Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

График зависимости скорости ферментативной реакции от температуры имеет колоколообразный характер (рис. 4). Вначале повышение температуры вызывает возрастание скорости ферментативной реакции, затем скорость реакции достигает максимума, и при дальнейшем увеличении температуры скорость реакции снижается вплоть до ее прекращения. Температура, при которой отмечается наибольшая скорость реакции, называется температурным оптимумом реакции - t°_opt.

Рис. 4. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Возрастание ферментативной активности при повышении температуры от низких величин до температурного оптимума (левая ветвь кривой на рис. 4) объясняется увеличением среднего энергетического уровня и числа столкновений реагирующих молекул с ростом температуры. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10 °С вызывает увеличение скорости химической реакции в 2-4 раза. Это правило относится ко всем химическим реакциям, в том числе к ферментативным.

Снижение активности ферментов при повышении температуры выше температурного оптимума (правая ветвь кривой на рис. 4) объясняется тепловой денатурацией ферментного белка, которая при высоких температурах (80-100 °С) вызывает полную потерю каталитической активности фермента.

Для большинства ферментов температурный оптимум равен 37-40 °С, т.е. соответствует температуре тела. В очень коротких опытах температурный оптимум может быть более высоким, так как за очень малое время Денатурация фермента произойти не успевает.

Как видно на рис. 4, при очень низких (ниже 0 °С) и высоких (80-100 °С) температурах активность ферментов равна нулю. Однако при низких температурах ферменты сохраняют свою нативность и при повышении температуры у них вновь появляется каталитическая активность. В настоящее время ферменты выделяют из растворов путем лиофильной сушки, т. е. сушки в замороженном состоянии при очень низком давлении. Полученные таким образом лиофилизированные ферментные препараты хорошо сохраняются в течение длительного времени даже при комнатной температуре.

Действие же высоких температур приводит к необратимой потере ферментами способности ускорять химические реакции, так как в этом случае происходит их необратимая денатурация. Поэтому на практике для подавления ферментативной активности (например, ферментов микробов, вызывающих порчу пищевых продуктов) обычно используется термическая обработка.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

Скорость ферментативных реакций значительно зависит от кислотности среды, в которой они протекают. Для каждого фермента имеется определенное значение рН, при котором наблюдается наибольшая скорость реакции — рН-оптимум. При отклонении в любую сторону от этого значения рН резко уменьшается ферментативная активность. Важно подчеркнуть, что величина рН-оптимума у разных ферментов колеблется в большом диапазоне значений рН, в то время как температурный оптимум для большинства ферментов составляет 37-40 °С. В качестве примера можно привести значения рН-оптимума следующих ферментов (рис. 5):

Рис. 5. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

(1 - пепсин, 2 - амилаза, 3 - щелочная фосфатаза)

Влияние кислотности среды на скорость ферментативных реакций обусловлено тем, что при изменении кислотности меняется конформация всей белковой молекулы фермента, в том числе изменяется конформация активного центра и его способность осуществлять катализ. При рН-оптимуме фермент находится в оптимальной для проявления каталитических свойств конформации. При небольшом отклонении величины кислотности от рН-оптимума наблюдается незначительное изменение конформации, носящее обратимый характер. При значительном отклонении от рН-оптимума (в сильнокислой и сильнощелочной среде) происходит необратимая денатурация ферментного белка, приводящая к полной утрате каталитической активности.

При работе с ферментами в лабораторных условиях в реакционную среду вводят буферные растворы, рН которых соответствует рН-оптимуму изучаемых ферментов.