Ферменты как биологические катализаторы

Ферменты (энзимы) — высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов.

Катализатор — вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.

Энергетический уровень реакции — запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция).

Средний энергетический уровень молекул — энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Эта средняя величина энергетического запаса, характеризующая совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (таких как температура, давление и др.). Разность между средним энергетическим уровнем молекул и энергетическим уровнем реакции — энергетический барьер, или энергия активации. Чем больше энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция. Катализатор направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже. Энергетический итог реакции — разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции. Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия), и от величины энергии активации — от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.

Уравнение Аррениуса:

k = Ае^(–E/(RT)),

где k — константа скорости реакции, А — предэкспоненциальный множитель, E — энергия активации, R — сопротивление, T — температура. Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже маленькое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.

Ферменты как биологические катализаторы обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Общие свойства катализаторов: 1) сами не вызывают химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и без них; 2) не влияют на энергетический итог реакции; 3) в обратимых реакциях ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в одинаковой степени. Все ферменты — белки, поэтому имеют свои особенности. Общие свойства ферментов: 1) высокая эффективность действия — ускоряют реакцию в 10^8–10^12 раз; 2) высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия); 3) высокая чувствительность к неспецифическим физико-химическим факторам среды — температуре, рН, ионной силе раствора; 4) высокая чувствительность к химическим реагентам; 5) высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его работу.