приложениях, особенно в фармацевтической и пищевой промышленности.
Все эти недостатки не делают органические катализаторы менее значимыми, но указывают на необходимость тщательного подхода к их выбору и использованию в конкретных реакционных условиях.
Что такое фермент
Фермент – это биологическая макромолекула, вырабатываемая живыми организмами для катализа биохимической реакции внутри клетки при температуре тела. Функция фермента незаменима для поддержания жизни. Все биохимические реакции, происходящие в живых организмах, зависят от катализаторов. До настоящего времени действие около 4000 ферментов хорошо известно. Ферменты действуют в мягких условиях, таких как температура тела и рН. Они катализируют реакции строительства и разрушения материалов внутри живых организмов. Функция ферментов очень специфична. Большинство ферментов состоят из глобулярных белков с высоким молекулярным весом. Глобулярные белки перестраиваются в мультибелковые комплексы. Некоторые ферменты требуют помощи кофакторов для их действия. Кофакторами являются неорганические ионы, такие как Mg2+Fe2+, Zn2+и Mn2+ или небольшие органические молекулы, называемые коферментами. Фермент может быть ингибирован или активирован путем связывания кофакторов с ферментом.
Рисунок 3: Фермент глюкозидаза
Ферменты подразделяются на шесть типов в зависимости от типа катализируемой ими реакции. Это оксидоредуктазы, трансферазы, лиазы, гидролазы, лигазы и изомеразы. Фермент гликозидаза, которая превращает мальтозу в две молекулы глюкозы, показан на рисунок 3.
Отличие ферментов от других видов катализаторов
При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.
Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся «космические» скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.
Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2х1011раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнной железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.
Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками, т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.
При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют, аналогичную белкам сложную структуру, подвергается расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуются и т.д. Молекулярный вес ферментов колеблются в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.
Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12700, пепсина – 35500, катализы крови – 248 000, глютаматдегидрогиназы – 1000000.
По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты ферменты-протеины – состоят только из аминокислот, а сложные ферменты – ферменты-протеиды – в своем составе имеют белковую часть апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть – кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами и витаминами.
К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с учетом воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.
Неорганические катализаторы и ферменты (биокатализаторы), не расходуясь сами, ускоряют течение химических реакций и их энергетические возможности. В присутствии любых катализаторов энергия в химической системе сохраняет постоянство. В процессе катализа направление химической реакции остается неизменным.