ФЕРМЕНТАТИ́ВНЫЙ КАТА́ЛИЗ

ФЕРМЕНТАТИ́ВНЫЙ КАТА́ЛИЗ, ус­ко­ре­ние хи­мич. ре­ак­ций под дей­ст­ви­ем бел­ко­вых мо­ле­кул – фер­мен­тов. На­ча­ло изу­че­нию био­ка­та­ли­тич. про­цес­сов по­ло­жи­ло об­на­ру­жен­ное К. С. Кирх­го­фом в 1814 ус­ко­ре­ние ре­ак­ции гид­ро­ли­за крах­ма­ла под дей­ст­ви­ем био­ло­гич. суб­стан­ции – вод­ной вы­тяж­ки из про­рос­ших се­мян яч­ме­ня.

Фер­мен­та­тив­ные хи­мич. про­цес­сы про­те­ка­ют в спе­циа­ли­зир. 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 ка­та­ли­тич. под­цен­тра. Ка­та­ли­тич. под­центр осу­ще­ст­в­ля­ет ко­ор­ди­ни­ро­ван­ную ак­ти­ва­цию ре­ак­ци­он­ных цен­тров суб­стра­тов и хи­мич. про­цес­сов кон­вер­сии в ко­неч­ные про­дук­ты. Ф. к. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся чрез­вы­чай­но вы­со­кой спе­ци­фич­но­стью (се­лек­тив­но­стью), т. е. спо­соб­но­стью «уз­на­вать» оп­ре­де­лён­ные мо­ле­ку­лы и про­во­дить хи­мич. ре­ак­ции без об­ра­зо­ва­ния по­боч­ных про­дук­тов. Это обес­пе­чи­ва­ет в жи­вой при­ро­де из­би­ра­тель­ность и на­прав­лен­ность хи­мич. пре­вра­ще­ния ве­ществ (см. Био­ка­та­лиз).

Ме­ха­низм дей­ст­вия фер­мен­тов скла­ды­ва­ет­ся из по­сле­до­ва­тель­но­сти воз­ник­но­ве­ния и пре­вра­ще­ния ла­биль­ных про­ме­жу­точ­ных со­еди­не­ний суб­стра­та с ка­та­ли­тич. груп­па­ми ак­тив­но­го цен­тра. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в ак­тив­ном цен­тре, пред­став­ля­ют со­бой мо­ле­ку­ляр­но-про­грам­ми­ро­ван­ные мно­го­ста­дий­ные хи­мич. 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 хи­мич. ре­ак­ции в 10¹⁰–10¹⁵ раз.

Фун­дам. зна­ния о при­ро­де Ф. к. ба­зи­ру­ют­ся на ис­сле­до­ва­ни­ях струк­ту­ры бел­ка раз­но­об­раз­ны­ми фи­зич. ме­то­да­ми (в осн. ме­то­да­ми рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за и ЯМР). По­ни­ма­ние ме­ха­низ­мов фер­мен­та­тив­ных ре­ак­ций ста­ло дос­туп­ным при ис­поль­зо­ва­нии раз­но­образ­ных ме­то­дов хи­мич. ки­не­ти­ки. Для мн. фер­мен­тов ме­ха­низ­мы фер­мен­та­тив­ных ре­ак­ций с оп­ре­де­ле­ни­ем струк­ту­ры про­ме­жу­точ­ных со­еди­не­ний ис­сле­ду­ют­ся на ос­но­ве кван­то­во­хи­мич. рас­чё­тов с ис­поль­зо­ва­ни­ем су­пер­ком­пь­ю­те­ров. Совр. ме­то­ды кон­ст­руи­ро­ва­ния фер­мен­тов, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии ге­не­тич. и бел­ко­вой ин­же­не­рии, да­ют воз­мож­ность по­лу­че­ния фер­мен­тов с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми по ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти, спе­ци­фич­но­сти, ста­биль­но­сти.

Ф. к. на­хо­дит ши­ро­кое при­ме­не­ние в пром-сти, био­тех­но­ло­гии, хи­мич. ана­ли­зе, тон­ком ор­га­нич. син­те­зе, ме­ди­ци­не, за­щи­те ок­ру­жаю­щей сре­ды и др. Прак­тич. ас­пек­ты ис­поль­зо­ва­ния Ф. к. фор­ми­ру­ют ин­же­нер­ную эн­зи­мо­ло­гию, вклю­чаю­щую по­лу­че­ние ге­те­ро­ген­ных ка­та­ли­за­то­ров пу­тём свя­зы­ва­ния бел­ков с твёр­ды­ми но­си­те­ля­ми (см. Им­мо­би­ли­зо­ван­ные фер­мен­ты). При­ме­не­ние тер­мо­филь­ных ДНК-по­ли­ме­раз со­став­ля­ет ос­но­ву ге­не­тич. ин­же­не­рии, рас­шиф­ров­ки ге­но­мов ор­га­низ­мов, ДНК-ди­аг­но­сти­ки, ис­сле­до­ва­ния мо­ле­ку­ляр­но­го по­ли­мор­физ­ма че­ло­ве­ка, оп­ре­де­ле­ния род­ст­вен­ных свя­зей, мо­ле­ку­ляр­ной кри­ми­на­ли­сти­ки и др.