8. Термолабильность ферментов

Скорость химических реакций зависит от температуры, поэтому катализируемые ферментами реакции также чувствительны к изменениям температуры. Установлено, что скорость большинства химических реакций повышается в два-четыре раза при повышении температуры на 10°С и, наоборот, снижается в два раза при понижении температуры на 10°С. Этот показатель получил название температурного коэффициента Q₁₀. Однако вследствие белковой природы фермента тепловая денатурация при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с соответствующим снижением скорости реакции. Так, при температуре, не превышающей 45–50°С, скорость реакции увеличивается согласно теории химической кинетики. При температуре выше 50°С на скорость реакции большое влияние начинает оказывать тепловая денатурация белка-фермента, приводящая к полному прекращению ферментативного процесса.

atопт

б

V

0 50 100 °C

а – повышение скорости реакции как функция температуры;

б – снижение скорости реакции как функция денатурации белка-фермента (стрелка указывает оптимум температуры)

Рисунок 2 – Зависимость скорости катализируемой ферментом реакции от температуры

Наибольшую активность ферменты проявляют в очень узком интервале температур где-то при 40-50°С для животных организмов и 40–60°С для растительных организмов, в этих условиях скорость реакции оказывается максимальной вследствие увеличения кинетической энергии реагирующих молекул. При низких температурах (0°С и ниже) ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их падает почти до нуля. Каждый фермент имеет свой температурный оптимум.

Следует отметить, что на термолабильность ферментов оказывают влияние время воздействия, концентрация субстрата, pHсреды, а также в каком состоянии находится фермент. В кристаллическом виде ферменты более термоустойчивы.

9. Влияние кислотности среды

Важнейшим фактором, влияющим на активность ферментов, является реакция среды. В клетке одновременно присутствуют сотни различных ферментов, и каждый фермент наиболее активен в определённом узком интервале pH, называемым оптимумомpH. ОптимумыpHотдельных ферментов различаются. Например, максимальная активность пепсина, катализирующего расщепление белка, наблюдается приpH1,5–2,0, а аргиназы, которая вызывает расщепление аминокислоты аргинина, – приpH9,5–9,9. С изменениемpHот оптимального значения в кислую или щелочную среду активность фермента снижается вначале медленно, а затем очень быстро, и часто такое инактивирование вскоре приобретает необратимый характер (рис. 3).

Оптимум pHдействия большинства ферментов лежит в слабокислой или нейтральной реакции среды.

Таблица 2 – Оптимальные значения pHдля некоторых ферментов

Фермент	pH	Фермент	pH
Амилаза из солода	4,9 – 5,2	Катепсин B	4,5 – 5,0
Амилаза слюны	6,8 – 7,0	Папаин	5,0
Липаза	7,0 – 8,5	Уреаза	7,3 – 7,9

pHопт

V

pH

V– скорость реакции

Рисунок 3 – Зависимость скорости биохимической реакции от pHсреды

Согласно современным представлениям, влияние изменений pHсреды на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние и степень ионизации кислотных и основных групп (в частности,COOH-группы дикарбоновых аминокислот,SH-группы цистеина,NH₂-группы лизина и т.д.). При резких сдвигах от оптимумаpHсреды ферменты могут подвергаться конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы фермента. При измененииpHнарушается оптимальное соотношение ионизируемых и не ионизируемых групп (соответствующее наибольшей активности фермента), что сказывается на третичной структуре белка и строении его активного центра. Кроме того, концентрация [H⁺] оказывает влияние на ионизацию субстрата и ионизацию кофактора, что также влияет на скорость течения реакции.