Зависимость ферментативных реакций от pH и температуры — прямое следствие того, что ферменты — это белки (или РНК-катализаторы), чья каталитическая активность опирается на тонко настроенную трёхмерную структуру и точные зарядовые состояния аминокислот в активном центре.

Почему важен pH

1. Протонирование каталитических групп. Большинство ферментов используют кислотно-основной катализ. Для работы нужно, чтобы боковые цепи аминокислот имели «нужное» состояние протонирования:

• Asp/Glu (pKₐ ≈ 4) должны быть то кислотами (протонированы), то основаниями (депротонированы);

• His (pKₐ ≈ 6) часто служит универсальной кислотой/основанием и особенно чувствительна к pH;

• Cys (pKₐ ≈ 8–9), Tyr (≈10), Lys (≈10–11), Arg (≈12) — их зарядовое состояние тоже может быть критичным.
  Смещение pH меняет степень протонирования → нарушается последовательность шагов механизма → падают k_cat и/или меняется K_M.

2. Заряды и комплементарность при связывании. Ионные группы в кармане связывания и на субстрате должны быть «совместимы». Изменение pH меняет заряд субстрата и фермента, ослабляет соли́-мосты, водородные связи, электростатику — падает аффинность (растёт K_M).

3. Конформация белка. От pH зависят внутримолекулярные ионные пары и сеть водородных связей, стабилизирующие третичную/четвертичную структуру. Далёкий от оптимума pH может вызывать частичную развёртку (разрушение нативной конформации) и потерю активности.

4. Кофакторы и металл-центры. У металлоферментов pH влияет на состояние координированной воды/лиганда (пример: М²⁺-активированные гидролазы), что напрямую меняет каталитику.

Итог: для каждого фермента кривая «скорость vs pH» обычно колоколообразная: при pH ниже одной критической pKₐ часть групп «слишком протонирована», при pH выше другой — «слишком депротонирована». Классические примеры — пепсин с максимумом в кислой среде (≈1–2) и трипсин — в слабощелочной (≈7,5–8,5).

Почему важна температура

1. Кинетика столкновений и преодоление барьера. До точки разрушения структуры рост температуры повышает скорость по уравнению Аррениуса:
   k = A·e^(−Eₐ/RT). Больше тепловой энергии → чаще образуется активный комплекс → растёт k_cat. Часто наблюдают «правило Q₁₀»: увеличение скорости в ~1,5–2 раза на каждые +10 °C (до определённого предела).

2. Термодинамика связывания. Температура влияет на баланс энтальпии/энтропии при образовании комплекса «фермент–субстрат», поэтому K_M может сдвигаться (аффинность обычно снижается при нагреве).

3. Тепловая денатурация. Белки удерживаются нековалентными взаимодействиями; при перегреве они разворачиваются и агрегируют. Это часто необратимо и быстро: активность резко падает после некой «критической» температуры (для мезофильных ферментов нередко уже при 45–60 °C). Поэтому кривая «скорость vs T» имеет вид подъёма с последующим обрывом.

4. Холодовая инактивация. При понижении температуры снижается подвижность (динамика) каталитических групп и субстрата, ухудшается доступ к переходному состоянию — скорость падает, хотя структура не разрушается.

5. Адаптация к среде. У психрофильных/термофильных организмов ферменты эволюционно «подогнаны»: у термофилов — более жёсткие структуры, сохраняющие нативность при 70–100 °C; у психрофилов — более «податливые», активны при 0–10 °C, но легко термоденатурируют.

Как это выглядит на практике

• Оптимум pH и T индивидуален для каждого фермента и условий (состав буфера, ионная сила, время инкубации).

• Профиль по pH — колокол, отражающий pKₐ ключевых групп в механизме; профиль по T — подъём до плато/пика и резкое падение из-за денатурации.

• Параметры k_cat и K_M зависят от pH и T, поэтому менять буфер и термостат — это менять не только «скорость», но и «эффективность» связывания и катализа (k_cat/K_M).

Коротко: pH задаёт правильные зарядовые состояния и удерживает нужную конформацию; температура определяет баланс между ускорением по Аррениусу и разрушением структуры. Именно поэтому у ферментов есть свои «любимые» pH и температура, при которых они работают быстрее всего.