Ферментативный катализ

Ферментати́вный ката́лиз, ускорение химических реакций под действием белковых молекул – ферментов. Начало изучению биокаталитических процессов положило обнаруженное К. С. Кирхгофом в 1814 г. ускорение реакции гидролиза крахмала под действием биологической субстанции – водной вытяжки из проросших семян ячменя.

Ферментативные химические процессы протекают в специализированном участке белковых молекул – активном центре. Активный центр фермента, как правило, содержит подцентр сорбции исходных молекул (субстратов), на котором происходят образование комплекса субстрат – активный центр и ориентация реагирующих групп субстрата относительно каталитического подцентра. Каталитический подцентр осуществляет координированную активацию реакционных центров субстратов и химических процессов конверсии в конечные продукты. Ферментативный катализ характеризуется чрезвычайно высокой специфичностью (селективностью), т. е. способностью «узнавать» определённые молекулы и проводить химические реакции без образования побочных продуктов. Это обеспечивает в живой природе избирательность и направленность химического превращения веществ.

Механизм действия ферментов складывается из последовательности возникновения и превращения лабильных промежуточных соединений субстрата с каталитическими группами активного центра. Процессы, происходящие в активном центре, представляют собой молекулярно-программированные многостадийные химические реакции, протекающие в микро- и миллисекундном интервале времени. Возникающие при участии ферментов слабые, быстро образующиеся связи (электростатические, водородные, гидрофобные) позволяют реализовать структуры, в наибольшей степени снижающие энергию активации лимитирующей стадии и ускоряющие химические реакции в 10¹⁰ –10¹⁵ раз.

Фундаментальные знания о природе ферментативного катализа базируются на исследованиях структуры белка разнообразными физическими методами (в основном методами рентгеноструктурного анализа и ЯМР). Понимание механизмов ферментативных реакций стало доступным при использовании разнообразных методов химической кинетики. Для многих ферментов механизмы ферментативных реакций с определением структуры промежуточных соединений исследуются на основе квантовохимических расчётов с использованием суперкомпьютеров. Современные методы конструирования ферментов, основанные на использовании генетической и белковой инженерии, дают возможность получения ферментов с заданными свойствами по каталитической активности, специфичности, стабильности.

Ферментативный катализ находит широкое применение в промышленности, биотехнологии, химическом анализе, тонком органическом синтезе, медицине, защите окружающей среды и др. Практические аспекты использования ферментативного катализа формируют инженерную энзимологию, включающую получение гетерогенных катализаторов путём связывания белков с твёрдыми носителями (иммобилизованные ферменты). Применение термофильных ДНК-полимераз составляет основу генетической инженерии, расшифровки геномов организмов, ДНК-диагностики, исследования молекулярного полиморфизма человека, определения родственных связей, молекулярной криминалистики и др.