Лекция 2. Катализ – дело тонкое, даже очень

Практически всю лекцию посвятим тому чрезвычайно интересному взгляду на катализ, который возник из размышлений о том, как могут работать энзимы – ведь большинство энзимов это просто белки, не требующие никаких дополнительных молекул (простетических групп), которые можно было бы считать катализаторами в том, первом смысле – как регененрирующихся реагентов, изменяющих механизм реакции – а следовательно, возможность такого катализа должна быть заключениа в том, что путь реакции и её механизм не изменяются, но каким-то образом драматически снижается барьер активации. Собственно, даже при наличии простетических групп, в отдельности от фермента в обычной гомогенной реакции, они тоже ничего не сделают, и здесь также важна эта “магия” белка – способность снижать барьер активации. Множество иследователей, начиная с вездесущего Лайнуса Полинга, ломали головы над этой восхитительной способностью, которая делает возможным функционирование живых существ от самых простых бактерий до нас самих. Мы отлично знаем про то, как реагенты в энзиматических реакциях соответствуют активной части молекулы фермента в нативной структуре – все эти метафоры про ключ и замок, и так далее – но, кажется дело не в этом, или не совсем в этом. Что чему там соответствует и почему работает некоторая совокупность структурных единиц белка-энзима в начале этих исследований понять было невозможно, и наука о катализе пошла обыным путём: создания и изучения упрощённых, но всё более уложняющихся моделей, и так, шаг за шагом, пришла к ряду довольно парадоксальных мыслей, драматически изменяющих наше представление о том, что нужно делать, чтобы достигать высокой эффективности и селективности каталитических превращений, по дороге выяснив, что важнейшая роль в настройке таких систем принадлежит не тому, что так всегда любили химики: сильным, ковалентным взаимодействиям, созданию и разрушению полноценных химических связей – а совокупности гораздо более слабых нековалентных взаимодействий, которые по отдельности вполне немощны, но дополняя друг друга и при условии тонкого соответствия структур – дают те самые критически важные выигрыши в снижении энергии (стабилизации) переходных состояний, которые и работают как каталитический эффект. 

Всё это создаёт химикам 21 века (и последующих столетий) множество захватывающих возможностей для создания и тонкой настройки новых каталитических систем, и мы сейчас только в самом начале этого пути, и первые работы кажутся яркими, но совершенно бесполезными по причине избыточной сложности решений и достаточно скромных достижений, явно не рассчитанных на практическое применение. Но так работает серьёзная наука: путь от ярких идей через примитивные модели, растущее понимание природы явлений и усложнение моделей, через множество идей разной степени безумия к первым более-мене практичным решениям занимает многие десятилетия. Многое из того, что было найдено по дороге и опубликовано в самых гламурных журналах, уже забыто или будет забыто за бесперспективностью – но что-то сохранится, окажется плодотворным, и начнёт уже развиваться по-настоящему, вытесняя старую, грязную неэффективную химию, которой мы пользуемся сейчас, но которую не получится взять в будущее. Мы пока находимся как раз на стадии почти случайного, беспорядочного, хаотического поиска новых решений. Попроуем совсем поверхносно посмотреть, что тут творится, и не будем ни бурно восхищаться, ни недовольно бурчать – нафига всё это нужно, как тут вообще разобраться! – а просто поймём, что химия должна изменяться, должна становится умнее и точнее, а мы либо научимся соответствовать новым задачам, либо продолжим тешить себя иллюзией того, что мы и так всё знаем, и пойдём на свалку истории вместе с нашей любовно лелеемой спесью обречённых.