2.2.5. Изменение активности ферментов в зависимости

от условий среды

На каталитические свойства ферментных белков влияют многие хи-мические и физические факторы, способные воздействовать на структуру активного центра, скорость образования и распада фермент-субстратного комплекса, состояние ионизации молекул субстрата и определённых груп-пировок фермента (температура, рН и ионный состав среды, присутствие активаторов и ингибиторов, окислительно-восстановительный потенциал среды, концентрация субстрата и фермента, влияние внешнего электри-ческого поля и др.). Действие этих факторов оказывается возможным бла-годаря тому, что ферменты являются белками, которые довольно легко пе-рестраивают пространственную структуру молекулы под влиянием усло-вий внешней среды и, следовательно, проявляют высокую лабильность в изменении своих физико-химических свойств.

Влияние температуры. Ферментативные реакции могут происхо-дить в интервале температур от точки замерзания физиологической среды растительных клеток до 70–80 ^оС (тепловая денатурация белков высших организмов). При повышении температуры увеличиваются скорости хими-чеких реакций, в том числе и скорость образования фермент-субстратных комплексов, поэтому активность ферментов возрастает, вследствие чего происходит интенсификация процесссов жизнедеятельности растений.

Ускорение реакций под воздействием повышенной температуры обу-словлено тем, что снижается энергия активации как субстрата, так и фер-мента. В интервале температур 0…40 ^оС повышение температуры на 10 ^оС увеличивает скорость ферментативных реакций в 1,4–2 раза. Наиболее вы-сокая активность ферментов наблюдается при температурах 40–50 ^оС. При температурах свыше 50 ^оС активность ферментов понижается, так как на-чинается процесс тепловой денатурации ферментных белков, вызываю-щий необратимое изменение четвертичной, третичной и вторичной струк-тур белковых молекул. Полная денатурация растительных белков в рас-творе, как указывалось ранее, происходит при температурах 70–80 ^оС.

Однако в негидратированном (сухом) состоянии белки способны сохранять нативные свойства и при более высокой температуре, что ис-пользуется в технологиях быстрого высушивания зерна и семян без сни-жения их всхожести. Не происходит необратимой инактивации ферментов также и при замораживании растительных тканей. При понижении темпе-ратуры ниже точки замерзания физиологической среды прекращается дей-ствие ферментов, однако при повышении температуры их каталитическая активность восстанавливается.

Влияние рН среды. Каждая молекулярная форма фермента (изофер-мент) проявляет каталитическую активность в узком интервале рН среды, поскольку от концентрации водородных ионов зависит состояние иониза-ции молекулы субстрата и атомных группировок в активном центре фер-ментного белка, которое обеспечивает каталитическое действие фермента. Кроме того, концентрация ионов водорода влияет на конформацию актив-ного центра. Поэтому даже небольшой сдвиг реакции среды от оптималь-ного значения изменяет заряд кислотных и основных групп фермента и субстрата и конформацию активного центра фермента, вследствие чего резко понижается каталитическая активность молекулы фермента.

Однако ферменты в клетках растений представлены наборами изо-ферментов, каждый из которых проявляет каталитическую активность при разных значениях рН среды, поэтому в результате действия всего набора изоферментов обеспечивается ход катализируемой реакции в широком ди-апазоне изменения рН среды. Зависимость активности фермента от рН сре-ды показана на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Каталитическая активность аспартатдегидрогеназы

бактероидов из клубеньков жёлтого люпина в зависимости

от рН среды

Влияние концентрации фермента и субстрата. Если в физиологи-ческой среде содержится много субстрата и мало ферментного белка, то скорость превращения субстрата в продукты реакции будет низкой, так как каждая молекула фермента способна катализировать превращение опреде-лённого количества субстрата в единицу времени. При увеличении числа ферментных молекул (т. е. концентрации фермента) в среде скорость фер-ментативной реакции будет возрастать до тех пор, пока достаточно суб-страта для полной реализации молярной активности фермента. При даль-нейшем увеличении концентрации фермента скорость реакции уже не воз-растает. Следовательно, скорость ферментативной реакции пропорцио-нальна количеству фермента в среде только при высокой концентрации субстрата.

Скорость реакции, катализируемой ферментом, зависит также от концентрации субстрата в физиологической среде при условии, что коли-чество фермента остается неизменным. Если в среде находится опреде-лённое количество фермента и в неё добавляется субстрат, то вначале скорость ферментативной реакции будет возрастать пропорционально уве-личению концентрации субстрата. Однако в дальнейшем по мере увеличе-ния концентрации субстрата темпы нарастания скорости реакции замед-ляются, и при определённом количестве субстрата в среде скорость реак-ции достигает максимального уровня, при котором полностью реализуется молярная активность фермента (рис. 2.8). С этого момента скорость реак-ции уже не будет возрастать при увеличении количества субстрата в среде, так как лимитирующим фактором, определяющим дальнейший ход реак-ции, становится концентрация фермента.

Рис. 2.8. Зависимость скорости ферментативной реакции

от концентрации субстрата

v – скорость ферментативной реакции; [S] – концентрация субстрата;