2.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Физическая химия объясняет кинетику химических реакций с использованием понятия активированного комплекса. Участники реакции образуют комплекс, который затем даёт продукты реакции. Константа скорости реакции согласно этой концепции записывается в виде:

где К - константа скорости реакции

к - константа Больцмана

Т - абсолютная температура

H - постоянная Планка

- трансмиссионный коэффициент

- свободная энергия образования активированного комплекса

R - газовая постоянная

Поскольку

получим

Экспериментально установлено, что ферментативный катализ идёт через образование фермент-субстратного комплекса (ФСК). Субстрат адсорбируется на поверхности фермента и теряет подвижность, а это означает, что энтропия его уменьшается. Образование активированного комплекса реагирующими молекулами сопровождается уменьшением энтропии, так как из двух кинетически независимых частиц образуется одна.

Переход из основного состояния в переходное может сопровождаться как уменьшением энтропии, так и увеличением энтропии. В первом случае внутримолекулярные движения затормаживаются, в о втором растормаживаются. Если исходно энтропия ФСК снижена за счёт взаимодействия субстрата с ферментом, то при переходе в состояние активированного комплекса она при прочих равных условиях увеличится. Это означает увеличение предэкспоненциального множителя, и, значит, ускорение реакции.

Другой эффект, приводящий к ускорению реакции, связан с уменьшением высоты энергетического барьера на пути реакции, то есть энтальпии активации. Взаимодействие субстрата с атомными группировками фермента может привести к ослаблению химической связи, которая должна быть разорвана. Это и значит уменьшение высоты энергетического барьера. Ослабление связи происходит при смещении электронной плотности за счет взаимодействия с атомными группировками аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента.

Механизмы ускорения химической реакции в каждом конкретном случае специфичны. В одном случае важное значение может иметь энтропийный член, в другом - энергетический.

При исследовании механизмов ферментативных реакций используются различные подходы. В последние годы шире начали использовать молекулярное моделирование ферментов. Например, интересные результаты получены с использованием каталитических антител. Субстрат какого-либо фермента модифицируют так, чтобы при его введении в организм образовывались соответствующие антитела. Затем исследуют каталитические свойства этих антител с использованием исходного субстрата.

Так, было показано, что помещение субстрата в гидрофобный карман фермента с низкой диэлектрической проницаемостью может увеличивать скорость реакции в 10⁴ раз.