Мы уже говорили, что биокатализ и биотрансформация являются процессами химического превращения одного или более веществ, протекающими под действием катализаторов – ферментов, применяемых в очищенном виде или в составе клеток микроорганизмов либо изолированных животных или растительных клеток.

При этом биотрансформация – это относительно неглубокое химическое превращение уже в основном сформированного химического соединения под влиянием ферментов. При биокатализе же возможен синтез нового вещества из различных по структуре реагентов или разложение сложного вещества под действием ферментов.

Рассмотрим основные группы технически важных биотрансформаций:

• гидроксилирование различных позиций молекулы вещества (добавление гидроксильной группы ОН);
• введение двойной связи в том или ином месте;
• обрыв боковых цепей у разветвленных молекул;
• окисление молекул спиртов до кетонов;
• дегидрирование;
• изомеризация;
• ароматизация (появление ароматических углеводородных радикалов).

Назовем также основные виды реакций биокатализа (практически они будут совпадать с наименованиями основных групп ферментов вообще):

• окисление и восстановление;
• перенос химических функциональных групп от одних молекул на другие;
• гидролиз;
• реакции с участием двойных связей (образование или, наоборот, присоединение к ним химических групп);
• изомеризация, или структурные изменения в пределах одной молекулы;
• синтез сложных соединений (как правило, требующий энергетических затрат).

Как видно из приведенных перечислений, биотрансформация и биокатализ являются процессами, сходными по своей природе.

Объединяет их прежде всего использование специфических катализаторов – молекул фермента, имеющих белковую природу.

Эта природа фермента оказывает решающее влияние на кинетику ферментативных реакций.

В общем случае эта кинетика может быть выражена следующими структурными схемами: для одного субстрата S
S + E ↔ ES → P+ Е; (12.1)
для двух субстратов S₁ и S₂
S₁ + S₂ + E ↔ ES₁S₂ → P+ Е. (12.2)

В обоих случаях реакции превращения субстрата в продукт протекают через промежуточную стадию взаимодействия фермента с субстратом (субстратами) и образования фермент-субстрат - ных комплексов.

Молекула фермента – очень длинный закрученный белок, к тому же свернутый в виде пространственного упругого клубка причудливой формы (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Пространственная конформация молекулы фермента

Спутанность и беспорядок белка не случайны – они строго обусловлены чередованием аминокислот в молекуле фермента. В этой структуре есть участки, куда легко притягивается определенная форма молекулы субстрата. Это как бы «ключ–замок», позволяющий нужной молекуле субстрата (или субстратов) быстро занимать свое удобное «ложе», быстро вступать в нужную реакцию и «выскакивать», как только она прошла.

Доказано, что скорость реакции на ферменте в 10 млрд раз больше, чем без него. Вот почему ферменты запросто осуществляют многие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаимодействие атмосферного азота с водой с образованием аммонийных соединений.