Влияние температуры на скорость ферментативной реакции

Важным фактором, от которого зависит скорость ферментативной реакции (равно каталитическая активность фермента) является температура, влияние которой показано на рис 4. Из рисунка видно, что с повышением температуры до определенной величины скорость реакции увеличивается. Это можно объяснить тем, что с повышением температуры движение молекул ускоряется и у молекул реагирующих веществ оказывается больше возможности столкнуться друг с другом. Это увеличивает вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую скорость реакции, называется о п т и м а л ь н о й температурой.

Каждый фермент имеет свою оптимальную температуру. В общем для ферментов животного происхождения она лежит между 37 и 40^ОС, а растительного - между 40 и 50^ОС. Однако есть и исключения: a-амилаза из проросшего зерна имеет оптимальную температуру при 60^ОС, а каталаза - в пределах 0 - 10^ОС. При повышении температуры сверх оптимальной скорость ферментативной реакции снижается, хотя частота столкновений молекул увеличивается. Происходит это вследствие денатурации, т.е. потери ферментом нативного состояния. При температуре выше 80^ОС большинство ферментов полностью теряют свою каталитическую активность.

Снижение скорости ферментативной реакции при температурах, превышающих оптимальную, зависит от денатурации фермента. Поэтому важным показателем, характеризующим отношение фермента к температуре, является его термолабильность, т.е. скорость инактивации самого фермента при повышении температуры.

 

Рис. 4 Влияние температуры на скорость гидролиза крахмала амилазой.

При низких температурах (0 ^ОС и ниже) каталитическая активность ферментов падает почти до нуля, но денатурация при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается.

 

Влияние рН на скорость ферментативной реакции

Важным фактором, оказывающим большое влияние на скорость ферментативной реакции, является рН среды.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, т.е. такая величина рН, или зона рН, при которой катализируемая ферментом реакция протекает с наибольшей скоростью (рис. 4.6).

Большинство ферментов имеют максимальную каталитическую активность в зоне рН от 7; в резко кислой или резко щелочной среде

 

Рис. 4.6. Влияние рН на скорость реакции, катализируемой пепсином (1) и сахарозой из дрожжей (2).

работают лишь некоторые ферменты. За пределами оптимальной зоны рН, т.е. при отклонениях в сторону снижения или в сторону повышения от этого значения, скорость ферментативной реакции снижается.

При разных значениях рН активный центр может находиться в разной степени ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на формировании активного фермент-субстратного комплекса. Кроме того, имеет значение факт ионизации субстатов и кофакторов.

При проведении производственных процессов можно путем соблюдения требуемого рН снизить активность нежелательных для процесса ферментов и повысить активность полезных ферментов.

 

Влияние на каталитическую активность ферментов ингибиторов и активаторов

Скорость ферментативной реакции (равно активность ферментов) определяется присутствием в среде ингибиторов и активаторов, среди которых могут быть как посторонние для организма вещества, так и природные продукты обмена.

И н г и б и т о р а м и называют вещества, вызывающие частичное или полное торможение химических реакций, включая и ферментативные.

Ферменты теряют каталитическую активность при воздействии различных факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов и др.). Подобное разрушение фермента не рассматривается как ингибирование, так как оно не связано с механизмом действия фермента. Ингибиторы действуют на скорость реакции определенным химическим путем.

Механизм действия ингибиторов может быть самым разнообразным, но в общей форме можно сказать, что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя соединение фермент-ингибитор.

Различают о б р а т и м о е и н е о б р а т и м о е ингибирование фермента. При обратимом ингибировании активность фермента восстанавливается по мере удаления свободного ингибитора диализом или иным способом, т.е. при обратимом ингибировании существует равновесие между свободным ингибитором и ферментом. При необратимом ингибировании равновесие между свободным ингибитором и ферментом не устанавливается и активность фермента не удается восстановить диализом. Напротив, если ингибитор присутствует в избытке по сравнению с ферментом, то со временем наступает полное торможение активности фермента.

Обратимое ингибирование ферментативных реакций бывает к о н к у р е н т н ы м и н е к о н к у р е н т н ы м.

Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, похожими по своей структуре на субстрат. Эти вещества, конкурируя с субстратом, соединяются с активным центром фермента, но не подвергаются ферментативному превращению и новые продукты из них не образуются. В связи с тем, что часть фермента при конкурентном ингибировании расходуется на образование комплеса фермент-ингибитор, скорость ферментативной реакции снижается. Конкурентное ингибирование обратимо, так как при увеличении концентрации субстрата скорость реакции возрастает.

Неконкурентное ингибирование вызывают вещества, не имеющие структурного сходства с субстратом. Причем эти вещества обратимо присоединяются к ферменту не в активном центре, где обычно связывается субстрат, а совсем в другом месте и, следовательно, конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует. Связываясь с ферментом, неконкурентные ингибиторы вызывают изменение пространственной структуры активного центра, и, хотя присоединение субстрата к такому активному центру происходит, тем не менее катализ становится невозможным. Неконкурентные ингибиторы связываются обратимо как со свободным ферментом, так и с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивные фермент-ингибитор (ЕJ) и (или) фермент-субстрат-ингибитор (ESJ).

Наряду с инигибиторами существует целый ряд активаторов ферментов. А к т и в а т о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую активность ферментов. Среди активаторов встречаются самые разнообразные вещества. Особенно часто роль активаторов ферментов выполняют ионы металлов: калия, кальция, магния, цинка, меди, железа, марганца, кобальта, а из анионов - хлора. Для проявления максимальной активности ферментов требуется определнная концентрация ионов-активаторов в среде.

Усиление активности ферментов под действием ионов металлов объясняется тем, что в одних случаях ионы металлов выполняют роль кофактора, в других - облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в третьих - способствуют прсоединеию кофермента к апоферменту, в четвертых обеспечивают становление четвертичной структуры фермента или же действуют иными путями.

Мощное действие на ферменты оказывают вещества, присоединяющиеся к ним в особых участках, удаленных от активного центра, называемых а л л о с т е р и ч е с к и м ц е н т р о м. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре его активного центра. Называют такие вещества а л л о с т е р и ч е с к и м и э ф ф е к т о р а м и. Если эти эффекторы увеличивают сродство фермента к субстрату, то их называют а л л о с т е р и ч е с к и м и активаторами, если уменьшают - а л л о с т е р и ч е с к и м и ингибиторами. Ферменты, активность которых регулируется аллостерическими активаторами или ингибиторами называют а л л о с т е р и ч е с к и м и. Большинство аллостерических ферментов представляют собой белки-олигомеры.

Аллостерические ферменты имеют важное значение в регуляции ферментативных процессов в клетке. Это связано с тем, что эффекторами могут быть различные промежуточные продукты обмена веществ, называемые м е т а б о л и т а м и. В частности, установлено, что конечный, а иногда и промежуточный продукт многостадийного процесса распада или биосинтеза может служить аллостерическим ингибитором одной из первых его реакций.