Зависимость активности ферментов от температуры

Подобно большинству химических реакций, скорость ферментативных реакций обычно повышается с увеличением температуры, достигая максимальных значений (рис. 5-18).

Рис. 5-18. Зависимость скорости ферментативной реакции (v) от температуры (t °С)

Это температурный оптимум. Однако при температурах выше 40- 45 °С активность ферментов начинает снижаться, что связано с тепловой инактивацией и денатурацией структуры белков при высоких температурах.

Несмотря на то что критической для человека считают 42 °С, ряд ферментов в пробирке могут выдержать и более высокую температуру. Такие ферменты называют термостабильными. Например, щелочная фосфатаза плаценты (но не других органов) выдерживает 60-минутное нагревание при температуре 60 °С без какой-либо потери каталитической активности. Знание такой закономерности позволяет отдифференцировать при анализе активности щелочной фосфатазы крови плацентарный фермент от щелочной фосфатазы печени и других органов. Это используют для дифференциальной диагностики заболеваний.

Выделенные в чистом виде ферменты наиболее стабильны при низких температурах, поэтому ферментные препараты, используемые в медицине, обычно хранят при температуре 2-8 °С.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Высокая эффективность ферментативного катализа, реализуемая в мягких физиологических условиях внутриклеточной среды, определяется уникальным соответствием между ферментом и субстратом, которое возникает в ходе их взаимодействия.

Связывание субстрата в активном центре, в котором участвуют силы, стабилизирующие пространственную структуру белка (см. главу 1), вызывает значительные изменения в расположении каталитических групп фермента. Это, в свою очередь, оказывает влияние и на молекулу субстрата, структура которого деформируется, подстраиваясь под структуру активного центра. В процессе сложных взаимодействий исходный фермент-субстратный комплекс (ES) претерпевает ряд изменений, в результате которых активный центр становится комплементарен переходному состоянию субстрата (ES*). При этом выделяется небольшое количество энергии, получившей название энергии связывания, которая и вносит основной вклад в достижение субстратом переходного состояния, необходимого для совершения химической реакции (рис. 5-19).

Рис. 5-19. Роль энергии связывания в ферментативном катализе. Энергия связывания вносит основной вклад в снижение энергии, которое происходит в результате ряда превращений фермент-субстратного комплекса (ES)→(ES*) с малым энергетическим барьером, в результате чего и происходит большое снижение энергии активации. 1 и 2 - показывают изменения свободной энергии, характерные для некатализируемой и катализируемой реакции S→P соответственно

Рассмотренный механизм изменения структуры фермента и субстрата получил название индуцированного соответствия. Он позволяет объяснить не только высокую каталитическую эффективность ферментов, но и природу специфичности их действия. Изменения в структуре активного центра, приводящие к определенной ориентации каталитических групп, могут быть вызваны только специфическими для данного фермента субстратами. В случае ферментов, проявляющих относительную субстратную специфичность, взаимные влияния фермента и субстрата в ходе преобразования фермент-субстратного комплекса будут различаться, поэтому эффективность каталитического превращения родственных субстратов тоже не будет одинаковой. Так, эффективность реакции дегидрирования одноатомных спиртов, катализируемой алкогольдегидрогеназой, зависит от структуры радикала и повышается с увеличением длины углеводородного скелета.