Кратко — по шагам и с примерами $пепсинитрипсин$.

1) Что именно меняет pH — ионные состояния остатков

В белках важны ионизируемые боковые цепи: Asp, Glu $кислые,pKa\approx 3.5–4.5$, His $пKa\approx 6.0$, Lys $пKa\approx 10.5$, Arg $pKa\approx 12.5$, а также концевые α‑аминки/карбоксилы. В активных центрах их pKa сильно сдвинуты микросредой.При смене pH меняется доля протонированных/депротонированных форм по уравнению Хендерсон‑Хассельбальха. Для кислой группы $HA\rightleftarrows A-+H+$: доля протонированной HA = 1/$1+10^{(}pH-pKa)$. Для основной $BH+\rightleftarrows B+H+$: доля дег протонированной $B$ = 1/$1+10^{(}pKa-pH)$.Каталитическая активность часто зависит от того, что одни группы должны быть протонированы, а другие — депротонированы; потому pH‑профиль активности отражает эти требования $чаще—колокообразнаякриваяпридвухнеобходимыхсостояниях$.

2) Влияние pH на структуру $термодинамикасвёртывания$

Стабильность свернутого состояния определяется ΔGfold = Gfold − Gunfold. pH влияет на ΔG через изменение зарядов: изменение числа протонов, приёма/отдачи при свёртывании $связанныепротонирования$.Сформулированное качественно: если в свернутом состоянии образуются благоприятные ионные взаимодействия $солевыемостики,H‑связи$ между ионизированными группами, то при pH, при котором эти группы в нужном ионном виде, свернутое состояние стабилизировано; при другом pH эти взаимодействия разрушаются → ΔGfold уменьшается → денатурация или локальная гибкость.Прямой количественный вид: pH‑зависимость свободной энергии складывается из вкладов ионизации: при изменении pH меняется энергетический вклад ≈ 2.303·RT·∑$\Delta qi$·$pH-pK{a}_{e}ff$ $грубо—втерминахразницычиселсвязанныхпротоновмеждусостояниями$. Практически это означает, что сдвиг pKa остатков между «свёрнутым» и «развёрнутым» состояниями определяет вклад pH в стабильность.На уровне структуры: изменение зарядов может разрушить соль‑мосты, изменить электростатические взаимодействия, нарушить внутримолекулярные H‑сети, вызвать электростатическое отталкивание и частичную или полную развёртку; также pH может влиять на агрегирование $изоэлектрическаяточка$ и на динамику активного центра.

3) Влияние pH на кинетику катализа

Каталитическая константа kcat и сродство к субстрату $Km$ зависят от доли «активной» протональной конфигурации. Если для катализа нужна, скажем, депротонированная His и протонированный Asp, то активность ∝ $доляHisвнужномсостоянии$ × $доляAspвнужномсостоянии$.Для одной критической группы: k$obs$ = kmax · f, где f — доля в нужной форме $см.формулывыше$. Для двух групп, требующих противоположных состояний, получается колоколообразная зависимость:
k$pH$ = kmax · $$1/(1+10^{(}pKa1-pH))$$ · $$1/(1+10^{(}pH-pKa2))$$.
$pKa1иpKa2—значения,прикоторыхкаждаяизгрупптеряет/получаетпротондляактивности.$pH влияет на энергию переходного состояния: изменение зарядов в активном центре меняет электро‑ и протонную конформацию TS, следовательно меняется ΔG‡ и экспоненциально — скорость $k\propto e^{(}-\Delta G‡/RT)$.

4) Конкретные примеры

Пепсин $аспартатнаяпротеаза$. Активен в сильно кислой среде $оптимумpH\approx 1.5–3$:
В активном центре два аспартата: один должен быть протонирован, другой — депротонирован $образуякислотно‑каталитическиймеханизм:протонированиепептиднойсвязииактивацияводы$.При высоком pH оба Asp будут депротонированы → теряется способность к нужной протонной передаче → активность падает. При экстремально низком pH возможна денатурация $слишкоммногопротоновразрушаетсоль‑мосты$.Трипсин $сериноваяпротеаза,каталитическаятриадаSer195–His57–Asp102$. Оптимум около нейтрального/слабощелочного $pH\approx 7–9$:
Ключевая His57 должна выполнять роль базового акцептора — обычно её активная форма частично депротонирована так, чтобы при контакте с субстратом принимать протон от Ser195 и далее передавать его. Микросреда $включаяAsp102$ сдвигает pKa His так, что она функционирует в нужном диапазоне pH.При низком pH His становится полностью протонированной $BH+$, не может выступать как база → kcat падает. При очень высоком pH другие группы и субстратные заряды меняются → может падать сродство $Km$ и стабильность белка.

5) Практические следствия и методы анализа

pH‑профили активности $скоростьvspH$ используются для определения pKa каталитических групп.Методы: кинетика $подгонкаpH‑профилей$, NMR $прямоеизмерениеpKaостатков$, рентген/кристалография при разных pH $конформационныеизменения$, вычисления $Poisson–Boltzmann$, мутации остатков для проверки их роли.Для биотехнологии и фармации: важно подбирать pH, при котором и активность, и структурная стабильность оптимальны; при хранении ферментов часто используют буферы, стабилизирующие нужные заряды.

6) Краткое резюме

pH меняет протональный статус аминокислот; это влияет на соль‑мосты, водородные связи и электростатическую стабилизацию структуры → меняется ΔG свёртывания.В активном центре каталитические остатки должны иметь специфические ионные состояния; от этого зависят kcat и Km. Чаще всего видим колоколообразные pH‑профили, отражающие необходимость двух противоположных состояний.Примеры: пепсин — оптимален в кислоте из‑за механизмов двух Asp; трипсин — оптимален ближе к нейтральному, поскольку His в триаде должен быть в особом протональном состоянии.

Если хотите, могу:

показать типичную математическую форму pH‑профиля для случая двух групп и разобрать её шаг за шагом;привести экспериментальные pH‑кривые для пепсина и трипсина и объяснить соответствующие pKa.