Fyzikálně-chemické vlivy působící na činnost enzymů

Vliv teploty

Většina chemických reakcí závisí na teplotě a reakce katalyzované enzymy v tom nejsou výjimkou.

• Podle kinetické teorie vykládáme vzrůst rychlosti reakce s teplotou až do dosažení optimální teploty zvýšenou kinetickou energií reagujících molekul, což přispívá také ke tvorbě enzym-substrátového komplexu.
• Teplotní koeficient Q₁₀ je poměr, kolikrát se rychlost chemické reakce změní se vzrůstem teploty o 10 °C. U většiny chemických reakcí činí tento poměr asi 2, ale pro některé fyziologické pochody, katalyzované enzymy, je vyšší.
• Pro většinu enzymů je optimální teplota zhruba shodná s teplotou, která existuje v prostředí buňky, a pro teplokrevné (homoiotermní) organismy, k nimž patří člověk, činí 37 °C.
• Pro některé baktérie, žijící v extrémních podmínkách, může optimální teplota (ale i optimální pH a optimální iontové složení) dosahovat značně extrémních hodnot. Např. některé mikroorganismy žijící v horkých přírodních pramenech mají optimální teplotu pro své enzymy blízkou bodu varu vody. U savčích enzymů však takové teploty leží již za optimální teplotou. V takových podmínkách je kinetická energie enzymových molekul tak velká, že překročí energetickou bariéru pro rozrušení sekundárních vazeb a interakcí, udržujících enzymovou molekulu v té konformaci (sekundární a terciární struktuře), která je pro enzymovou katalýzu nezbytná. Tím nastává denaturace provázená úbytkem až i ztrátou enzymové aktivity.

Test tepelné lability

Aktivita enzymu se zpočátku zvyšuje s teplotou až do svého optima. Následně začne denaturovat a rychle ztrácí svoji katalytickou schopnost.

(ale i lability vůči pH) patří k jednoduchým kritériím, zda daná reakce je enzymy katalyzována.

• U většiny savčích enzymů se tepelně denaturují enzymy již při 60 až 80 °C. Povařením se enzymy denaturují většinou velmi rychle.
• Závislost enzymové aktivity na vzrůstající teplotě lze vyjádřit graficky zvonovitou křivkou, která má vrchol u optimální teploty.

Závislost enzymové aktivity na pH

Závislost enzymové aktivity na pH je jiným významným činitelem, ovlivňujícím aktivitu enzymů. Také tuto závislost lze vyjádřit graficky zvonovitou křivkou s vrcholem u optimálního pH, které u většiny enzymů leží v rozmezí 5,0 až 9,0.

• Některé enzymy jsou však výjimkou, např. pepsin, působící v silně kyselém prostředí žaludeční šťávy, má optimální pH mezi 1,5 až 2,0.
• Vliv pH na vzrůst enzymové aktivity až do dosažení optimálního pH lze vyložit ovlivněním disociace ionizovatelných funkčních skupin substrátu i enzymu, které odpovídají za interakci enzymu se substrátem při tvorbě enzym-substrátového komplexu, ale i za udržování konformace enzymu. Krom toho se některé ionizovatelné funkční skupiny v aktivním centru podílejí na acidobazické katalýze. Protože enzymy jsou bílkovinné povahy, jsou stálé jako amfolyty jen v určitém rozmezí hodnot pH blízkém neutralitě.
• Extrémně kyselé nebo alkalické roztoky enzymy denaturují opět změnou konformace. To je podmíněné rozrušením sekundárních vazeb a interakcí, někdy i rozpadem kvartérní struktury na podjednotky nebo disociací nebílkovinné složky enzymu.

Vliv iontů na enzymy

Vliv iontů na enzymy je nejlépe patrný u některých dvojmocných kationtů (např. Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺) jako aktivátorů. Tyto ionty mohou vytvářet komplex se substrátem za tvorby metalosubstrátového komplexu, nebo komplex s enzymem, který pak váže substrát ve formě enzym-metalo-substrátového komplexu.

• Kovové ionty mohou měnit také rovnovážné stavy, ať už odstraňováním produktů ve formě komplexu s produktem reakce, nebo zvýšenou nabídkou substrátu, je-li účinnou formou metalo-substrátový komplex.
  • Jindy mohou kovy ovlivnit konformaci enzymového proteinu, udržovat kvartérní strukturu enzymu nebo mohou působit jako inhibitory vazbou na účinné skupiny aktivního centra (např. -SH skupiny jsou blokovány ionty Hg²⁺).
  • Některé kovové ionty se mohou podílet na mechanismu enzymově katalytické reakce interakcí se substrátem jako tzv. Lewisovy kyseliny (akceptory elektronových párů).
• Fluoridové ionty mohou zase působit inhibičně vazbou kationtů jako aktivátorů, např. vazbou Ca²⁺ nebo Mg²⁺.
• Přítomnost solí může také nespecificky ovlivňovat aktivitu enzymu změnou iontové síly (např. ionty Cl^-), a tím působit na hydrataci enzymového proteinu nebo na elektrokinetický potenciál, který mění pevnost iontových (elektrostatických) vazeb v molekule enzymu.