Катализ повсеместно распространен в биохимии; весь огромнейший класс веществ, выступающих в роли биохимических катализаторов, известен под общим названием ферментов. Поведение ферментов и любых других катализаторов подчиняется ряду общих законов. Все эти законы, более подробно перечисленные ниже, кратко сводятся к следующему: ферменты выполняют определенные, только им свойственные функции, не нарушая при этом общих химических и физических законов, как это может показаться на первый взгляд. Рассмотрим основные законы катализа:
1. Катализатор никогда не катализирует термодинамически невыгодную реакцию, а лишь облегчает возможную, но с трудом протекающую реакцию. Никакой катализатор не может, например, поднять шарик на вершину горы, если тот уже скатился к ее подножию.
2. Катализатор никогда не изменяет направление реакции. Если в его отсутствие реакция протекает по схеме A – Б, то все, что может сделать катализатор, — это облегчить процесс А – Б. Он не может, например, осуществить реакцию А – В.
3. При помощи катализатора нельзя сдвинуть равновесие химической реакции. Если смешать реагенты какой-либо обратимой реакции, и выдержать смесь в течение достаточно длительного периода времени, в конце концов будет достигнут момент, когда все четыре вещества окажутся в определенных, характерных для данной реакции пропорциях, независимо от того, состояла ли исходная смесь только из A и Б, или только из В и Г, или, наконец, из всех четырех веществ, взятых в произвольных соотношениях. Точно такое же соотношение компонентов реакционной смеси будет достигнуто, если эту реакцию катализировать любым подходящим химическим катализатором или ферментом. Отличие будет лишь в том, что в случае самопроизвольно протекающей реакции равновесие устанавливается медленнее.
4. При некоторых условиях катализатор может оказывать направляющее влияние на реакцию. Например, в некоторой системе протекают две разные реакции A – Б и А – В. Если обе они термодинамически возможны, то правильно выбранный катализатор способствует преимущественному протеканию какой-либо одной из этих реакций путем большего снижения ее энергии активации по сравнению с другой. Особенно большое значение имеет направляющая роль ферментов, действующих на определенных этапах обмена веществ в живой клетке.
5. Наконец, общее для всех каталитических процессов правило заключается в том, что катализатор, хотя и принимает участие в реакции, сам совершенно не расходуется и по окончании процесса может быть в неизмененном виде извлечен из реакционной смеси. Из этого следует, что незначительное количество катализатора может многократно использоваться для осуществления катализируемого им превращения огромного числа молекул исходного реагента. Некоторые ферменты, например, вступают в реакцию и выходят из нее столь быстро, что одна молекула фермента может катализировать превращение полумиллиона молекул за одну минуту. Поэтому влияние ферментов на протекающие в живой клетке процессы практически не зависит от их концентрации в клетке.
Таким образом, ферменты являются теми инструментами, которыми пользуется клетка в процессе своей жизнедеятельности как для расщепления на составные части молекулярного «сырья», так и для его соединения. Один набор ферментов осуществляет многостадийный процесс расщепления глюкозы до углекислоты, другой — синтезирует белки из аминокислот или жиры из жирных кислот и т. д. Следует обратить внимание на одну особенность ферментов, которая отличает их от небиологических катализаторов. Если такой катализатор химических реакций, как никель Ренея, успешно катализирует множество, по существу целый класс реакций, относящихся к одному и тому же типу химических превращений — восстановлению водородом, то ферменты действуют чрезвычайно избирательно: они ускоряют какие-то одни реакции и совсем не действуют на другие, хотя и очень близкие процессы. Это не универсальные, а как бы изготовленные на заказ инструменты. В живой клетке практически для любой протекающей реакции имеется свой специфический фермент.
