Работы, посвященные химической кинетики ферментативного катализа

Следующий этап исследования ферментов связан с выявлением, осознанием и анализом того факта, что ферменты обладают способностью взаимодействовать лишь с избранными субстратами, то есть обладают специфичностью, а также доказательствами того, что субстрат в процессе каталитической реакции образует лабильный комплекс с белком.

Детальное исследование ряда каталитических систем провел Эмиль Фишер (1852-1919 гг.). Он синтетически получил дипептиды и олигопептиды. В 1907 г. им был синтезирован октадекапептид, состоящий из восемнадцати различных аминокислот. В 1894 году Э. Фишер начал цикл работ по специфичности действия ферментов. Эти работы были следствием его исследований структуры сахаров и пептидов. Для объяснения специфичности действия ферментов им было сформулировано положение о том, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку. Это положение не потеряло актуальности и сегодня, оно лежит в основе представлений о стерическом соответствии между субстратом и ферментом. Выдающиеся работы были выполнены Э. Фишером в области химии углеводов и красителей. Работы Э. Фишера заложили основы изучения нуклеиновых кислот.

В 1902 г. Эмиль Фишер был удостоен Нобелевской премии по химии«за исследования сахаров и пуриновых производных».

То, что фермент взаимодействует с субстратом и образует «фермент-субстратный комплекс», следовало из анализа кинетики каталитической реакции. Впервые скорость ферментативных реакций проанализировал Г. Тамман. Он провел тщательное сравнительное исследование действия ферментов и химических катализаторов гидролиза и показал, что ферментативный гидролиз гликозидов и дисахаридов аналогичен классическому кислотному, исследуемому со времен К.С. Кирхгофа. Г. Тамман впервые изучил температурные зависимости скорости ферментативной реакции. Результаты работы были опубликованы в 1892 году в «Журнале Русского физико-химического общества» и впоследствии в «Журнале физической химии», издаваемом Якобом Хендриком Вант-Гоффом и Фридрихом Вильгельмом Оствальдом.

Достаточно завершенную форму химико-кинетические исследования приобрели в работах Луи Анрии(1834-1913) и Леона Михаэлиса (1875-1949). Из кинетических данных однозначно следовало, что в процессе каталитического действия фермент образует комплекс с субстратом. Интерпретация Л. Анри и Л. Михаэлиса роли этого комплекса была различной, однако оба подхода для объяснения экспериментальных данных постулировали образование фермент-субстратного комплекса.

Значительный вклад в фундамент химической кинетики ферментативного катализа внесли работы Э.Армстронга (1904 г.), обнаружившего эффекты ингибирования ферментативных реакций аналогами субстрата, и С. Соренсена (1868-1939 гг.), продемонстрировавшего зависимость скоростей ферментативных реакций от концентрации ионов водорода.

Таким образом, практически все великие химики 19-го столетия внесли свой вклад в создание фундамента химической энзимологии. Их притягивал феномен биологического катализа. Общий, междисциплинарный характер химической энзимологии сохраняется и сегодня.

XX-ый век внес в понимание феномена биологического катализа очень многое. Качественно изменили облик химической энзимологии новые физико-химические методы исследования. Методы молекулярной биологии и генетической инженерии многое прояснили в механизмах реакций и позволили получать биокатализаторы новой структуры, не существующие в природе. В XX-ом веке в науку пришло много исследователей, что способствовало резкому количественному и качественному подъёму знаний. Наконец, появились методы работы с большими объемами информации и проведения вычислений гигантских объемов. Как многие отрасли химии, химическая энзимология стала разделом технической химии.

Нельзя сегодня утверждать, что феномен биологического катализа понят до конца. Основной вопрос, оставшийся неразгаданным – это каким образом возникли биологические катализаторы, обладающие фантастической активностью, как они эволюционируют, не ясны детали многих ферментативных реакций, не до конца прояснены механизмы регуляции активности ферментов и механизмы регуляции их экспрессии, не всегда однозначно прослеживается связь каталитических активностей фермента с физиологическими ответами клетки.

Открытие ферментов позволило начать грандиозную работу по полному описанию всех процессов метаболизма, не завершённую до сих пор. Одним из первых значительных находок в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.