Ферментативный катализ представляет собой особый вид химического катализа, при котором биологические макромолекулы — ферменты — снижают энергетический барьер реакций, обеспечивая их высокую скорость при физиологических температурах и давлениях. С точки зрения термодинамики ферменты не изменяют равновесное состояние системы, но влияют на кинетические пути достижения этого равновесия.
Ключевая роль фермента заключается в уменьшении энергии активации реакции за счёт формирования переходного состояния, стабилизированного специфическими взаимодействиями в активном центре. Термин «каталитическая эффективность» связывает термодинамические параметры переходного состояния с константой скорости реакции.
Изменение стандартной энергии Гиббса (ΔG°) определяет направление реакции, но не её скорость. Для реакции ферментативного типа справедливы соотношения:
ΔG = ΔH − TΔS,
где ΔH — энтальпийный вклад, связанный с образованием и разрушением химических связей, а ΔS — энтропийный вклад, обусловленный изменением степени упорядоченности системы.
Ферменты влияют на эти величины косвенно. Снижение ΔH достигается за счёт образования дополнительных водородных связей, ионных взаимодействий или гидрофобных контактов в активном центре. Увеличение ΔS связано с правильной ориентацией субстрата и исключением лишних степеней свободы, что повышает вероятность образования продукта.
Энергия активации (Ea) отражает разность между свободной энергией исходных веществ и переходного состояния. Ферменты уменьшают Ea, стабилизируя конфигурации, близкие к переходному состоянию. На молекулярном уровне это достигается:
Таким образом, фермент направляет систему в область энергетического ландшафта, где путь к продукту становится наиболее вероятным и термодинамически выгодным.
Энтальпийные вклады. Формирование фермент-субстратного комплекса сопровождается высвобождением энергии за счёт нековалентных взаимодействий, что уменьшает общую энтальпию системы.
Энтропийные вклады. Снижение энтропии связано с упорядочением молекулы субстрата в активном центре, однако этот эффект компенсируется за счёт увеличения вероятности успешного столкновения и снижения степени беспорядка растворителя при дегидратации активного центра.
В совокупности эти процессы обеспечивают отрицательное значение ΔG для образования фермент-субстратного комплекса, что делает его образование термодинамически выгодным.
Основные характеристики ферментативной кинетики тесно связаны с термодинамикой.
Термодинамика ферментативного катализа зависит от условий среды.
В теории абсолютных скоростей реакций центральным параметром является изменение энергии Гиббса переходного состояния (ΔG‡). Уравнение Эйринга связывает скорость ферментативной реакции с этим параметром:
$$ k = \frac{k_B T}{h} e^{-\Delta G^{\ddagger}/RT}, $$
где k — константа скорости, kB — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.
Чем меньше ΔG‡, тем выше скорость реакции. Ферменты действуют именно через уменьшение этой величины.
Ферментативный катализ сочетает высокую скорость реакции с избирательностью. Специфичность объясняется термодинамическими факторами:
Таким образом, высокая селективность ферментов является прямым следствием тонкой настройки их термодинамических параметров.