термолабильность ферментів

Швидкість хімічних реакцій залежить від температури, тому каталізуються ферментами реакції також чутливі до змін температури. Встановлено, що швидкість більшості хімічних реакцій підвищується в два-чотири рази при підвищенні температури на 10 ° С і, навпаки, знижується в два рази при зниженні температури на 10 ° С. Цей показник отримав назву температурного коефіцієнта Q10. Однак внаслідок білкової природи ферменту теплова денатурація при підвищенні температури буде знижувати ефективну концентрацію ферменту з відповідним зниженням швидкості реакції. Так, при температурі не вище 45-50 ° С, швидкість реакції збільшується відповідно до теорії хімічної кінетики. При температурі вище 50 ° С на швидкість реакції великий вплив починає чинити теплова денатурація білка-ферменту, що приводить до повного припинення ферментативного процесу.

а - підвищення швидкості реакції як функція температури;

б - зниження швидкості реакції як функція денатурації білка-ферменту (стрілка вказує оптимум температури)

Малюнок 2 - Залежність швидкості катализируемой ферментом реакції від температури

Найбільшу активність ферменти виявляють в дуже вузькому інтервалі температур десь при 40-50 ° С для тварин організмів і 40-60 ° С для рослинних організмів, в цих умовах швидкість реакції виявляється максимальною внаслідок збільшення кінетичної енергії реагуючих молекул. При низьких температурах (0 ° С і нижче) ферменти, як правило, не руйнуються, хоча активність їх падає майже до нуля. Кожен фермент має свій температурний оптимум.

Слід зазначити, що на термолабильность ферментів впливають час впливу, концентрація субстрату, pH середовища, а також в якому стані знаходиться фермент. У кристалічному вигляді ферменти більш термостійкий.

Вплив кислотності середовища

Найважливішим фактором, що впливає на активність ферментів, є реакція середовища. У клітці одночасно присутні сотні різних ферментів, і кожен фермент найбільш активний в певному вузькому інтервалі pH, званим оптимумом pH. Оптимум pH окремих ферментів розрізняються. Наприклад, максимальна активність пепсину, що каталізує розщеплення білка, спостерігається при pH 1,5-2,0, а аргінази, яка викликає розщеплення амінокислоти аргініну, - при pH 9,5-9,9. Зі зміною pH від оптимального значення в кислу або лужну середу активність ферменту знижується спочатку повільно, а потім дуже швидко, і часто таке инактивирование незабаром набуває незворотного характеру (рис. 3).

Оптимум pH дії більшості ферментів лежить в слабокислою або нейтральної реакції середовища.

Таблиця 2 - Оптимальні значення pH для деяких ферментів

V - швидкість реакції

Малюнок 3 - Залежність швидкості біохімічної реакції від pH середовища

Відповідно до сучасних уявлень, вплив змін pH середовища на молекулу ферменту полягає у впливі на стан і ступінь іонізації кислотних і основних груп (зокрема, COOH-групи дикарбонових амінокислот, SH-групи цистеїну, NH2-групи лізину і т.д.). При різких зрушеннях від оптимуму pH середовища ферменти можуть піддаватися конформаційних змін, що призводить до втрати активності внаслідок денатурації або зміни заряду молекули ферменту. При зміні pH порушується оптимальне співвідношення іонізіруемих і не іонізіруемих груп (відповідне найбільшої активності ферменту), що позначається на третинної структурі білка і будову його активного центру. Крім того, концентрація [H +] впливає на іонізацію субстрату і іонізацію кофактора, що також впливає на швидкість течії реакції.

Швидкість ферментативних реакцій залежить від кількості ферменту в середовищі. Коли в середовищі субстрату досить, швидкість ферментативної реакції зростає пропорційно збільшенню кількості ферменту. Графічно це виглядає наступним чином (рис. 4.):

V- швидкість реакції

С- концентрація ферменту

Малюнок 4 - Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту

Ця залежність справедлива лише в певних умовах, наприклад, в початковий період ферментативної реакції, тому що в цей період практично не відбувається зворотної реакції, а концентрація продукту виявляється недостатньою для оборотності реакції. Саме в цьому випадку швидкість реакції (точніше, початкова швидкість реакції) буде пропорційна концентрації ферменту.

Швидкість ферментативної реакції в сильному ступені залежить від концентрації субстрату в середовищі. При низькій концентрації субстрату швидкість реакції зростає пропорційно його концентрації. Однак у міру збільшення концентрації ця пропорційність порушується, швидкість реакції зростає все повільніше. Відбувається насичення ферменту субстратом, при цьому молекули ферменту знаходяться в формі ES (повне насичення), швидкість реакції стає максимальною (Vm). Очевидно, що при напівнасичення (тобто коли половина молекул ферменту знаходиться в формі ES) швидкість реакції дорівнює ½Vm. У цьому полягає ще одна особливість ферментативних реакцій, не властива реакцій, що протікають в відсутності ферментів. Якщо ще далі підвищувати концентрацію субстрату, то швидкість реакції досягне постійного рівня, стає постійною, що не залежить від концентрації субстрату. У цих умовах фактором, що лімітує швидкість ферментативної реакції, стає концентрація ферменту в середовищі.

Вивчення впливу концентрації субстрату на швидкість ферментативних реакцій дозволило Л. Міхаелісу і Ментен створити основи теорії ферментативної кінетікі.Оні вивели класичне рівняння, що описує гіперболічний залежність в координатах V- [S]; при збільшенні концентрації субстрату швидкість асиметричною прагне до Vm:

Одним з основних висновків цієї теорії є встановлення константи Міхаеліса, графічне зображення якої представлено на рис.5. Якщо швидкість реакції при високих концентраціях субстрату досягає деякої максимальної величини Vm. то концентрація субстрату [S], при якій V = Vm / 2, називається константою Міхаеліса Km. тобто Km = [S]. Таким чином, константа Міхаеліса дорівнює концентрації субстрату (моль / л), при якій швидкість ферментативної реакції становить половину від максимальної.

Більш низькі значення Km означають, що ферментативний каталіз відбувається більш інтенсивно.