Активность ферментов сильно зависит от температуры среды. Для большинства ферментов существует оптимальная температура, при которой скорость каталитической реакции достигает максимума. Увеличение температуры ускоряет молекулярное движение и чаще приводит к столкновениям фермента с субстратом, что повышает скорость реакции. Однако при превышении критической температуры белок фермента денатурирует, теряя свою пространственную структуру и активность. Для ферментов млекопитающих оптимальная температура обычно составляет 35–40 °C, для термофильных микроорганизмов — 60–80 °C.
Конформационная стабильность и заряд активного центра фермента зависят от ионного состояния аминокислотных остатков, что делает pH одним из ключевых факторов. Каждый фермент обладает оптимальным pH, при котором его активность максимальна. Сильные отклонения от оптимального pH вызывают протонирование или депротонирование функциональных групп, что ведет к изменению структуры активного центра и снижению каталитической способности. Например, пепсин оптимально работает в кислой среде (pH ≈ 2), а трипсин — в слабощелочной (pH ≈ 8).
Скорость ферментативной реакции растет с увеличением концентрации субстрата, однако этот рост не является бесконечным. Согласно кинетике Михаэлиса–Ментен, при низких концентрациях субстрата скорость реакции пропорциональна [S], а при высоких концентрациях достигается насыщение фермента, и скорость стабилизируется на уровне V_max. Этот эффект обусловлен тем, что все молекулы фермента находятся в состоянии комплексов с субстратом.
Увеличение концентрации фермента при постоянной концентрации субстрата приводит к прямому росту скорости реакции, так как увеличивается число активных центров. При ограниченном субстрате дальнейшее увеличение фермента не изменяет скорость реакции, так как субстрат становится лимитирующим фактором.
Многие ферменты требуют присутствия ионов металлов (Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺) или органических коферментов (НАД⁺, ФАД, коэнзим А) для поддержания структуры или участия в катализе. Эти молекулы могут стабилизировать активный центр, участвовать в переносе электронов или функциональных групп. Недостаток или избыток металлов может нарушать активность фермента; избыточные концентрации часто оказывают ингибирующее действие.
Ингибиторы делятся на обратимые и необратимые. Обратимые ингибиторы могут конкурировать с субстратом за активный центр (конкурентные), связываться вне активного центра и изменять конформацию фермента (неконкурентные) или сочетать оба эффекта (миксированные). Необратимые ингибиторы ковалентно модифицируют фермент, полностью блокируя его активность. Влияние ингибиторов часто используется для регуляции метаболических путей и в фармакологии.
Изменения ионной силы среды влияют на электростатические взаимодействия в ферменте и между ферментом и субстратом. Повышенная ионная сила может экранировать заряды, нарушая конформацию или связывание субстрата. Осмотическое давление, создаваемое высокими концентрациями растворенных веществ, способно изменять гидратацию белка и гибкость активного центра, что отражается на каталитической активности.
Фосфорилирование, ацетилирование, метилирование и другие модификации аминокислотных остатков влияют на активность ферментов, изменяя их конформацию, локализацию или способность к взаимодействию с субстратом. Эти процессы играют ключевую роль в регуляции метаболизма и адаптации клеток к изменениям среды.
Активность ферментов зависит от их локализации в клетке и времени экспрессии. Компартментализация обеспечивает концентрацию ферментов и субстрата в определенных органеллах, минимизируя нежелательные побочные реакции. Циклическая активация ферментов, например через гормональную сигнализацию, позволяет координировать метаболические потоки в ответ на внешние и внутренние стимулы.
Активность ферментов определяется комплексом физических, химических и биологических факторов. Оптимальные условия для катализируемых реакций поддерживаются в клетке благодаря сочетанию температуры, pH, концентрации субстрата и фермента, присутствию коферментов, регуляторных модификаций и пространственной организации. Изменения любого из этих факторов способны существенно изменять кинетику реакции и эффективность метаболических процессов.