Кратко — два главных механизма: pH меняет протонирование активных и структурных остатков (изменяет заряды, водородные связи и кислотно-основные каталитические центры); ионная сила экранирует электростатические взаимодействия (ослабляет/усиливает сольвентные и межостаточные притяжения/отталкивания), что ведёт к перестройке конформации, изменению сродства к субстрату и скорости катализа.
1) Влияние pH — механизмы и формулы
- Протонирование/депротонирование боковых цепей меняет их заряд и способность к H‑связям. Типичные каталитические остатки: His, Asp/Glu, Cys, Lys, Tyr. Доля протонированной формы описывается уравнением Хендерсона—Хассельбаха:
$\mathrm{pH}=\mathrm{p}{K}_a+\log \frac{[{\mathrm{A}}^{-}]}{[\mathrm{HA}]}$,
доля протонированного остатка
$f_{\mathrm{prot}}=\frac{1}{1+10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}{K}_a}}$.
- Изменение протонирования меняет химическую роль остатков в каталитическом цикле: например, в сериновых протеазах His действует как приёмник/донор протона — его протонирование при низком pH выключает роль основания и снижает активность. У тиоловых протеаз (Cys) нужен депротонированный тиол — чувствительность к pH очевидна.
- Конформационные эффекты: изменение зарядов ломает или создаёт солевые мосты и H‑связи, что приводит к локальным или глобальным перестройкам (часто наблюдаются «щелочные»/«кислотные» переходы и образование «молочно‑глобулярных» промежуточных состояний).
- Типичная форма зависимости активности от pH — колоколообразная, если оба состояния (кислотный и щелочной) деактивируют фермент; для двух ключевых групп:
$v(\mathrm{pH})\propto \frac{1}{1+10^{\mathrm{p}{K}_{a1}-\mathrm{pH}}+10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}{K}_{a2}}}.$
2) Влияние ионной силы — механизмы и формулы
- Ионная сила определяет степень электростатического экранирования:
$I=\frac{1}{2}\sum _i{c}_i{z}_i^2,$ где $c_i$ — концентрация иона, $z_i$ — заряд.
- Экранирование описывается дебаевским экспоненциальным затуханием кулоновского потенциала:
$V(r)=\frac{q_1{q}_2}{4\pi \epsilon r}{e}^{-\kappa r},$ где параметр экранирования
$\kappa =\sqrt{\frac{2N_A{e}^{2}I}{{\epsilon }_0{\epsilon }_r{k}_{B}T}}$ (длина дебая ${\lambda }_D=1/\kappa$).
- Последствия: при росте $I$ дальнодействующие электростатические притяжения и отталкивания ослабляются. Это даёт:
- Ослабление солевых мостов → потеря стабильности или изменение конформации.
- Снижение электростатического сродства к заряженным субстратам/аҷентам → изменение $K_m$ и кинетики. Часто рост соли уменьшает ассоциационные константы для комплексообразования с противоположно заряженным партнёром.
- Для процессов, управляемых локальными взаимодействиями (внутренние H‑связи, гидрофобные эффекты), влияние соли слабее.
- Ионная сила также влияет через специфическую сольватацию и связку катионов (Mg2+, Zn2+) — может менять состояние металл‑координатов и, следовательно, активность.
3) Примеры
- Пепсин: оптимум при очень низком pH (~1.5–2). Катализ основан на аспартатах, работающих в протонированной среде; при повышении pH активность резко падает.
- Сериновые протеазы (трипсин, химотрипсин): оптимумы обычно около нейтрально‑щелочного pH; протонирование His нарушает каталитический триад.
- Тиоловые протеазы (папаин): требуют депротонированного Cys — чувствительны к низкому pH.
- Гемоглобин (Бор эффект): снижение pH стабилизирует T‑конформацию → уменьшение сродства к O2 (пример pH‑зависимой аллостерии).
- ДНК‑связывающие белки: рост ионной силы обычно снижает сродство к ДНК (экрануются электростатические взаимодействия с фосфатным остовом).
4) Молекулярные основания (сводно)
- Смена заряда → изменение каталитической химии (кислотно‑основные этапы).
- Смена заряда/экранирование → перестройка солевых мостов и H‑связей → конформационные изменения и изменение стабильности.
- Изменение локального pKa остатков вследствие среды (карманы фермента, металоцентр) может смещать чувствительность к pH.
- Ионная сила влияет как через универсальное экранирование (Debye), так и через специфические связывания и сольватацию.
Практический вывод: при работе с ферментами подбирают буфер и ионную силу так, чтобы поддерживать нужный протонированный статус ключевых остатков и сохранить важные электростатические контакты; изменение pH или соли часто ведёт к сдвигу $k_{cat}$, $K_m$ и стабильности белка.