Каталитическая функция присуща особым белкам - ферментам, или энзимам, влияющие на ход биохимических реакций. Катализ (от греч. Катализ - прекращение) - изменение скорости протекания химических реакций под действием определенных химических соединений. Каталитическую функцию в живых организмах - биокатализа - осуществляют ферменты (рис. 10.2).
Ферменты бывают простыми и сложными. Простые ферменты - это белковые молекулы (пепсин, трипсин и т.д.), которые состоят только из аминокислотных остатков. Сложные ферменты, кроме белковой части, содержат еще и небелкового, которую называют кофактором. Кофакторами могут быть неорганические катионы или анионы, а также органические вещества (коферменты), например, производные витаминов. Белковый компонент сложных ферментов определяет, какую реакцию катализирует определенный сложный фермент. Но активность сложных ферментов проявляется лишь тогда, когда белковая часть фермента сочетается с небелковой. Каталитическая активность фермента обусловлена не всей его молекулой, а только небольшим участком - активным центром. Его пространственная структура соответствует химическому строению веществ, вступающих в реакцию. Активный центр отвечает за присоединение и преобразование соединений, вступающих в реакцию. Именно поэтому действие фермента специфическая. Часто в состав активного центра входят производные витаминов или атомы металлов. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.
Ферменты образуют неустойчивые комплексы с веществами, которые вступают в реакцию. Ферментативная реакция протекает в 106-1012 раз быстрее, чем в среде без ферментов. Через несколько секунд или даже доли секунды в организме происходит сложная последовательность реакций, для проведения которой с применением обычных химических катализаторов нужные дни, недели или даже месяцы и годы. Это объясняют тем, что для осуществления любой химической реакции необходим контакт между реагентами. Чтобы произошла реакция без участия ферментов, требуется высокая концентрация реагирующих веществ в среде или повышенная температура, при которой ускоряется движение молекул и возрастает вероятность контактов молекул реагирующих соединений. Но в организмах концентрация веществ часто очень низкая, а высокие температуры могут быть опасными. Именно поэтому биохимические реакции не могут происходить без участия ферментов.
При контакте с ферментом вещество, вступающее в реакцию, ориентируется в непосредственной близости от специфических групп активного центра фермента. При этом уменьшается стабильность химических связей в ее молекуле. Известно, что для протекания химической реакции молекула субстрата должна перейти в так называемый переходный состояние, когда облегчается разрыв химических связей. Энергию, необходимую для перехода субстрата в активированное состояние, называют энергией активации (на разрыв определенной связи расходуется энергии не менее, чем потрачено на его образование). Иными словами, энергия активации - это энергия, необходимая для того, чтобы началась соответствующая химическая реакция. Образуя комплекс «фермент-вещества, вступающие в реакцию», ферменты снижают энергию активации. Такой комплекс быстро распадается с образованием продуктов реакции. Сам фермент при этом не теряет своей активности и может катализировать следующую подобную реакцию.
Одни ферменты обеспечивают расщепление определенных соединений, другие - синтез. Например, фермент целлюлазы обеспечивает расщепление клетчатки (целлюлозы). Если в реакции участвуют два соединения или более, каждая из них взаимодействует с ферментом. Фермент при этом удерживает их близко друг от друга, обеспечивая реакцию.
Активность фермента проявляется лишь при определенных условиях: тех или иных значений температуры, давления, рН и т.д.. Существуют и специальные вещества, способные регулировать активность ферментов. Они связываются с активными центрами ферментов и блокируют их активность. В качестве таких веществ-ингибиторов могут выступать ионы тяжелых металлов свинца (Pb), Арсену (As), Аргентуму (Ag).
Ферментативные реакции происходят в виде ряда последовательных этапов (до нескольких десятков). Цепи взаимосвязанных ферментативных реакций в целом обеспечивают обмен веществ и превращение энергии в отдельных клетках и организме в целом.
Ферменты имеют определенное расположение как в рамках отдельной клетки, так и в организме в целом. В клетке много ферментов связанные с плазматической мембраной или мембранами отдельных органелл (митохондрий, пластид и др.).