Сходство и различие между ферментами и неферментного катализаторами. Ферменты и катализаторы небелковой природы, покоряют-ясь общим законам катализа, имеют ряд общих свойств:
- Катализаторы ускоряют только энергетически возможные реакции;
- Они никогда не меняют направления реакции;
- Они не изменяют равновесия обратимой реакции, а лишь ускоряют ее наступления;
- Они не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде, хотя в последнее время доказано, что некоторые ферменты в конце химической реакции подвергаются модификации и даже распаду, а не освобождаются в неизменном виде;
- Они не расходуются в процессе катализа, поэтому фермент в клетке действует до тех пор, пока не разрушится.
Однако для ферментов характерны и специфические свойства, которые отличают их от других катализаторов. Эти различия связаны с особенностями строения ферментов, которые являются сложными белковыми молекулами:
1. Эффективность ферментов выше, чем небелковых катализаторов (скорость протекания реакции при участии фермента на несколько порядков выше, чем с участием других катализаторов). Одна-единственная молекула фермента может катализировать при температуре (37 ^ С) от тысячи до миллиона молекул вещества в минуту. Известно, например, что ионы железа каталитически ускоряют разложение пероксида водорода на воду и кислород. Однако атомы того же железа, но в составе фермента ката-лазы, действуют в 10 миллиардов раз энергичнее, и только 1 мг железа в ферменте способен заменить в этой реакции 10 тонн неорганического железа.
2. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, т.е. избирательностью действия на субстраты, превращение которых они катализируют, чего не наблюдается для небиологических катализаторов. Каждый фермент каталитически ускоряет, как правило, одну-единственную химическую реакцию, или, в крайнем случае, группу реакций одного типа. Высокая специфичность позволяет ферментам участвовать в регуляции обмена веществ и направлять его в определенное русло.
3. Одной из важнейших свойств ферментов как Биоком-тализаторив является их регулируемость действия. Через регуляцию ферментного аппарата осуществляется скоординированность всех метаболических процессов во времени и пространстве, направленных на воспроизведение живой материи, поддержание постоянства внутриклеточной среды, на приспособление к изменению условий.
4. Ферменты катализируют химические реакции в «мягких» условиях, то есть при невысокой температуре (около 37-40 □ С) и рН среды (68), при нормальном давлении. Это отличает их от неферментного катализаторов, которые действуют очень часто при высокой температуре, больших давлений, в сильнокислой или щелочной среде. Ферменты, благодаря белковом происхождению, очень чувствительны к изменениям температуры и к смещению рН среды, прекращая при этом свою активность.
5. При ферментативных реакций, в отличие от нефермента-ных, наблюдаются лишь незначительные побочные процессы. Для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.
6. Выделены из организма ферменты не утрачивают способности осуществлять каталитическую активность. На этом основывается их практическое использование в химической, легкой, фармацевтической промышленности и в медицине. Особое значение для химического производства имеет специфичность ферментов: ведь до 80% затрат в производстве многих химических веществ идет на отделение примесей, образованных вследствие побочных реакций. Кроме того, ферменты позволяют осуществлять ряд процессов, выполнение которых обычными методами органического синтеза остается пока нерешенной проблемой.
7. Кооперативнисть и суровая запрограммированность этапов действия - вот что отличает механизм биокатализа от действия катализаторов иной природы, т.е. процесс ферментативного катализа во многих случаях серией последовательных реакций превращения веществ (цикличность).