6.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа

Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества, превращающимся в единицу времени, и зависит от температу­ры, рН среды, концентрации субстрата и фермента.

Скорость ферментативной реакции является мерой активности фермента. Активность фермента можно измерить только косвенно: по количеству превращаемого субстрата или получаемого продукта реакции в единицу времени.

Влияние температуры на активность ферментов

Зависимость каталитической активности от температуры (термолабильность) для большинства ферментов выражается типичной кривой, представленной на рис.16.

Рис. 16. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Скорость ферментативных реакций, как и любых других, при повышении температуры на каждые 10 °С увеличивается примерно в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа), но это правило справедливо лишь в облас­ти температур до 50-60°С. При температуре выше 50°С начинается де­натурация фермента, что означает уменьшение его количества и соот­ветственно снижается скорость реакции. При температурах 80-100°С почти все ферменты утрачивают свою активность (исключение состав­ляет только один фермент мышечной ткани - миокиназа, который вы­держивает нагревание до 100°С). Оптимальной для действия ферментов животного происхождения является температура 40-50°С, а для расти­тельного - 50-60°С. Однако есть ферменты с более высокими оптималь­ными температурами, например, у папаина (фермента растительного происхождения, ускоряющего гидролиз белка) он равен 80°С. В то же время у каталазы (фермента, ускоряющего распад перекиси водорода до воды и О₂ ) оптимальная температура действия находится между 0 и 10°С, а при более высоких температурах происходит инактивация фер­ментов. При температурах 0°С и ниже большинство ферментов не раз­рушается, но их активность стремится к нулю.

Свойство термолабильности ферментов имеет важное значение для понимания процессов жизнедеятельности. При снижении температуры некоторые животные впадают в состояние спячки или анабиоза. При этом скорость ферментативных процессов уменьшается, что снижа­ет расход накопленных организмом питательных веществ и замедляет обмен веществ. Искусственное охлаждение организма (гибернация) ис­пользуется в клинике для проведения хирургических операций.

Влияние рН на активность ферментов

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентра­ции водородных ионов носит колоколообразный характер (рис. 17). Ка­ждый фермент имеет свой оптимум рН среды, при которой он макси­мально активен. Большинство ферментов имеет максимальную актив­ность при физиологическом значении рН среды 6,0-8,0, однако некото­рые ферменты хорошо работают или в кислой (пепсин), или в щелочной (аргиназа) среде. В табл. 8 приведены оптимумы рН ряда ферментов.

Влияние изменения рН среды на молекулу фермента состоит в изменении степени ионизации кислотных и основных групп активного центра фермента, что сказывается на третичной структуре белка и со­ответственно на формировании активированного фермент-субстратного комплекса. Кроме того, имеет значение состояние ионизации субстрата и кофермента.

Таблица 8

Оптимальное значение рН для некоторых ферментов

Название фермента	Катализируемая реакция	рН
Пепсин	Гидролиз белка	1,5-2,5
Липаза (из семян клещевины)	Гидролиз жиров	4,7-5,0
Каталаза	Разложение перекиси	6,8-7,0
Уреаза	Гидролиз мочевины	7,0-7,2
Трипсин	Гидролиз белка	7,5-8,5
Аргиназа	Гидролиз аргенина	9,5-10,0

Рис. 17. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды

Значение оптимумов рН для разных ферментов важно для прак­тической медицины. Например, пепсин, гидролизующий белки в желудке, активно работает только в сильнокислой среде (см. табл.8). Поэтому для восстановления нарушенной активности эндогенного пепсина необходи­мы вещества, повышающие кислотность. Так, препарат пепсина прини­мают с соляной кислотой, создающей нужный рН.